0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，環(huán)境污染問題越來越突出，也越來越受到重視。2016年，國家環(huán)保部發(fā)布了輕型汽車國六排放法規(guī)[1]，相比于國五法規(guī)，以M1類車為例，氮氧化物(NOx)排放限值從國五的180 g/km降低到了80 g/km，降幅達(dá)56%(圖1)。越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)一方面對(duì)柴油機(jī)如何在保持經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)降低NOx和顆粒物排放提出了更嚴(yán)苛的要求，同時(shí)也成為柴油機(jī)技術(shù)不斷革新的有效驅(qū)動(dòng)力。

圖1 輕型車NOx排放法規(guī)限值

柴油機(jī)排氣凈化技術(shù)主要分為機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和機(jī)外凈化技術(shù)，機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)主要有：電控高壓燃油噴射技術(shù)、渦輪增壓技術(shù)、廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)等，機(jī)外凈化技術(shù)主要有：顆粒物過濾技術(shù)、氧化催化轉(zhuǎn)換技術(shù)、氮氧化物還原催化技術(shù)等[2]。

EGR技術(shù)是公認(rèn)的降低柴油機(jī)NOx排放的有效技術(shù)。根據(jù)在增壓柴油機(jī)上取氣位置的不同，EGR可以分為高壓和低壓2種形式。其中高壓EGR廢氣取自渦輪前，引入到進(jìn)氣歧管，而低壓EGR則是廢氣取自柴油顆粒過濾器(DPF)后，引入到壓氣機(jī)前。

相對(duì)于傳統(tǒng)的高壓EGR系統(tǒng)，低壓EGR系統(tǒng)主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

(1)低壓EGR的廢氣引入在壓氣機(jī)前，要經(jīng)過中冷器及很長(zhǎng)的管路，所以低壓EGR的氣體溫度更低。

(2)排氣廢氣經(jīng)過了DPF的過濾，EGR廢氣變得更清潔。

(3)在相同的增壓壓力下，可變截面渦輪增壓器(VGT)開度更小，使得運(yùn)行工況點(diǎn)向增壓器壓氣機(jī)的高效率區(qū)域轉(zhuǎn)移，更高的增壓器效率使泵氣損失更低[3]。

本文對(duì)1臺(tái)2.0 L的高壓共軌柴油機(jī)，研究了其性能和隨著高低壓EGR率及其不同分配比例對(duì)排放的影響。另外，針對(duì)1個(gè)匹配車型，運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)的方法分析了各個(gè)工況的最佳EGR控制策略。

1 試驗(yàn)方案與研究方法

試驗(yàn)樣機(jī)為1臺(tái)2.0 L的高壓共軌柴油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。圖2是高低壓EGR系統(tǒng)示意圖。表2列出了試驗(yàn)用到的主要測(cè)量設(shè)備。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 主要測(cè)量設(shè)備

圖2 高低壓EGR系統(tǒng)示意圖

EGR率主要通過排氣分析儀測(cè)量CO2的濃度計(jì)算得到[4]，試驗(yàn)時(shí)總共布置3個(gè)CO2濃度測(cè)點(diǎn)：一個(gè)在增壓器渦輪出口，氧化催化器(DOC)之前，測(cè)量排氣中的CO2濃度；一個(gè)在進(jìn)氣歧管上，測(cè)量進(jìn)氣總的CO2濃度；還有一個(gè)在增壓中冷之后，節(jié)氣門之前，測(cè)量低壓EGR部分的CO2濃度。高壓EGR率由總EGR率和低壓EGR率相減得到，計(jì)算如下：

(1)

(2)

HPEGR%=(EGR%-LPEGR%)×100%

(3)

文中以低壓EGR的比例來描述高低壓EGR分配的關(guān)系。低壓比例100%表示純低壓EGR工作，低壓比例為0表示純高壓EGR工作，低壓比例60%表示高低壓EGR同時(shí)工作，且低壓EGR占比60%，高壓EGR占比40%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

針對(duì)1臺(tái)歐6排放標(biāo)準(zhǔn)的皮卡車，根據(jù)車輛的道路阻力、整備質(zhì)量、速比等信息，把整車WLTC循環(huán)工況換算成了發(fā)動(dòng)機(jī)工況，選擇有代表性的3個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究。輕型車WLTC循環(huán)見圖3。圖4是換算成的發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)。表3示出了選擇的3個(gè)工況點(diǎn)，表4是整車的主要技術(shù)參數(shù)。

表3 穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)工況點(diǎn)

表4 整車主要技術(shù)參數(shù)

圖3 輕型車WLTC循環(huán)

圖4 WLTC循環(huán)對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)

為了評(píng)價(jià)低壓EGR相對(duì)于高壓EGR的不同性能，對(duì)所選的3個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行EGR掃描試驗(yàn)，也就是試驗(yàn)時(shí)保持其他燃燒參數(shù)不變，通過改變新鮮空氣的需求量改變EGR率，從EGR率為0慢慢增大，直到邊界條件到達(dá)了極限。

從圖5中可以看出，在相同的NOx排放水平下，使用低壓EGR比高壓EGR的油耗和煙度都要低，與僅用低壓EGR和僅用高壓EGR相比，油耗降低約2%，煙度降低約38%。低壓EGR的廢氣經(jīng)過了低壓EGR冷卻器和中冷器，相對(duì)于高壓EGR而言，EGR出氣溫度更低，進(jìn)氣歧管的溫度基本接近中冷后的溫度，由于進(jìn)氣歧管溫度低，低壓EGR改善了過量空氣系數(shù)，因此，低壓EGR系統(tǒng)更低的缸內(nèi)燃燒溫度導(dǎo)致了更低的NOx排放水平。但是，另一方面，從整車的角度考慮，由于低速低負(fù)荷時(shí)排氣流量小，低壓EGR的管路又要長(zhǎng)于高壓EGR，會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)響應(yīng)差，空氣量的實(shí)際值跟不上需求值，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)排放變差。

圖5 1 500 r/min BMEP 0.3 MPa工況點(diǎn)下高低壓EGR不同分配比例的影響

圖6是在轉(zhuǎn)速1 800 r/min BMEP 0.8 MPa工況下不同高低壓EGR分配比例的試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果顯示：隨著低壓EGR比例的提高，油耗和煙度都有不同程度的改善，僅使用低壓EGR和僅使用高壓EGR相比，在NOx排放同樣為1.0 g/kWh時(shí)，油耗降低4.5%，煙度降低50%。

圖6 1 800 r/min BMEP 0.8 MPa工況下高低壓EGR不同分配比例的影響

圖7是在轉(zhuǎn)速2 200 r/min BMEP 1.6 MPa工況下不同高低壓EGR分配比例的試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果顯示：在該工況點(diǎn)，低壓EGR比例30%和60%時(shí)的比油耗接近且最低，僅使用低壓EGR和低壓EGR比例60%時(shí)煙度結(jié)果接近且最低。

圖7 2 200r/min BMEP 1.6 MPa高低壓EGR不同分配比例的影響

結(jié)合圖5、圖6以及圖7可以看出，不同的工況需要使用不同的高低壓EGR分配策略，才能使油耗和排放達(dá)到最優(yōu)。低速低負(fù)荷時(shí)，雖然從穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果看，低壓EGR能降低油耗和煙度，但是由于低速響應(yīng)的問題，需要結(jié)合整車匹配進(jìn)行綜合考慮，中速中負(fù)荷使用低壓EGR可以大幅度地改善油耗和降低煙度，高速高負(fù)荷時(shí)，高低壓EGR結(jié)合使用能更大程度地降低油耗和排放。

在相同的NOx排放水平下，對(duì)3個(gè)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)工況點(diǎn)進(jìn)行高低壓EGR分配比例的優(yōu)化標(biāo)定，結(jié)果如圖8所示。優(yōu)化后，在1 500 r/min， BMEP 0.3 MPa， 1 800 r/min、BMEP 0.8 MPa和2 200 r/min， BMEP 1.6 MPa這三個(gè)工況點(diǎn)低壓EGR比例分別為25%、90%和82%。

圖8 相同NOx排放下不同工況高低壓EGR分配比例掃描

隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加，提高低壓EGR的比例可以改善油耗和降低排放。使用低壓EGR由于進(jìn)氣歧管溫度低，要達(dá)到相同的NOx排放水平，所需的EGR率可以更低。如果使用高壓EGR，由于進(jìn)氣歧管溫度相對(duì)較高，從而使進(jìn)氣密度下降。另一方面，由于更高的EGR率需要更大的渦前壓力，也就是需要增大增壓器VGT的開度，增加了泵氣損失，隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加，泵氣損失更大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)效率降低。所以，在高速高負(fù)荷時(shí)使用低壓EGR更有優(yōu)勢(shì)。

為了進(jìn)一步優(yōu)化整個(gè)輕型車排放區(qū)域的高低壓EGR分配策略，使用全局DOE的方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)以及高低壓EGR的分配進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)是在NOx和PM排放達(dá)到工程目標(biāo)的前提下，最大程度地改善油耗。全局DOE優(yōu)化的區(qū)域如圖9所示，基本覆蓋了整個(gè)WLTC循環(huán)工況。

圖9 全局DOE優(yōu)化區(qū)域

考慮到瞬態(tài)EGR控制是輕型車發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定過程中的其中一個(gè)關(guān)鍵因素，結(jié)合WLTC的循環(huán)工況，最終的高低壓EGR分配比例結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看到，低速低負(fù)荷區(qū)域，以高壓EGR為主，中速中負(fù)荷區(qū)域以低壓EGR為主，低壓EGR的比例在80%～90%左右，高速高負(fù)荷區(qū)域還是以低壓EGR為主，但是比例有所降低，在70%左右。整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)域的優(yōu)化結(jié)果也顯示了高低壓EGR系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的高壓EGR系統(tǒng)具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性和更好的排放潛能。相比僅采用高壓EGR的系統(tǒng)，低壓EGR由于更低的進(jìn)氣歧管溫度和泵氣損失，使其高速高負(fù)荷的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

3 結(jié)論

通過本文對(duì)高低壓EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)研究，可以總結(jié)出如下結(jié)論：

(1)在相同的NOx排放水平下，使用低壓EGR能改善油耗和降低煙度。

(2)低速低負(fù)荷時(shí)，由于低壓EGR的管路較高壓EGR長(zhǎng)，瞬態(tài)響應(yīng)沒有高壓EGR快，所以低速低負(fù)荷使用高壓EGR更佳。

圖10 高低壓EGR分配比例優(yōu)化結(jié)果

(3)隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增大，更低的進(jìn)氣歧管溫度和泵氣損失使低壓EGR更具優(yōu)勢(shì)。

(4)中等負(fù)荷區(qū)域以低壓EGR為主，高壓EGR為輔，高低壓EGR結(jié)合使用的策略使發(fā)動(dòng)機(jī)在保持低排放的前提下獲得更好的燃油經(jīng)濟(jì)性水平。

[1]GB 18352.6-2016，輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國第六階段)[S].

[2]童澄教. 內(nèi)燃機(jī)排放與凈化[M]. 上海交通大學(xué)出版社, 1994.

[3]Nam K, Yu J, Cho S. Improvement of fuel economy and transient control in a passenger diesel engine using LP(Low Pressure)-EGR[J]. SAE Technical Papers, 2011-01-0400.

[4]張文強(qiáng)，鄭尊清，堯命發(fā)，等．高/低壓EGR對(duì)兩級(jí)增壓柴油機(jī)性能和排放影響的試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程, 2014 ,35(1)：1-7.