邱國平，凌建群，步裕方，呂紀(jì)斌

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

1 前言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展和汽車保有量的高速增長，汽車產(chǎn)業(yè)正面臨著汽車能源需求與大氣環(huán)境保護的雙重巨大壓力。發(fā)動機的有害排放物是造成大氣污染的一個主要來源，發(fā)動機有害排放物對大氣造成的危害受到了人們的高度重視，隨著環(huán)境保護問題重要性的日趨增加，保護生態(tài)環(huán)境、防止大氣污染已成為全球關(guān)心的 “熱點”，降低發(fā)動機有害排放物這一目標(biāo)已成為當(dāng)今世界上發(fā)動機發(fā)展的一個重要方向。開展發(fā)動機有害排放物控制方法的研究，是從事發(fā)動機設(shè)計者的首要任務(wù)之一。

2 EGR發(fā)動機開發(fā)目標(biāo)

發(fā)動機開發(fā)目標(biāo)要求在上柴公司現(xiàn)有的6CL290-2型國Ⅱ柴油機基礎(chǔ)上，采用外置式EGR系統(tǒng)，并對燃油系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)進行優(yōu)化匹配，使SC9DK290Q3B型重型發(fā)動機排放達到國Ⅲ排放法規(guī)要求。具體設(shè)計開發(fā)指標(biāo)見表1。

3 EGR發(fā)動機性能開發(fā)方案介紹

EGR（Exhaust Gas Recirculation）即廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，通過將發(fā)動機排氣管中的部分廢氣引入進氣系統(tǒng)，與新鮮的充量空氣進行混合，從而使發(fā)動機進氣充量的性質(zhì)發(fā)生變化，最終影響整個燃燒過程和排放[1]。

D6114系列柴油機是20世紀(jì)90年代初國內(nèi)自主開發(fā)成功的具有20世紀(jì)80年代末國際水平、國內(nèi)領(lǐng)先水平的中小功率柴油機，其功率覆蓋面廣，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?，涵蓋了車用動力、工程機械、電站以及船用主機和輔機等多個領(lǐng)域。為進一步滿足國家日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，該系列發(fā)動機以高壓噴射和增壓 （空－空）中冷技術(shù)為核心，采用雙擠壓渦流燃燒室，改進燃油噴射系統(tǒng)、渦輪增壓系統(tǒng)，適當(dāng)減小供油提前角，使用國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)柴油，并采用冷卻EGR技術(shù)來改善其排放性能，以達到重型車用發(fā)動機國Ⅲ排放的要求。圖1為國Ⅲ排放EGR技術(shù)路線示意圖。

從圖1可見，在現(xiàn)有6CL290-2型國Ⅱ柴油機基礎(chǔ)上，當(dāng)采用減小噴油定時，NOx排放降低，此時PM排放上升；又減小噴油器噴孔并提高噴射壓力以及適當(dāng)減小噴油定時，PM排放降低，NOx排放則升高；此時采用冷卻EGR技術(shù)以及低硫燃油等，發(fā)動機性能就可以達到國Ⅲ排放水平。

開發(fā)國Ⅲ發(fā)動機排放性能有以下幾個關(guān)鍵技術(shù)： （1）采用冷卻EGR技術(shù)——降低NOx排放；（2）適當(dāng)推遲供油提前角——降低NOx排放；（3）采用高壓噴射技術(shù) （噴射壓力140 MPa）——降低PM排放； （4）降低機油耗——降低PM排放； （5）選擇國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)燃油——降低PM排放。

4 EGR發(fā)動機系統(tǒng)參數(shù)的匹配與控制

下面以SC9DK290Q3B型柴油機排放性能的開發(fā)為例來說明。

4.1 燃燒系統(tǒng)

EGR發(fā)動機的燃燒室采用雙擠壓縮口設(shè)計，燃燒室口徑為66 mm，壓縮比為18∶1，其燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)和進氣道渦流比與國Ⅱ柴油機相同。

4.2 燃油噴射系統(tǒng)

為了降低發(fā)動機顆粒PM的排放，燃油系統(tǒng)采用PZ型高壓噴射燃油泵，同時選用7孔、流量系數(shù)達0.75～0.87的低慣量噴油器，其噴射壓力可達到140～150 MPa，能夠較大幅度地降低顆粒排放物的生成。圖2為6孔、7孔噴油器在A轉(zhuǎn)速下對NOx加權(quán)排放以及煙度的影響。

從圖2可以看出，在PZ型噴油泵條件下，選用7孔噴油器，可以提高燃油噴射壓力，在NOx加權(quán)排放變化不大的前提下，能夠較大幅度地降低排氣煙度，達到了降低顆粒排放的目的。

4.3 增壓系統(tǒng)

增壓系統(tǒng)的選配采用上海菱重增壓器有限公司的TD07S型增壓器，并根據(jù)EGR發(fā)動機開發(fā)要求，在其基本型號的基礎(chǔ)上優(yōu)化壓氣機幾何尺寸，在兼顧發(fā)動機高低速性能的同時，適當(dāng)降低高中速段及部分負荷的增壓壓力，以優(yōu)化進排氣的壓差。對EGR系統(tǒng)來講，這樣就可以增加部分負荷的EGR率，從而降低氣缸內(nèi)的燃燒溫度，降低NOx排放污染物的生成。

廢氣進入氣缸的必要條件就是排氣壓力大于進氣壓力，圖3中Δp為進氣壓力與排氣壓力的差值。廢氣進入氣缸，產(chǎn)生EGR作用只在小部分區(qū)域 （陰影部分），換言之，ESC排放試驗中的13工況點只有一部分工況點可以采用EGR系統(tǒng)，在這里我們只能取7、9、11、12、13這5個排放工況點。由于大部分工況下，增壓壓力大于排氣壓力，能夠適合采用EGR的工況較少，為了克服以上缺點，有時可以采用可變幾何增壓器或文丘里管等技術(shù)來增加EGR控制工況點和提高EGR率。本文則采用增壓器進、排氣壓差的優(yōu)化匹配，來提高EGR率，降低NOx排放，使發(fā)動機性能達到國Ⅲ排放水平。

4.4 EGR率對NOx排放的影響

EGR系統(tǒng)的任務(wù)就是使廢氣的再循環(huán)量在每一個工作點都達到最佳狀況，從而使燃燒過程始終處于最理想的狀況，最終保證排放物中的污染成分最低。由于廢氣再循環(huán)量的改變可能會對不同的污染成分產(chǎn)生截然相反的影響，因此所謂的最佳狀況往往是一種折衷方案，使相關(guān)污染物的總排放達到最佳。比方說，盡管提高廢氣再循環(huán)量對減少氮氧化物NOx的排放有積極的影響，但同時也會對顆粒物PM以及其他污染成分的排放產(chǎn)生消極的影響。

圖4為EGR率對NOx排放的影響，試驗表明，使用普通的增壓系統(tǒng)，所達到的EGR率是很有限的，EGR率可達8～10%，但是對NOx的抑制作用仍然十分明顯，圖4是C轉(zhuǎn)速下部分負荷時EGR率對加權(quán)NOx排放和煙度的影響。由圖3可知，加權(quán)NOx排放隨EGR率越大而減小，煙度（顆粒）則隨EGR率增大而增大，且EGR率的大小取決于排壓與增壓的壓差及EGR閥的開度。

4.5 EGR發(fā)動機排放性能綜合匹配試驗

在滿足國Ⅲ限值的SC9DK290Q3B發(fā)動機的排放性能研究中，當(dāng)經(jīng)過上述各種措施系統(tǒng)匹配控制試驗后，發(fā)動機的一些主要分系統(tǒng)以及一些主要參數(shù)的匹配研究是達到國Ⅲ性能排放的關(guān)鍵。此時發(fā)動機已處于一種在NOx排放和PM排放之間左右擺動的狀態(tài)，但是，在NOx排放、PM排放、燃油經(jīng)濟性、排氣溫度以及增壓器效率之間存在的比較復(fù)雜的相互關(guān)系以及各主要參數(shù)的匹配與控制等，需要在匹配研究中加以解決。

上述試驗表明，提高噴射壓力，縮小噴孔，有助于顆粒物 (PM)的降低；通過減小渦輪通流面積來適當(dāng)增大排氣壓力，有助于EGR率的增加，但過大的排氣壓力會對新鮮空氣順利進入氣缸產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致性能急劇惡化，發(fā)動機油耗和排溫升高，故增壓器的選配應(yīng)取排放和性能折衷的結(jié)果，并應(yīng)兼顧發(fā)動機高低速性能；適當(dāng)推遲噴油正時，可以在很大程度上抑制NOx的生成，但會對顆粒物的產(chǎn)生有所增加，同時推遲噴油正時，致使柴油機性能惡化，顆粒排放增加的同時也對新鮮空氣和廢氣組成產(chǎn)生影響，間接改變了EGR率及燃料的燃燒性能；使用國Ⅲ燃油，可以較明顯地減少顆粒物的生成。

本文論述的重型車用SC9DK290Q3B發(fā)動機，其性能達到開發(fā)目標(biāo)，發(fā)動機排放達到GB17691-2005國Ⅲ車用柴油機排放標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)檢測機構(gòu)認證的試驗結(jié)果見表3。

同時SC9DK290Q3B型發(fā)動機，已通過了1 500 h變工況耐久試驗。試驗結(jié)果證明，EGR發(fā)動機采用新的燃油系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)以及EGR系統(tǒng)后，發(fā)動機的可靠性良好，其可靠性與國Ⅱ發(fā)動機相當(dāng)。

5 結(jié)束語

本文針對6CL290-2國Ⅱ排放柴油機進行了國Ⅲ排放的升級開發(fā)，通過燃油系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)等改進，采用簡單冷卻的EGR系統(tǒng)，并進行了排放的優(yōu)化匹配試驗，最終達到柴油機國Ⅲ排放升級的目標(biāo)。升級后的SC9DK290Q3B柴油機通過了ESC、ETC、ELR、加速煙度等國家檢測中心的排放檢測，滿足了國Ⅲ排放要求。

1虞展.國Ⅲ柴油機電控燃油系統(tǒng)技術(shù)路線角逐與前景 [J].汽車與配件，2009.2.11.

2邱國平，凌建群，步裕方，呂紀(jì)斌，實用新型專利：傳統(tǒng)柴油機廢氣再循環(huán)系統(tǒng)控制裝置，申請?zhí)枺?00920076162.4.