重型柴油机冷EGR与VGT耦合优化试验研究

楼狄明，李响，郭石磊,2，谭丕强，胡志远

(1.同济大学汽车学院，上海 201804；2.联合汽车电子有限公司，上海 201206)

柴油机具有燃油消耗低、输出扭矩大、可靠性好等优点，因而广泛应用于交通运输、工程机械等领域[1]。NOx是柴油机主要排放物之一，如何有效控制NOx排放是目前柴油机排放控制的研究重点[2-3]。

废气再循环技术(Exhaust Gas Recycling，EGR)是降低柴油机NOx排放的有效方法之一[4-5]。但采用EGR技术会引起其他问题：燃烧过程变缓，HC排放升高；空燃比降低，PM排放和烟度升高[6-7]。且在部分工况下，增压柴油机的增压压力高于排气压力，不能有效进行废气再循环。可变截面涡轮增压器(Variable Geometry Turbocharger,VGT)可提高涡轮增压柴油机的瞬态响应性，并改善EGR的上述不足[8-10]。VGT/EGR系统扩大了EGR的适用范围，附加成本低；通过VGT/EGR系统的优化与匹配，可在保证柴油机动力性和经济性的同时，满足日趋严格的排放限值[11-12]。

鉴于上述分析，基于台架试验结果，通过建立数学模型和评价标准，对各个工况点下的VGT阀门开度和EGR阀门开度进行综合优化，为EGR与VGT的耦合优化提供参考。

1 试验设计

试验样机为配备VGT与EGR的某高压共轨重型柴油机，其主要参数见表1。试验所用燃料为国Ⅴ柴油，其具体理化指标如表2所示。

表1 柴油机主要参数

表2 燃料主要理化指标

试验研究所使用的试验设备主要包括AVL PUMA发动机试验台架、AVL APA4F4电涡流测功机、AVL-735动态油耗仪、AVL-i60气体测试仪、AVL-PEUS多组分排放仪以及ETAS INCA标定系统等。发动机台架装置示意见图1。

图1 发动机台架装置示意

选取ESC循环十三工况的3个代表转速A，B，C，分别在25%，50%，75%和100%负荷，进行柴油机的性能与排放试验。通过ETAS标定系统调整VGT和EGR阀门开度，EGR阀门开度分别为0，25%，50%，75%和100%，VGT阀门开度分别为40%，50%和65%。VGT阀门开度定义喷嘴环叶片转过角度最小，涡轮有效流通截面最大为0开度；喷嘴环叶片转过角度最大，涡轮有效流通截面最小为100%开度。

2 数学模型和评价标准

鉴于VGT/EGR系统对柴油机排放特性的综合影响，在进行ESC十三工况的稳态正交试验后，通过建立一定的评价标准，在各个工况下进行VGT阀门开度和EGR阀门开度的选取和优化。

引入变量i，j，k，xk(i,j)，ak，并定义如下：

1)i为工况点序号，i=1，2，…11，12；

2)j为不同EGR和VGT阀门开度组合对应的试验点，j=1，2，…14，15；

3)k为评价参数，k=1，2，3，4，分别对应于NOx体积分数、燃油消耗率、烟度和CO体积分数；

4)xk(i,j)为第i个工况、第j个EGR和VGT阀门开度组合对应的评价参数k的值；

5)ak为评价参数k的权值，∑ak=1。

考虑到各评价参数之间单位或量级的不同，建立如下数学模型：

1) 计算在第i个工况，不同评价参数k在各个EGR和VGT阀门开度组合下的最大值yk(i)，即

yk(i)=Max(xk(i,j))。

2) 在第i个工况，对各个EGR和VGT阀门开度组合下的评价参数值xk(i,j)与yk(i)的比值进行加权求和，即

3) 计算z(i,j)的最小值，最小值对应的j即为工况i下所要选择的EGR和VGT阀门开度组合。

在基于柴油机经济性和排放对各个工况点的EGR阀门开度和VGT阀门开度进行选取时，鉴于需求不同，评价标准也不是唯一的。基于以上数学模型，共建立3种评价标准：

1) 由于柴油机排放中NOx与颗粒物存在着显著的trade-off关系，故选择NOx排放和烟度作为评价指标。

2) 由于在试验过程中发动机未加装后处理装置，各个工况下烟度值较高。考虑到颗粒物排放可以通过机外净化手段进行降低，同时柴油机引入EGR后燃油消耗率升高，故选择NOx排放和燃油消耗率作为评价指标。

3) 柴油机由于富氧燃烧，排放中的CO和HC较低，但仍为主要排放污染物之一，为综合考虑发动机的经济性和排放性能，选择NOx和CO排放、烟度以及燃油消耗率作为评价指标。

各评价标准选取的评价指标及评价指标权值如表3所示。

表3 3种评价标准

基于以上制定的评价标准，将各工况点、各EGR和VGT阀门开度组合下的试验数据导入数学模型中，得到各工况点选取的EGR阀门开度、VGT阀门开度及min(z(i,j))(见表4)。

表4 各工况点选取的EGR和VGT阀门开度

续表

为了方便对各个评价标准下的优化结果进行分析比较，将NOx体积分数、燃油消耗率、烟度和CO体积分数作为3种评价标准的比较参数。以各工况点下，NOx体积分数、燃油消耗率、烟度和CO体积分数的最大值为基准，对各评价标准下选取的EGR和VGT阀门开度组合对应的评价参数进行分析比较。

下文中所涉及的符号释义如下：

aNOx为NOx排放在其基准值中的占比；a烟度为烟度在其基准值中的占比；a油耗率为油耗率在其基准值中的占比；aCO为CO排放在其基准值中的占比。

3 试验结果与分析

各评价标准下优化结果的评价参数对比如图2所示。从图中可见：

1) 在NOx排放方面，3种评价标准的优化结果中，标准三的aNOx在各个工况点都处于较高水平，在A25，A50，…C100各工况点下，aNOx分别为26.2%，60.2%，48.5%，52.1%，94.7%，62.7%，37.1%，24.0%，54.4%，57.2%，31.1%和29.5%；而标准二的aNOx在各工况点均处于较低水平，aNOx分别为24.7%，31.6%，21.0%，22.6%，38.9%，22.7%，8.9%，7.5%，27.7%，14.0%，14.1%和14.8%；标准一的aNOx在标准二和标准三之间。

2) 在烟度方面，标准二由于未考虑烟度，其优化结果的a烟度明显高于其他两种评价标准，部分工况选取的EGR和VGT阀门开度对应的烟度值为该工况下的最大值，在A25，A50，…C100各工况点下，a烟度分别为55.1%，100%，100%，100%，100%，100%，100%，100%，86.2%，100%，81.0%和88.1%；标准一和标准三的a烟度明显低于标准二，且标准三的a烟度更低。

3) 在燃油消耗率方面，3种评价标准的优化结果中a油耗率相差不大，均在74.8%以上，其中标准二的a油耗率略高于其他两种评价标准。

4) 在CO排放方面，大部分工况下标准二的aCO明显高于其他两种评价标准的优化结果，在A25，A50，…C100各工况点下，aCO分别为100%，88.7%，66.7%，25.3%，97.3%，100%，100%，100%，78.4%，100%，83.9%和86.6%；标准三的aCO处于较低水平，分别为74.3%，36.7%，14.0%，12.6%，41.2%，10.5%，10.7%，8.5%，44.6%，11.5%，30.8%和18.6%；标准一的aCO在标准二和标准三之间。

从上述分析可知，由于各评价标准的优化目标不同，各工况点选取的EGR和VGT阀门开度及其对应的NOx体积分数、烟度、燃油消耗率和CO体积分数均不相同。以折中NOx排放和烟度为目标的评价标准一，其NOx体积分数、烟度、燃油消耗率和CO体积分数均处于中等水平；以优化NOx排放和燃油消耗率为目标的评价标准二，其NOx体积分数处于较低水平，燃油消耗率与其他两种评价标准相当，而烟度和CO体积分数则明显高于其他两种评价标准；综合考虑NOx排放、烟度、燃油消耗率和CO体积分数的评价标准三，其NOx体积分数明显高于标准一和标准二，CO体积分数较低，烟度和燃油消耗率与其他两种评价标准相当。试验研究所用发动机并未加装后处理装置，考虑到标准一的优化结果中各评价参数均处于中等水平，且EGR降低柴油机NOx排放后，可通过加装SCR使NOx排放进一步降低，还可以通过加装DOC，DPF等后处理装置使CO排放和烟度显著降低，故基于评价标准一对EGR和VGT阀门开度组合进行优化。

全试验工况下，优选的EGR和VGT阀门开度如图3所示。从图中可见，随着转速的升高，EGR阀门开度逐渐减小，且相同转速下，EGR阀门开度先增大后减小；中等负荷下，VGT阀门开度较小，随着转速的升高，阀门开度逐渐增大。

图2 各评价标准下的优化结果

图3 优选的EGR和VGT阀门开度

全试验工况下，优化后的NOx排放、烟度、燃油消耗率和CO排放如图4所示。从图中可见，NOx排放整体较低，但大负荷及高转速工况下，NOx排放显著升高；中等负荷下，尾气烟度极低，但低速大负荷工况下烟度迅速升高；燃油消耗率整体较低，高速小负荷工况下油耗率显著提高；中高转速下，CO排放较低，低速大负荷工况下CO尾气排放严重。

图4 优化后的评价参数

4 结论

a) 标准一相比于其他方案，各评价参数均处于中等水平；标准二的NOx排放处于较低水平，而烟度和CO排放较高；标准三NOx排放较高，而CO排放较低；

b) 基于标准一对EGR和VGT阀门开度进行优化，结果表明：相同转速下，随着负荷的增大，EGR阀门开度先增大后减小；中等负荷下，VGT阀门开度较小，转速较高时，阀门开度增大；

c) 标准一的优化结果整体较优，但大负荷和高转速工况的NOx排放及低速大负荷工况的CO排放问题严重，且在低速大负荷工况下烟度急剧升高。为缓解以上问题，需通过调节喷油正时对柴油机的性能作进一步优化。