朱 睿，孫萬(wàn)臣，杜家坤，李魯寧，李國(guó)良，李文祥

（1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130025；2.中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130011）

渦輪增壓是柴油機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，但傳統(tǒng)的單級(jí)增壓由于其固有缺陷已不能滿足未來(lái)柴油機(jī)更高的性能和排放要求［1－2］。二級(jí)增壓系統(tǒng)具有壓比高、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)可靠等優(yōu)點(diǎn)，逐步在重型柴油機(jī)上得到廣泛應(yīng)用［3－4］。匹配二級(jí)增壓系統(tǒng)后，柴油機(jī)的升功率、低速扭矩大幅提高，煙度和油耗則可得到較大程度的改善［5－6］。二級(jí)增壓是滿足未來(lái)更為嚴(yán)格排放法規(guī)和高功率密度柴油機(jī)需求的重要技術(shù)［7］。

二級(jí)增壓系統(tǒng)能夠大幅提高柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力，增加缸內(nèi)新鮮充量，有利于降低微粒排放［8－9］。同時(shí)，較大的空燃比允許采用更高的廢氣再循環(huán)（EGR）量，從而能夠進(jìn)一步降低 NOx排放［10］，因此二級(jí)增壓耦合EGR系統(tǒng)在降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放方面具有較大潛力［11］。

本研究針對(duì)某重型車用柴油機(jī)超低排放開發(fā)目標(biāo)進(jìn)行了二級(jí)增壓與EGR系統(tǒng)匹配，試驗(yàn)研究了不同工況下EGR系統(tǒng)對(duì)二級(jí)增壓重型柴油機(jī)性能、燃燒及排放的影響規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)重型柴油機(jī)的高效清潔燃燒提供一定的理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)裝置與研究方法

研究采用某重型直列6缸增壓中冷柴油機(jī)，原機(jī)裝有HOLSET單級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。本研究采用的二級(jí)增壓系統(tǒng)及EGR布置方案見(jiàn)圖1。試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）由CW440電渦流測(cè)功機(jī)、DF2420油耗儀、7100DEGR排放分析儀、AVL439消光煙度計(jì)和DS0928燃燒分析儀等組成。

研究中單級(jí)增壓（原機(jī)）和二級(jí)增壓柴油機(jī)試驗(yàn)工況均采用ESC穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)除怠速外的12個(gè)工況點(diǎn)（見(jiàn)表2和表3）。

表1 試驗(yàn)柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 單級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況點(diǎn)

表3 二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況點(diǎn)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 EGR對(duì)二級(jí)增壓柴油機(jī)燃燒的影響

圖3示出了1 965r／min，50%負(fù)荷工況下原機(jī)與二級(jí)增壓柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒特性隨EGR率的變化對(duì)比，試驗(yàn)中在不同EGR率下噴油始點(diǎn)保持不變。

由圖3可見(jiàn)，隨著EGR率增大，原機(jī)與二級(jí)增壓柴油機(jī)缸內(nèi)壓力峰值及瞬時(shí)放熱率峰值降低，缸內(nèi)最高燃燒溫度有所降低。相同EGR率下，原機(jī)缸內(nèi)壓力峰值及瞬時(shí)放熱率峰值較二級(jí)增壓柴油機(jī)低，但其缸內(nèi)最高燃燒溫度高于二級(jí)增壓柴油機(jī)。原機(jī)與二級(jí)增壓柴油機(jī)的燃燒始點(diǎn)隨EGR率變化不明顯，說(shuō)明滯燃期變化不大。原因是柴油機(jī)的滯燃期主要取決于燃料性質(zhì)、混合氣濃度、溫度以及壓力條件，引入EGR后，一方面，空燃比減小，混合氣中的氧濃度降低，CO2，H2O等惰性氣體分子增多，導(dǎo)致滯燃期有所延長(zhǎng)，而另一方面，廢氣再循環(huán)提高了缸內(nèi)混合氣溫度，縮短了滯燃期。由此可見(jiàn)，混合氣中氧的濃度對(duì)滯燃期的影響與進(jìn)氣溫度對(duì)滯燃期的影響作用相當(dāng)，使得EGR率的變化對(duì)該工況下滯燃期的影響不明顯。

2.2 EGR對(duì)二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

圖4示出了二級(jí)增壓與單級(jí)增壓柴油機(jī)渦前與進(jìn)氣壓差的對(duì)比（圖中a，b，c分別代表ESC試驗(yàn)工況點(diǎn)的3個(gè)轉(zhuǎn)速，分別為1 335r／min，1 650r／min，1 965r／min）。由圖可見(jiàn)，采用二級(jí)增壓后，由于排氣背壓升高，發(fā)動(dòng)機(jī)各工況下渦前與進(jìn)氣壓差均大于原機(jī)，且單級(jí)增壓在大部分工況下壓差均為負(fù)值，很難采用高壓EGR回路實(shí)現(xiàn)較大的EGR率，而二級(jí)增壓僅在低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工況下渦前與進(jìn)氣壓差存在負(fù)值，這有利于EGR廢氣的引入，能實(shí)現(xiàn)更大的EGR率，最大EGR率可以達(dá)到20%。

圖5示出了1 965r／min，50%負(fù)荷工況下EGR對(duì)二級(jí)增壓和單級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響對(duì)比。

由圖可見(jiàn)，采用二級(jí)增后，增壓比、進(jìn)氣量及空燃比明顯增加。在燃油消耗量增加的前提下，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩增加，但排氣背壓和泵氣損失增加，導(dǎo)致小EGR率下的燃油消耗率增加。單級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)由于渦前及進(jìn)氣壓差不足，最大EGR率只能達(dá)到16%。由圖可以看出，對(duì)于二級(jí)增壓和單級(jí)增壓，發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓比、進(jìn)氣量和空燃比均隨EGR率的增大而減??；單級(jí)增壓在EGR率大于12%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比、進(jìn)氣量、扭矩開始急劇降低，燃油消耗率和渦前排溫開始大幅升高，EGR率達(dá)到16%時(shí)扭矩降低了3.6%，燃油消耗率增加了4.1%。而二級(jí)增壓在更寬的EGR率范圍內(nèi)可以保持發(fā)動(dòng)機(jī)良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，不同EGR率下的扭矩、燃油消耗率及排氣溫度基本不變。

2.3 EGR對(duì)二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響

圖6示出了1 965r／min，50%負(fù)荷工況下，EGR率對(duì)二級(jí)增壓和單級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響對(duì)比。由圖可以看出，單級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在EGR率大于12%時(shí)HC排放急劇升高，變化明顯，而二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)HC排放變化不大。這是因?yàn)樵谥械蓉?fù)荷工況下單級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)較小，HC排放對(duì)EGR造成的氧濃度下降比較敏感，而二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力大，進(jìn)氣量增加，缸內(nèi)空燃比相較單級(jí)增壓有所提高，改善了燃燒過(guò)程，抵消了因EGR造成的氧濃度下降的影響。兩者CO排放均隨EGR率的增大而增加，但二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)CO增加幅度明顯低于單級(jí)增壓，單級(jí)增壓在EGR率由12%增加到16%時(shí)，CO排放增加了近5倍，而二級(jí)增壓EGR率由12%增加到20%時(shí)CO排放僅升高了50%。這主要是由于EGR廢氣的引入降低了缸內(nèi)的氧氣濃度和燃燒反應(yīng)溫度，使氧化不充分，而二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)較大，氧濃度下降不明顯，燃燒反應(yīng)溫度也比原機(jī)單級(jí)增壓要高，所以CO排放增長(zhǎng)較緩。

在炭煙排放方面，隨著EGR率的增大，單級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的煙度在EGR率大于12%時(shí)開始急劇升高，而二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)煙度增長(zhǎng)比較緩慢。由圖中可以看出，當(dāng)EGR率由0增加到16%時(shí)，單級(jí)增壓煙度由2.12%增加到11.4%，而二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)EGR率由0增加到20%時(shí)，煙度僅由0.85%增加到2.69%。因?yàn)橹械蓉?fù)荷工況二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)較單級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)高，煙度對(duì)較低的過(guò)量空氣系數(shù)更為敏感，煙度惡化趨勢(shì)較快。

在NOx排放方面，當(dāng)EGR率為0時(shí)，由于二級(jí)增壓的增壓比較大，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量較大，造成缸內(nèi)氧濃度升高，使NOx排放高于單級(jí)增壓。采用EGR后，由于廢氣的稀釋作用和對(duì)燃燒的抑制作用，NOx排放隨EGR率的增大而降低，二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的降低效果更為明顯，當(dāng)EGR率由0增加到16%時(shí)，單級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放降低了34%，而二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放降低了43%。原因是，在相同的EGR率下，雖然二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比更大，混合氣更稀，但是更多的空氣量也使得燃燒溫度降低，由于二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的渦前排溫及缸內(nèi)燃燒溫度較原機(jī)低，抑制了NOx的生成，所以二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放較低，且二級(jí)增壓能實(shí)現(xiàn)更大的EGR率，可進(jìn)一步降低NOx的排放。

圖7示出了兩種轉(zhuǎn)速，中高負(fù)荷工況下采用EGR后二級(jí)增壓和單級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放與燃油消耗率及煙度的平衡關(guān)系。由圖可見(jiàn)，在不同工況下，二級(jí)增壓NOx和煙度的平衡關(guān)系均優(yōu)于單級(jí)增壓，NOx和燃油消耗率的平衡關(guān)系僅在無(wú)EGR或EGR率較小時(shí)比原機(jī)稍差。原因是EGR率較小時(shí)二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失較大，對(duì)燃油消耗率的影響比較明顯，隨著EGR率的增大，二級(jí)增壓NOx和燃油消耗率的平衡關(guān)系優(yōu)于單級(jí)增壓。

3 結(jié)論

a）二級(jí)增壓系統(tǒng)渦前與進(jìn)氣壓差更大，有利于EGR的引入，能實(shí)現(xiàn)更大的EGR率，可在更寬的EGR率范圍內(nèi)保持發(fā)動(dòng)機(jī)良好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性；

b）隨EGR率增加，二級(jí)增壓柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒壓力、放熱率峰值及缸內(nèi)平均溫度降低，且對(duì)滯燃期的影響不大；

c）相同EGR率下，二級(jí)增壓的CO，HC和炭煙排放均低于單級(jí)增壓，且隨EGR率增大，CO，HC和炭煙排放增幅明顯低于單級(jí)增壓，同時(shí)對(duì)NOx排放具有更好的抑制作用；

d）采用EGR后，相比單級(jí)增壓，二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)NOx與煙度及燃油消耗率的平衡關(guān)系更好，二級(jí)增壓系統(tǒng)耦合EGR技術(shù)可作為未來(lái)柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒的重要技術(shù)手段之一。

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