基于可變渦輪截面增壓器控制的廢氣再循環(huán)對柴油機燃燒性能和排放的影響

基于可變渦輪截面增壓器控制的廢氣再循環(huán)對柴油機燃燒性能和排放的影響

從增壓電機的特性,美能源和污染是全世界各國面臨的兩個主要問題。排放法規(guī)的日益嚴格,對柴油機提出了新的要求和挑戰(zhàn)。從世界各國滿足不同階段排放法規(guī)的技術(shù)路線可以看出,增壓中冷技術(shù)是降低柴油機排放的基本措施,EGR技術(shù)是降低NOx排放最有效的措施之一,是滿足歐Ⅳ排放重要技術(shù)途徑之一,也是滿足歐Ⅴ以后排放法規(guī)必須采用的技術(shù)措施之一。柴油機增壓技術(shù)可以顯著地提高柴油機的功率輸出,降低油耗和排放。可變渦輪增壓器可以在全工況范圍內(nèi)實現(xiàn)與柴油機的良好匹配,提高發(fā)動機的瞬態(tài)響應(yīng),改善柴油機的經(jīng)濟性和排放。采用VGT驅(qū)動的高壓EGR系統(tǒng),可以有效地克服增壓柴油機某些工況下增壓壓力高于排氣壓力,EGR廢氣不能回流的問題;同時由于EGR管路短,瞬態(tài)響應(yīng)快,這種方式可以產(chǎn)生較高的空燃比、較低的油耗和煙度。并且可以形成足夠高的EGR率來降低NOx。本研究的目標是采用基于VGT的EGR技術(shù)路線使柴油機滿足國Ⅳ及國Ⅳ以上排放法規(guī)的要求,研究這一技術(shù)路線滿足不同階段排放法規(guī)的技術(shù)途徑。本文介紹了這一研究的初步工作,重點研究了基于VGT的EGR的技術(shù)路線的匹配方案對柴油機性能和排放影響,提出了進一步優(yōu)化的技術(shù)措施。這一研究對國Ⅳ柴油機開發(fā)有重要的工程應(yīng)用價值。1高壓冷卻v項目本研究是在一臺排量為6.5L的電控共軌柴油機上進行,發(fā)動機主要參數(shù)如表1所示,圖1是試驗臺架示意圖,表2列出了本研究主要使用的儀器設(shè)備。在對VGT進行性能試驗的基礎(chǔ)上,建立了基于VGT的高壓冷卻EGR系統(tǒng)。廢氣從渦前引入EGR冷卻器,并經(jīng)過單向閥進入進氣中冷器,這樣不僅可以降低EGR廢氣的溫度,同時新鮮進氣和廢氣的混合也更加均勻。安裝單向閥是為了避免某些工況下排氣壓力小于進氣壓力引起進氣倒流,并可以充分利用排氣脈沖能,此時VGT葉片位置的改變,不僅可以改變進氣流量和增壓壓力,同時由于擴大了進、排氣之間的壓差,可以提高EGR流量和EGR率。該可變渦輪增壓器采用步進電機來控制噴嘴環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度和位置。試驗中用開度表示VGT的葉片位置,0開度表示VGT全關(guān),100%開度表示VGT全開。利用ETAS的INCA標定系統(tǒng)實現(xiàn)對柴油機噴油參數(shù)的靈活調(diào)節(jié)。2vpt試驗和噴油參數(shù)對柴油排放的影響在進行基于VGT的EGR系統(tǒng)試驗之前,由于原機匹配的是廢氣放氣閥渦輪增壓器,為了考察VGT增壓器對柴油機的影響,首先進行VGT在該柴油機上的開度標定試驗,得出VGT在該柴油機上的全工況控制MAP圖。分析了VGT對柴油機的影響,采用VGT增壓器可以在全工況范圍內(nèi)實現(xiàn)與發(fā)動機的良好匹配,可以降低發(fā)動機的油耗,提高其經(jīng)濟性,也可以在不犧牲經(jīng)濟性的情況下改善排放,并且可以顯著提高柴油機的低速轉(zhuǎn)矩。在此基礎(chǔ)上,進行基于VGT的EGR系統(tǒng)的試驗研究為了降低柴油機的排放,研究基于VGT的EGR系統(tǒng)和噴油參數(shù)對柴油機的影響,主要對發(fā)動機十三工況的3個轉(zhuǎn)速進行試驗?？紤]到原機高速時煙度較大,即使增加進氣量也未能使高速煙度有明顯下降,因此首先考察噴油器對柴油機的影響,確定噴油器的型號;在不改變噴油參數(shù)的情況下,進行改變VGT開度的試驗,以考察此時VGT葉片位置對EGR率、柴油機性能和排放等的影響,并初步確定各個工況下的葉片位置;然后進行不同噴射壓力條件下變主噴定時的交叉試驗,確定噴油參數(shù);最后對各參數(shù)進行微調(diào),得到最終優(yōu)化結(jié)果。2.1小流量噴油器的排放圖2是兩種噴油器外特性的NOx和煙度的對比,規(guī)格分別為7×148°(7孔,噴霧錐角為148°,流量為550mL/30s)和8×150°(流量為500mL/30s)。8×150°的小流量噴油器大幅度地降低了外特性的煙度,小流量噴油器的外特性煙度低于原機噴油器的煙度,2500r/min時更是由0.647FSN降到了0.209FSN。與此同時NOx的排放則有所上升?？梢钥闯?1300r/min后小流量噴油器的外特性NOx比排放高于原機。噴油器的選取采用小流量噴油器后,燃油霧化效果好,與空氣的混合更加均勻;同時,噴射錐角增大可以避免大量的燃油噴射到燃燒室底部,實現(xiàn)油束和燃燒室的良好配合,從而降低顆粒物和HC等有害排放物的生成,但同時也使氣缸內(nèi)燃燒溫度升高,NOx排放增加。因此對于不同噴嘴的選擇也存在NOx和顆粒排放權(quán)衡的問題。原機高速時煙度較大,采用小流量噴油器之后煙度大大降低。而中低速時原機煙度不大,因此中低速換用小流量噴油器對煙度的改善并不明顯。NOx則由于油氣混合的改善,燃燒充分,中高轉(zhuǎn)速下采用小流量噴油器的NOx比排放均要高于原機噴油器。因此,換用小流量噴油器可以顯著降低煙度,但同時也會使NOx排放增加。試驗中還發(fā)現(xiàn),兩種噴油器的比油耗差別很小,因此,這兩種噴油器對柴油機的經(jīng)濟性影響不大?？紤]到采用EGR降低NOx排放,故選取規(guī)格8×150°的噴油器。2.2VGT對渦前壓力、增壓壓力和EGR率的影響在接入EGR系統(tǒng)之后,VNT葉片位置的改變顯著影響柴油機的渦前和壓后壓力。圖3是全負荷各轉(zhuǎn)速下渦前和壓后壓力隨VGT葉片位置的變化。從圖3中可以看出,隨著VGT開度的減小,渦前壓力和增壓壓力都增加,并且兩者之間的壓差也逐漸增加,這就為EGR廢氣的順利回流提供了條件。圖4為全負荷時3個轉(zhuǎn)速下EGR率隨VGT開度的變化趨勢,可以看出,隨著VGT開度的減小,EGR率迅速上升。如上所述,渦前和壓后之間的壓差隨著VGT開度的減小而增加,而單向閥的流通截面保持不變,因此,隨著壓差的增加,EGR率上升。EGR率原本可以通過VGT調(diào)節(jié)變大,但是受到渦前壓力的限制。2.3葉片開度對比油路的影響VGT葉片位置的變化對油耗有明顯的影響。圖5是全負荷各個轉(zhuǎn)速下比油耗隨VGT開度的變化。可以看出,隨著VGT葉片開度的減小,各個轉(zhuǎn)速下的比油耗均有所上升。一方面是因為渦前壓力增加,泵氣損失增加;另一方面,渦前和壓后之間的壓差隨著VGT開度的減小而增加,這對燃燒室的掃氣也造成了一定的影響,影響了換氣質(zhì)量;再加上EGR的引入對燃燒也產(chǎn)生了一定的影響,綜合起來,油耗隨VGT開度的減小而增加。2.4egr率的影響圖6是隨著VGT葉片位置的變化,NOx和煙度及BSFC之間的trade-off關(guān)系。隨著VGT開度的減小,EGR率上升,NOx整體上都呈現(xiàn)出下降的趨勢,各個工況下的NOx下降都很明顯。但同時使煙度和比油耗上升。圖6為1849r/min,50%負荷時NOx和煙度、NOx和比油耗的trade-off關(guān)系,NOx從9.550g/(kW·h)降到了2.938g/(kW·h),煙度則由0.109FSN上升到0.728FSN;同時,比油耗也隨著VGT開度的減小,也就是EGR率的增加而增加,因此,對EGR率的選擇需要有一個折衷,即綜合考慮油耗、NOx和煙度,在各個工況下選定一個VGT開度進行進一步的試驗。對每一個工況點都進行這樣的分析,最后得到在發(fā)動機ECU初始MAP圖的基礎(chǔ)上初選的VGT開度,以及此時各個工況下的NOx和煙度排放。圖7是1849r/min、600N·m時不同EGR率下的缸內(nèi)平均溫度和缸內(nèi)壓力,可以看出,EGR率從2.88%增加到12.76%時,缸內(nèi)的平均溫度降低,使NOx排放顯著地降低。而隨著EGR率進一步上升到25.63%,缸內(nèi)溫度則又有所上升。這是因為隨著EGR率的上升,EGR冷卻器和中冷器的熱負荷增加,使進氣溫度上升,缸內(nèi)壓縮初始溫度上升,造成缸內(nèi)燃燒平均溫度的上升。隨著VGT葉片開度的減小,EGR率上升,缸內(nèi)的最大爆發(fā)壓力也明顯上升。EGR率為2.88%時的缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力為12.01MPa,EGR率為25.63%時缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力上升到12.98MPa。這主要是由于進氣壓力的上升造成的。對各個工況下進行分析,可以得出類似的結(jié)論,因此,根據(jù)NOx和煙度、NOx和比油耗之間的折衷,確定了各個工況下的VGT葉片位置。圖7了不同egr率下內(nèi)部溫度和壓力的比較。7in-cylidermesonchainer噴油提前角的影響2.5噴油參數(shù)對柴油機的影響確定VGT葉片位置后,為了全面優(yōu)化柴油機的排放,利用電控標定系統(tǒng)對柴油機的噴油參數(shù)進行調(diào)整。噴射壓力分別為140MPa和160MPa。原始MAP圖中標定點的軌壓為140MPa。噴油提前角的變化范圍為0°CA~15°CABTDC。圖8是隨主噴定時NOx和煙度的trade-off關(guān)系。在同一條件下隨著噴油提前角的增加,NOx排放顯著升高,煙度也大幅度下降。隨著噴射壓力的提高,NOx排放有所升高,提升軌壓之后,煙度則顯著降低。圖。8和煙率的遠離者。8和傳統(tǒng)武裝和遠離者噴射壓力優(yōu)化圖9是1456r/min,600N·m,EGR率為24.8%,主噴定時為7.5°CABTDC時噴油參數(shù)的變化對燃燒放熱率的影響。軌壓提高,主燃期開始時刻的放熱率均比較低噴射壓力時高,160MPa時的放熱率峰值也高于140MPa。噴射壓力的提高增加了燃油的霧化和油氣混合質(zhì)量,改善了燃燒,使煙度有較大幅度的降低。各個工況下,NOx和煙度之間隨噴油提前角的變化表現(xiàn)出了明顯的trade-off關(guān)系。各個邊界條件下,NOx和煙度的變化趨勢相同:噴油提前角增加,NOx排放增加,煙度下降;噴油提前角減小,NOx排放下降,煙度上升。相同情況下,提高噴射壓力可以有效的降低煙度。所有工況下都有相同的變化趨勢。根據(jù)上述試驗結(jié)果,確定共軌壓力為160MPa作為最終方案。同時,根據(jù)油耗與排放的折衷確定了最終的優(yōu)化的主噴定時。對其他工況進行類似的分析,可以得出類似的結(jié)論。2.6噴油參數(shù)調(diào)整后排放和煙度的變化在對VGT葉片位置和噴油參數(shù)進行微調(diào)之后,得到了最終的優(yōu)化結(jié)果,并進行了十三工況測試。加裝EGR系統(tǒng)并調(diào)整優(yōu)化噴油參數(shù)之后,NOx排放和煙度的下降都比較明顯。圖10所示是1849r/min時優(yōu)化前后的排放對比,25%、50%、75%和100%負荷下NOx排放下降比圖10的原理與完全優(yōu)化后的排放進行了比較。10nox和smol有效介于蒲西山和下方燃油排放的控制效果以及測量系統(tǒng)在電控率分別為23.2%、24.7%、28.2%和19.4%,FSN煙度則分別下降了57.4%、9.3%、60.8%和22.7%。因此,該VGT+EGR系統(tǒng)配合噴油參數(shù)的優(yōu)化可以有效地降低NOx排放。單純的增加EGR比例或者采用推遲噴油來降低NOx會造成煙度的大幅度上升,因此必須采取有效措施控制煙度。試驗結(jié)果表明,提高噴射壓力可以顯著的降低柴油機的碳煙排放。通過對噴油參數(shù),VGT葉片位置(EGR率)進行優(yōu)化匹配,NOx排放和煙度同時得到了降低。所以,采用EGR之后,通過推遲噴油并提高軌壓可以有效降低柴油機的排放。表3是按照ESC十三工況測試結(jié)果比較,表3表明,采用VNT+EGR方案,NOx排放大幅度降低,接近國Ⅳ法規(guī)的要求,HC排放與原機相當,CO排放大幅度降低,微粒排放與原機相當。與國Ⅲ排放試驗的原機相比,十三工況加權(quán)油耗降低了4.2%。采用高壓EGR系統(tǒng)之后,為了獲得足夠高的EGR率,VGT葉片的開度較小,渦前壓力、增壓壓力都大幅度增加,如圖11所示。優(yōu)化后的發(fā)動機渦前壓力均大幅度高于原機。由于EGR管路的流通截面是固定的,為了擴大渦前和壓后壓力之間的壓差,必須減小VGT的開度,這使渦前壓力迅速增加。在各個工況下的渦前壓力均高于原機。這可能對燃燒室的掃氣造成不良影響。同時,進氣壓力和渦前壓力的大幅度增加也會使燃燒室內(nèi)的氣體密度增加,而這會對噴油器噴油油束的貫穿度造成影響,影響油氣混合。因此,需要對燃燒室的結(jié)構(gòu)等進行優(yōu)化,促進燃油和空氣的混合。進氣壓力與原機相比也都增加。在各轉(zhuǎn)速中高負荷時,綜合優(yōu)化后的進氣壓力都較大幅度高于原機。由于進氣壓力增大,必然導(dǎo)致缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力增大。圖12是2242r/min時優(yōu)化前后各負荷下缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力的對比。圖中可以看出,增壓壓力的提高使缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力的大幅度上升,這可能會增加缸套活塞等燃燒室部件的變形,引起潤滑油泄漏等問題,從而增加微粒排放。同時,爆發(fā)壓力的升高也會使發(fā)動機承受更大的機械負荷,對柴油機的可靠性和使用壽命等造成不良影響。圖11各場景中排壓后壓力的比較。11波狀混合壓力和特洛伊木瓜壓力的菲洛伊木魯姆壓力下一步的優(yōu)化工作首先需要改進燃燒室的結(jié)構(gòu),降低壓縮比,避免缸內(nèi)爆發(fā)壓力的過度升高,同時對VGT和EGR系統(tǒng)的耦合進行更為細致的研究。3v項目的開度為增加泵氣