EGR阀升程规律对重型柴油机瞬态工况排放特性的影响

楼狄明，文杰，孔德立，谭丕强，胡志远

(1.同济大学，上海 201804；2. 联合汽车电子有限公司，上海 201804)

柴油机具有燃油消耗低、扭矩输出高及可靠性高等优点，在交通运输、农业机械及工程机械领域得到了广泛的应用，但柴油机有害排放物极大地制约了柴油机的发展。日益严格的排放法规对柴油机排放控制提出了更高的技术要求，因此依靠发动机机内净化和机外后处理技术共同实现排放达标已越来越成为共识[1-2]。机内净化氮氧化物(NOx)的废气再循环技术(exhaust gas recycling, EGR)与机外净化微粒的微粒捕集器(Diesel Particulate Filter, DPF)的结合是目前比较主流的柴油机排放控制技术路线[3-5]。但使用EGR会对柴油机燃烧以及炭烟排放产生不良影响，因此，合理优化各工况下的EGR阀控制策略是采用EGR技术的关键。

实际道路工况下，车用柴油机大部分时间都处于瞬态工况，稳态标定的最佳性能不可能长时间持续，因此，针对瞬态工况柴油机性能与排放特性的研究更能适应未来发展需求。在ETC测试循环中，恒转速变扭矩(constant speed increased torque，CSIT)和恒扭矩变转速(constant torque increased speed，CTIS)是典型瞬态工况，在此工况下，EGR在NOx和炭烟排放控制中的矛盾也比较突出[6]。本研究主要目的是在柴油机CSIT与CTIS瞬变过程中探究EGR阀升程规律对柴油机排放特性的影响，为优化柴油机瞬态工况排放提供技术参考。

1 试验设计

1.1 试验样机及燃料

试验样机为配备EGR的某高压共轨增压中冷重型柴油机，具体技术参数见表1。试验燃料为国Ⅴ柴油，其理化指标见表2。

表1 柴油机主要技术参数

表2 柴油主要理化指标

1.2 试验设备

柴油机试验台架基于AVL-PUMA自动测控台架进行设计和搭建(见图1)。其主要仪器设备和测试系统包括：AVL-ATA404电力测功机、AVL-439烟度仪、AVL-735油耗仪、ECU标定工具ETAS、AVL-i60气体测试仪及AVL-PEUS多组分仪等(见表3)。其中AVL-i60和AVL-PEUS多组分气体分析仪的采样频率设置为10 Hz。

图1 试验台架布置示意

试验设备测试参数测试目的AVL⁃735油耗仪燃油消耗率/g·(kW·h)-1柴油机基本性能指标AVL⁃i60(气体测试仪)NOx体积分数/10-6柴油机重要的排放物AVL⁃PEUS(多组分分析仪)NO体积分数/10-6NO2体积分数/10-6NOx的主要组成成分AVL⁃439烟度仪瞬态烟度国Ⅲ以上法规要求

本研究中发动机的标定使用的是基于CCP(CAN Calibration Protocol)的ETAS INCA软件。INCA主要提供一个工作平台进行实时监控，并且测量发动机的运行数据，可通过接口模块ES590向ECU开发板发送控制参数对瞬态试验中EGR阀开度进行控制。

1.3 试验工况

分别在恒定扭矩相同转速增加率与恒定转速相同扭矩增加率下， 研究EGR阀升程规律对瞬态工况排放特性的影响。通过稳态正交试验已经确定了柴油机瞬变过程前后工况点的EGR阀开度，关键是如何设计中间的升程规律。通过试验设计方法DOE(Design of Experiment)，将前后工况点(A，B)标注于坐标系中(见图2)，列举工况A与B之间可随时间随机走过的点，通过排列组合连接成不同EGR阀升程规律曲线。升程规律基本可分为3类：线性升程、上凸型升程以及下凹型升程。

图2 EGR阀过渡工况可选路径点

EGR阀升程规律选择示意见图3。在恒转速变扭矩工况，柴油机工况由1 295 r/min，387 N·m通过5 s恒转速变扭矩瞬变到1 295 r/min，1 160 N·m。EGR阀与柴油机同时开始瞬变，瞬变前后EGR阀的开度从70%降低到25%。升程规律见图3a，其中升程1是简单线性过渡；升程2、升程3与升程1相比，EGR阀开度变化速率更大，且依次降低，总体呈现下凹状。升程4、升程5与升程1相比，EGR阀开度推迟瞬变，变化率高于升程1，总体呈现上凸状。

图3 EGR阀升程规律选择示意

在恒扭矩变转速工况，柴油机工况由1 295 r/min，1 145 N·m通过3 s恒扭矩变转速瞬变到1 590 r/min，1 145 N·m，EGR阀与柴油机同时开始瞬变，瞬变前后EGR阀的开度从32%升高到50%。升程规律见图3b，其中升程A是简单线性过渡；升程B、升程C总体呈现上凸状；升程D、升程E总体呈现下凹状。

2 试验结果和分析

2.1 EGR阀升程规律对NOx排放的影响

图4示出恒转速变扭矩工况柴油机EGR阀升程规律对NOx排放的影响。

图4 恒转速变扭矩工况EGR阀升程规律对柴油机NOx排放的影响

由图4a可知，下凹型升程2、升程3的NOx排放出现了明显的峰值，其他升程均出现明显谷值。对于升程2、升程3，EGR阀开度变化速率从瞬变开始就高于线性升程1，EGR阀开度迅速减小使废气回流量降低，提高了缸内的进气量，混合气体总热容降低且随负荷增加缸内喷油量增大，缸内燃烧温度上升，基本符合NOx高温富氧生成条件[7-9]，因此，缸内产生的NOx会突增。升程2的EGR阀开度过渡完成用时少于升程3，其NOx峰值相比升程3升高了20.10%。升程4、升程5与升程1相比，最大的不同是在瞬变始点其EGR阀开度保持不变，一段时间后才开始变化。因此在瞬变开始时，缸内新鲜空气进气量较稳态时大幅降低，而随负荷增大缸内喷油量增加，导致缸内空燃比下降，造成了NOx排放的降低。升程5EGR 阀延迟变化时间比升程4长，其NOx谷值相比升程4降低了14.4%。

由图4b可知，NO不论是排放水平还是整体趋势上与NOx排放均有极高的统一性。通过对比分析发现，升程2的NO排放峰值明显，升程3几乎看不出峰值，其余升程NO排放均出现谷值。其中升程5谷值最小，相比于升程2峰值，NO排放下降58.19%。

由图4c可知，与NO相比，NO2的排放水平要低很多，该工况所有升程的NO2排放峰值均没超过20×10-6，对NOx整体的排放数量级与趋势没有造成明显的影响。NO与NO2的比例在1∶9到1∶10之间。

图5示出恒扭矩变转速工况柴油机EGR阀升程规律对NOx排放的影响。

从图5a可知，各升程规律下NOx的排放规律一致，瞬变开始后NOx排放先减后增，最后趋于稳定。不同EGR阀升程规律下谷值明显不同，与线性升程A相比，升程B、升程C的谷值降低了15.27%和9.16%，升程D、升程E的谷值高于升程A9.08%和9.73%。由图3b可知，升程B、升程C的相同点是在瞬变工况开始时EGR阀变化速率高于线性升程A。EGR阀开度快速增大使废气回流量增加，缸内氧浓度进一步降低，抑制了NOx的产生，因此EGR阀过渡时间最短的升程B的NOx谷值最低。升程D、升程E在瞬变开始时EGR阀没有立刻响应，EGR阀开度的延迟变化使瞬变始点缸内的废气回流低于线性升程，因此缸内氧浓度较高。而1 145 N·m属于中高负荷，缸内燃烧温度较高，缸内的氧含量决定了NOx排放量。而升程E的EGR阀开度变化延迟时间最长，故NOx排放最高。

由图5b可知，NO的排放水平与NOx基本一致。其中，升程B、升程C的NOx谷值分别比升程A低9.8%，8.4%；升程D、升程E的谷值分别较升程A高5.63%和8.12%。

图5 恒扭矩变转速工况EGR阀升程规律对柴油机NOx排放的影响

由图5c可知，所有升程下NO2排放值均低于20×10-6。柴油机NO2排放水平很低，其排放规律对NOx排放的整体规律不会造成很大影响。

2.2 EGR阀升程规律对烟度的影响

图6示出柴油机不同EGR阀升程规律下消光系数的变化曲线，该参量可以表征柴油机的烟度水平[10]。

由图6a可知，恒转速变扭矩工况下，所有EGR阀升程规律下烟度变化趋势相同，均呈先增后减随后趋于稳定的趋势。升程2、升程3的烟度峰值与线性升程1相比下降了51.5%和55.73%，升程4、升程5的烟度峰值比升程1高了7.7%和35.1%。在增负荷过程中，随喷油量增加缸内温度也逐步上升，缸内空燃比成为影响炭烟生成的重要因素[11-13]。升程2、升程3EGR阀开度快速减小使得缸内废气回流量减少，提升了缸内的进气量，优化了缸内的空燃比，因此与线性升程相比，这两种升程下烟度有了大幅下降。同理，升程4、升程5EGR阀开度推迟变化使缸内进气量比线性变化时更加不足，燃烧质量也比其他升程要差，因此烟度劣于线性升程。

图6 EGR阀升程规律对柴油机消光系数的影响

由图6b可知，恒扭矩变转速工况下，各升程规律下柴油机消光系数的变化趋势一致，均是在瞬变过程中出现一个峰值，之后再回到稳态的水平。升程B、升程C的烟度峰值比线性升程A高88.81%，48.64%，升程D、升程E的烟度峰值比升程A低0.2%和10.4%。该过渡工况属于中高负荷，缸内燃烧温度较高，烟度与缸内的含氧量密切相关。升程B、升程C在瞬变工况开始时EGR阀变化速率高于线性升程A，废气回流量增加使缸内氧浓度进一步降低，导致炭烟排放增加。升程D、升程E的EGR阀保持小开度的时间较长，缸内氧含量比其他升程更高，因此烟度峰值更低。

2.3 EGR阀升程规律对燃油消耗率的影响

图7示出柴油机EGR阀升程规律对燃油消耗率的影响。

由图7a可知，恒转速变扭矩工况下，所有升程下柴油机燃油消耗率瞬变过程中的变化趋势都是先降后升，最后趋于稳定。这是因为从小负荷向大负荷过渡时，瞬变始点缸内EGR废气回流加热了缸内气体，改善燃油雾化质量导致油耗降低；而随着负荷增大到一定程度，废气回流反而降低了缸内进气量，燃烧恶化，因此燃油消耗率逐渐上升[14-15]。不同升程规律下柴油机燃油消耗率差异较小，升程2、升程3的燃油消耗率谷值比线性升程1低3.24%和5.02%，升程4、升程5的燃油消耗率谷值比线性升程1高4.03%和5.16%。

图7 EGR阀升程规律对柴油机燃油消耗率的影响

由图7b可知，恒扭矩变转速工况下，所有的升程规律下燃油消耗率均出现一个谷值，且不同升程下谷值没有明显的差异。导致这种现象的主要原因是，随着柴油机的转速升高，瞬态过程中增压器迟滞影响明显减小，柴油机的充气增加，优化了缸内燃烧[14-15]。计算分析后发现，升程B、升程C的燃油消耗率谷值比升程A高1.95%和1.34%，升程D、升程E的燃油消耗率谷值相比升程A低1.83%和0.84%。与升程A相比，所有升程下燃油消耗率谷值的最大差值仅为3.8 g/(kW·h)。

在分析排放的同时也要关注不同EGR阀升程规律对瞬态工况柴油燃油消耗率的影响。如果瞬态过程某一 EGR 阀升程规律导致柴油机燃油消耗率恶化明显，就必须考虑采取当前路径的合理性。

3 结论

a) 恒转速变扭矩工况下，在初始变化率高的下凹型升程瞬变过程中，柴油机NOx排放量明显增加并出现峰值，而线性升程与上凸型升程下NOx排放曲线出现明显波谷，NOx排放最大降幅达到55.3%；恒扭矩变转速工况下，所有升程规律下NOx排放均呈现先减后增随后趋于稳定趋势，初始变化率高的上凸型升程排放谷值要低于线性升程与下凹型升程，最大降幅达到23.07%；两种瞬态工况下，NO与NOx排放规律基本一致，而EGR阀升程规律对NO2排放影响甚微；

b) 不同EGR阀升程规律下两种瞬态工况的烟度变化规律相同，呈先增后减最后趋于稳定的趋势，且下凹型升程的烟度峰值较低；

c) 不同EGR阀升程规律下两种瞬态工况的燃油消耗率变化规律相同，均呈先减后增最后趋于稳定的趋势，且波谷十分接近，这说明EGR阀升程规律对燃油经济性影响不大，且所选路径在合理范围内。

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