陳峙良 李明星

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司 廣西 南寧 530000）

引言

內(nèi)部廢氣再循環(huán)（Internal Exhaust Gas Recirculation，IEGR），有助于改善油耗和排放。非道路柴油機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，低成本的IEGR 技術(shù)在非道路柴油機(jī)的排放控制中有著廣闊的應(yīng)用前景。2013 年，胡鐘林、邊強(qiáng)等在某小型挖掘機(jī)柴油機(jī)原排氣凸輪的基礎(chǔ)上增加一個(gè)小凸輪，使排氣門在進(jìn)氣沖程后期二次開啟，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR，能夠有效地降低NOx排放，但會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和油耗性能有些惡化[1]。2016 年，褚超美等以某六缸增壓柴油機(jī)為研究對(duì)象，將排氣門二次開啟（Exhaust Valve Re-Opening，EVRO)式IEGR 技術(shù)植入柴油機(jī)米勒循環(huán)工作過程，形成基于柴油機(jī)米勒循環(huán)的IEGR 方法，能夠有效降低壓縮終點(diǎn)缸內(nèi)溫度，使IEGR 的NOx減排效能得以充分發(fā)揮[2]。2018年，孫旭晨等以某小型非道路電控柴油機(jī)為樣機(jī)，采用雙峰排氣凸輪實(shí)現(xiàn)內(nèi)部廢氣再循環(huán)，結(jié)合電控噴油正時(shí)的協(xié)同優(yōu)化，具有實(shí)現(xiàn)整機(jī)性能優(yōu)化的潛力[3]。

目前與IEGR 凸輪軸相關(guān)的研究，主要集中在雙峰排氣凸輪上，尚沒有進(jìn)氣側(cè)雙峰凸輪與增壓器在柴油機(jī)上匹配等研究方向的公開報(bào)道?；诖?，本文提出了進(jìn)氣側(cè)雙峰凸輪與增壓器匹配的新型技術(shù)方案，探索第一次開啟的凸輪包角和最大預(yù)升程相互關(guān)系對(duì)油耗及EGR 率的直接影響，排氣開啟角位置和最大預(yù)升程角位置對(duì)EGR 率及油耗的影響。同時(shí)，為解決雙峰進(jìn)氣凸輪實(shí)現(xiàn)IEGR 會(huì)使得排氣進(jìn)入進(jìn)氣道并升高進(jìn)氣道溫度，降低進(jìn)氣充量這一問題，對(duì)IEGR 凸輪軸方案需要匹配何種增壓器[4]，仍然值得探討。

本文就某六缸非道路柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，在爆壓、排溫等條件限制下，為實(shí)現(xiàn)排放NOx+HC<4.0 g/（kW·h）及加權(quán)燃料消耗量<263 g/kW 等目標(biāo)要求，采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法[5～6]，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程進(jìn)行模擬計(jì)算，通過凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整匹配渦輪增壓器，改善缸內(nèi)EGR。

1 建模及驗(yàn)證

在一臺(tái)某六缸非道路柴油機(jī)上開展發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程計(jì)算和性能參數(shù)優(yōu)化工作，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示。本次熱力學(xué)計(jì)算的主要目的是研究探索IEGR技術(shù)方案中凸輪軸第一次開啟包角及凸輪最大預(yù)升程相互關(guān)系對(duì)油耗及EGR 率的影響趨勢(shì)，排氣開啟角位置和最大預(yù)升程角位置對(duì)油耗及EGR 率的貢獻(xiàn)影響程度，新型凸輪軸與增壓器的匹配，從而給出試驗(yàn)方案。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

計(jì)算過程詳細(xì)地考慮了進(jìn)排氣系統(tǒng)的流動(dòng)特性，發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型如圖1 所示，模型中充分考慮柴油機(jī)各缸工作不均勻性，使用了試驗(yàn)采集的缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)與燃燒分析數(shù)據(jù)。圖2 顯示計(jì)算模型與試驗(yàn)值擬合比較好，可以用于后續(xù)研究。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型

圖2 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2 仿真計(jì)算結(jié)果

2.1 包角與預(yù)升程對(duì)油耗及EGR 率影響趨勢(shì)

如圖3 深橙色所示，進(jìn)氣側(cè)凸輪第一次開啟的部分。先進(jìn)行DOE 設(shè)計(jì)如圖4 所示，在仿真計(jì)算中，以增壓壓力、功率為目標(biāo)，進(jìn)氣側(cè)凸輪第一次開啟包角及最大預(yù)升程為自變量，在AVL-BOOST 進(jìn)行多組case 的計(jì)算，將結(jié)果導(dǎo)入到MATLAB，以便分析處理結(jié)果。

圖3 該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣側(cè)凸輪第一次開啟設(shè)置

圖4 DOE 設(shè)計(jì)

進(jìn)氣側(cè)凸輪第一次開啟包角凸輪及凸輪最大預(yù)升程高度關(guān)系對(duì)油耗及EGR 率的影響趨勢(shì)如圖5～6所示，表明包角與預(yù)升程對(duì)EGR 率的貢獻(xiàn)程度是相近的；為取得較好的油耗，在實(shí)現(xiàn)相同的EGR 率前提下，宜采用較大的預(yù)升程。

圖5 雙因素對(duì)油耗貢獻(xiàn)影響趨勢(shì)

圖6 雙因素對(duì)EGR 率的貢獻(xiàn)影響趨勢(shì)

2.2 排氣開啟角位置與最大預(yù)升程角位置對(duì)EGR率及油耗的影響趨勢(shì)

排氣開啟段與進(jìn)氣側(cè)第一次開啟段是有重疊的。排氣開啟角位置與最大預(yù)升程位置關(guān)系對(duì)油耗及EGR 率的影響趨勢(shì)如圖7～8 所示。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，盡管最大預(yù)升程越晚，油耗越好，但EGR 率越來越少。因此，排氣開啟角EVO 與最大的預(yù)升程對(duì)EGR 率的影響敏感度大于油耗的敏感度。

圖7 雙因素對(duì)油耗影響趨勢(shì)

圖8 雙因素對(duì)EGR 率的影響趨勢(shì)

2.3 IEGR 凸輪軸與增壓器匹配

本文通過PID 的控制方法，通過調(diào)整增壓器的流通能力，實(shí)現(xiàn)相同的增壓壓力，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，帶IEGR 的時(shí)候，渦輪增壓器流通能力下降了80%～90%，即需要減小排氣質(zhì)量流量。

另外，研究對(duì)比了預(yù)升程位置與增壓器對(duì)EGR率的影響，結(jié)果如圖9 所示，隨著預(yù)升程最大位置提前，原始渦輪尺寸的減小，EGR 率呈上升的趨勢(shì)。

圖9 預(yù)升程與增壓器對(duì)EGR 率的影響結(jié)果

3 試驗(yàn)方案及認(rèn)證結(jié)果

試驗(yàn)方案如表2 所示，性能/排放認(rèn)證試驗(yàn)結(jié)果判定如表3 所示。

表2 試驗(yàn)方案

如表3 所示，僅僅列出部分判定結(jié)果，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，表明通過雙峰進(jìn)氣凸輪實(shí)現(xiàn)內(nèi)部廢氣再循環(huán)，結(jié)合增壓器匹配的協(xié)同優(yōu)化，具有實(shí)現(xiàn)整機(jī)性能優(yōu)化的潛力。

表3 性能/排放認(rèn)證試驗(yàn)結(jié)果判定 g（/kW·h）

4 結(jié)論

1）在實(shí)現(xiàn)相同的EGR 率前提下，為取得較好的油耗，宜采用較大的預(yù)升程。

2）排氣的開啟角EVO 與最大的預(yù)升程對(duì)EGR率的影響敏感度大于油耗的敏感度。

3）隨著預(yù)升程最大位置提前，原始渦輪尺寸的減小，EGR 率呈上升趨勢(shì)。

4）通過雙峰進(jìn)氣凸輪實(shí)現(xiàn)內(nèi)部廢氣再循環(huán)，結(jié)合增壓器匹配的協(xié)同優(yōu)化，具有實(shí)現(xiàn)整機(jī)性能優(yōu)化的潛力。