論文《EGR率對增壓中冷柴油機性能影響的試驗研究》

1、EGR對增壓中冷柴油機性能影響的試驗研究劉海峰代國雄(昆明云內(nèi)動力股份有限公司技術(shù)中心內(nèi)燃機研究所摘要:本文通過廣泛研究對比國內(nèi)外EGR系統(tǒng)控制技術(shù)及策略,根據(jù)昆明云內(nèi)動力股份有限公司現(xiàn)有的試驗條件及設(shè)備設(shè)計了一套適用于4100QBZL柴油機的EGR技術(shù)應(yīng)用研究試驗系統(tǒng)。通過試驗研究了同海拔條件下,不同工況(十三工況、不同EGR率對4100增壓中冷柴油機NOx 、PM排放的影響。進一步分析了采用EGR后,海拔、噴油提前角、冷卻EGR等因素對4100QBZL柴油機NOx 、PM排放的影響規(guī)律;基于上述試驗,對4100增壓中冷柴油機的最佳EGR率控制規(guī)律進行了初步測試研究。關(guān)鍵詞:柴油機;排氣再循

2、環(huán);海拔;排放;作者簡介:劉海峰(1974-,男,云南省建水人,工程碩士,工程師,主要從事中小缸徑柴油機的研究、開發(fā)工作。1. 引言目前,我國柴油汽車污染物排放執(zhí)行相當(dāng)于歐洲第二階段控制水平的國家排放標(biāo)準(zhǔn)。我國柴油汽車污染物排放控制目標(biāo)是:到2008年,力爭達到相當(dāng)于歐洲第三階段排放控制水平;2010年之后爭取與國際排放控制水平接軌。昆明云內(nèi)動力股份有限公司是西南地區(qū)最大的多缸小缸徑柴油機生產(chǎn)基地,也是目前國內(nèi)最大的小缸徑多缸柴油機生產(chǎn)廠家之一。不斷研究優(yōu)化云內(nèi)動力柴油機排放,提高云內(nèi)動力柴油機排放水平,以適應(yīng)日益嚴(yán)格排放法規(guī)和市場競爭,已成為云內(nèi)動力發(fā)展與生存的重要課題。2. 本課題研究對象

3、及主要研究內(nèi)容1 本課題研究對象型號4100QBZL型式立式、直列、水冷、四沖程、直噴、增壓中冷缸徑×行程 100×105活塞總排量(L 3.298壓縮比 17.5:1標(biāo)定功率/轉(zhuǎn)速kW/(r/min 81/3200最低燃油消耗率g/(kW.h 217最大扭矩/轉(zhuǎn)速N.m/(r/min 285/200022002 本課題所研究的主要內(nèi)容和重點:通過對比國內(nèi)外EGR系統(tǒng)控制技術(shù)及策略,根據(jù)公司現(xiàn)有的試驗條件及設(shè)備設(shè)計一套適用于4100QBZL柴油機的EGR技術(shù)應(yīng)用研究試驗系統(tǒng);通過試驗研究同海拔條件下,不同工況(十三工況、不同EGR率對4100增壓中冷柴油機NOx 、PM排放

4、的影響。研究分析采用EGR后,海拔、噴油提前角、冷卻EGR等因素對4100QBZL柴油機NOx 、PM排放的影響規(guī)律;初步對4100增壓中冷柴油機的最佳EGR率控制規(guī)律進行測試研究。3. 本課題的研究目的通過本課題的研究,為EGR技術(shù)在云內(nèi)柴油機上的實際應(yīng)用提供有力的設(shè)計開發(fā)理論支持和積累一定的試驗開發(fā)經(jīng)驗。為今后深入研究開發(fā)達國、標(biāo)準(zhǔn)的柴油機積累更多的實踐經(jīng)驗。4. 4100增壓中冷柴油機的EGR控制測試系統(tǒng)針對該課題主要研究對象(云內(nèi)4100QBZL增壓中冷柴油機和主要研究內(nèi)容,參考多篇論文。綜合考慮之后確定采用帶文曲利管的并聯(lián)式高壓循環(huán)EGR機械控制測試系統(tǒng),系統(tǒng)原理如圖1所示。 圖1

5、EGR測試控制系統(tǒng)原理圖5. 不同EGR率對增壓中冷柴油機NOx、PM的影響5.1. EGR率對NOx的影響1 圖2 十三工況點EGR前后NOx排放量對比從圖2中可以看出,在中等轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷及高轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷工況點NOx排放量下降最為明顯。說明在中等轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷及高轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷工況可以采用較高的EGR率以降低NOx排放。5.2. EGR率對PM的影響 圖3 十三工況點EGR前后排氣煙度對比從圖3可以看出,加入廢氣再循環(huán)后,幾乎使每個工況點的煙度值都有所上升,特別是中高負(fù)荷點處,上升幅度最大。EGR使缸內(nèi)氧濃度下降,缸內(nèi)缺氧區(qū)域增多,在這些區(qū)域內(nèi)燃料的滯燃期被延長,使該區(qū)域燃料的燃燒不完全,導(dǎo)致碳

6、煙排放升高。6. 海拔對增壓中冷柴油機性能、NOx 、PM排放的影響2 圖4 不同海拔下NOx排放量對比從圖4中可以看出,采用相同的EGR閥開度,不同大氣壓力下NOx排放量的變化規(guī)律相類似,且與EGR閥全閉情況下NOx排放量的變化規(guī)律相似。隨著海拔升高,大氣壓力降低,可適當(dāng)減小EGR循環(huán)量。7. 提前角對增壓中冷柴油機性能、NOx 、PM排放的影響在有限的時間和試驗條件下,暫做了采用EGR前后,提前角分別為6CA、8CA、10CA,轉(zhuǎn)速分別為2200r/min、3200r/min的負(fù)荷特性,測取了CO、HC、NOx的排放量及碳煙的值,對比了各種排放物及碳煙的變化規(guī)律。 圖5 不同提前角EGR前

7、后CO升高量對比曲線總的說來,噴油提前角對CO排放影響效果不大。在小負(fù)荷條件下,因為缸內(nèi)氣體溫度不高,氧化作用減弱,過稀不著火區(qū)邊緣附近形成的CO較多。當(dāng)負(fù)荷增大時(或空燃比減少,由于氣體溫度增加,使CO的排放量減少。采用EGR后,CO排放比采用EGR前升高,但并未改變CO排放隨柴油機的負(fù)荷的變化規(guī)律。3 圖6 不同提前角EGR前后HC降低量對比曲線從圖6所示的HC排放降低量對比中可以看出,提前角有一定的影響。2200 r/min, 10CA的供油提前角下,采用EGR后,HC排放大體能下降510ppm,而6CA、8CA 的供油提前角下則反而增加510ppm,3200r/min,采用EGR后,隨

8、著供油提前角的增大,HC排放的下降程度增加。 圖7 不同提前角EGR前后NOx降低量對比曲線正如前面所論述的一樣,推遲噴油提前角是用來降低NOx排放簡單有效的措施,從圖7中很明顯的可以看出,采用EGR后,隨著供油提前角的增大,降低NOx的效果越明顯;10CA下采用EGR降低NOx的效果最明顯,而6CA、8CA下采用EGR降低NOx 的效果卻不太顯著。 圖8 不同提前角EGR前后碳煙升高量對比曲線4從圖8可以看出,2200r/min、3200r/min的各種負(fù)荷下,不同提前角時采用EGR后煙度值都有所增加。在柴油機的擴散燃燒機理下,抑制燃燒產(chǎn)物中氮氧化物生成的同時,將會導(dǎo)致微粒生成量的增加。另外

9、,我們也可看出,煙度變化值與供油提前角間的一些關(guān)系。當(dāng)其它參數(shù)保持不變時,噴油提前角過大,可能造成微粒排放增加。噴油提前角過小,遲后噴油,也可能造成排氣煙度增加。8. 冷卻EGR對增壓中冷柴油機性能、NOx 、PM排放的影響1 EGR對進氣氣溫度的影響: 圖9 冷、熱EGR對進氣溫度的影響曲線從圖9中可以看出,普通EGR可使進氣溫度平均上升35%以上,而冷卻EGR可以保證進氣溫度有少量上升。如果EGR率控制的不好,還會使進氣溫度有更大上升,發(fā)動機的各項性能指標(biāo)將受到不同程度的影響。試驗中為了體現(xiàn)不同EGR溫度下,對增壓中冷柴油機煙度及經(jīng)濟性的影響,選定2200r/min作為研究重點,在同樣的E

10、GR率(5%下,進行了幾組試驗研究,取得如下數(shù)據(jù)曲線對比圖: 圖10 2200r/min(5%EGR率煙度對比曲線 圖11 2200r/min(5%EGR率比油耗對比曲線煙度對進氣溫度的變化十分敏感,從圖3-9中可以看出,冷卻EGR下的煙度在各工況下都有低于普通EGR下的煙度。對于經(jīng)濟性的影響,在低負(fù)荷區(qū),普通EGR下,比油耗較冷卻EGR低;但在高負(fù)荷區(qū),普通EGR下,柴油機的經(jīng)濟性明顯下降,還使燃燒惡化,煙度將明顯增大。9. 最佳EGR率的初步研究由于時間及試驗條件關(guān)系,沒有進一步地深入測試各項控制參數(shù)的最佳值。僅在試驗機原配置狀態(tài)(油嘴6X0.24噴油壓力24Mpa對供油提前角為12o C

11、A、大氣壓力為81.4kPa、進氣溫度為20下,采用機械式EGR系統(tǒng),做了從10003200r/min按每次增加100轉(zhuǎn),在每個轉(zhuǎn)速下負(fù)荷按5%、10%、15%95%、100%進行了控制NOx、PM均能達歐II要求的最佳EGR率初步探索測試,并繪制了該情況下的最佳EGR 率MAP圖12。根據(jù)試驗測得的最佳EGR率控制脈譜,作者認(rèn)為:在柴油機小負(fù)荷,不必采用較大的EGR率。而隨著柴油機的負(fù)荷增大,噴油量增加,燃燒溫度升高,使NOx生成量增加。在接近全負(fù)荷時為了防止產(chǎn)生較多的微粒碳煙排放,保證發(fā)動機的動力性和燃油經(jīng)濟性,可采用較小的EGR率控制。 圖12 最佳EGR率控制脈譜圖10. 結(jié)論1 增壓

12、中冷柴油機采用EGR技術(shù)后,渦前壓力降低將導(dǎo)致增壓器放氣閥開啟緩慢,進氣壓力增大,增大了進排氣壓逆差問題,有可能出現(xiàn)壓氣機喘振等不利現(xiàn)象。必要時需對增壓器進行重新試驗匹配。2 在各個工況采用EGR都會使增壓中冷柴油機NOx有所下降,特別是在高負(fù)荷及中等負(fù)荷區(qū)域。但在低負(fù)荷區(qū)域,由于本身所產(chǎn)生的NOx就不高,沒有必要增加EGR 率。3 在各工況加入EGR都會使增壓中冷柴油機碳煙和微粒升高。但從研究結(jié)果來看,在各轉(zhuǎn)速的中低負(fù)荷工況處,EGR率升高到10%以上時煙度才有較大的變化。4 EGR也要受到高原環(huán)境的影響,為滿足柴油機排放要求,不同大氣壓力下的EGR率標(biāo)定必不可少。5 減小供油提前角是用來降

13、低NOx排放簡單有效的措施,采用EGR技術(shù)后合理選擇不同工況下的提前角仍然是很重要,這對發(fā)動機的性能標(biāo)定工作量的大小有著決定性的作用。6 冷卻EGR能實現(xiàn)更高的EGR率,在兼顧柴油機動力性、經(jīng)濟性和其它排放物的前提下,能更加有效地降低NOx。但應(yīng)充分考慮EGR冷卻系統(tǒng)的可靠性及柴油機本身冷卻系統(tǒng)的能力能否滿足系統(tǒng)要求。7 最佳EGR 率的標(biāo)定,要綜合考慮不同EGR 率對增壓中冷柴油機經(jīng)濟性、動力性以及排放的影響程度,同時還要兼顧排溫以及對增壓器的不良影響等。我們可以選擇以降低柴油機的主要排放物NOx 作為主要控制對象,兼顧碳煙的生成、HC 、CO 的排放量,在各種大氣環(huán)境下進行的全負(fù)荷工況性能

14、排放試驗,從而選定各工況下最佳的各種控制參數(shù)(如供油提前角、噴油壓力、噴孔直徑、EGR 率等。從而得到各種工況下的運行最佳排放量、性能控制參數(shù)MAP 數(shù)據(jù)圖。參考文獻1 2 3 4 5 6 7 8 9 Zelenka 10 11 12 13 14 15 曲明輝,吳良勤,張春潤.柴油機NOX 排放控制技術(shù).小型內(nèi)燃機,2001年第2期柴油車排放污染防治技術(shù)政策.科技標(biāo)準(zhǔn)2003-01-13.謝紹發(fā).汽車廢氣污染和控制技術(shù).機械開發(fā),廣州廣客汽車企業(yè)集團有限公司.魏春源,張衛(wèi)正,葛蘊珊. 高等內(nèi)燃機學(xué).北京:北京理工大學(xué)出版社,2001.9.P 等.Cooled EGR-a Key Technol

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