论文《EGR率对增压中冷柴油机性能影响的试验研究》

EGR对增压中冷柴油机性能影响的试验研究
刘海峰代国雄
（昆明云内动力股份有限公司技术中心内燃机研究所）
摘要：本文通过广泛研究对比国内外EGR系统控制技术及策略，根据昆明云内动力股份有限公司现有的试验条件及设备设计了一套适用于4100QBZL柴油机的EGR技术应用研究试验系统。

通过试验研究了同海拔条件下，不同工况（十三工况）、不同EGR率对4100增压中冷柴油机NOx 、PM排放的影响。

进一步分析了采用EGR后，海拔、喷油提前角、冷却EGR等因素对4100QBZL柴油机NOx 、PM排放的影响规律；基于上述试验，对4100增压中冷柴油机的最佳EGR率控制规律进行了初步测试研究。

关键词：柴油机；排气再循环；海拔；排放；
作者简介：刘海峰(1974-)，男，云南省建水人，工程硕士，工程师，主要从事中小缸径柴油机的研究、开发工作。

1. 引言
目前，我国柴油汽车污染物排放执行相当于欧洲第二阶段控制水平的国家排放标准。

我国柴油汽车污染物排放控制目标是：到2008年，力争达到相当于欧洲第三阶段排放控制水平；2010年之后争取与国际排放控制水平接轨。

昆明云内动力股份有限公司是西南地区最大的多缸小缸径柴油机生产基地，也是目前国内最大的小缸径多缸柴油机生产厂家之一。

不断研究优化云内动力柴油机排放，提高云内动力柴油机排放水平，以适应日益严格排放法规和市场竞争，已成为云内动力发展与生存的重要课题。

2. 本课题研究对象及主要研究内容
1) 本课题研究对象
型号4100QBZL
型式立式、直列、水冷、四冲程、直喷、增压中冷缸径×行程 100×105
活塞总排量(L) 3.298
压缩比 17.5：1
标定功率/转速kW/(r/min) 81/3200
最低燃油消耗率g/(kW.h) ≤217
最大扭矩/转速N.m/(r/min) 285/2000～2200
2) 本课题所研究的主要内容和重点：
通过对比国内外EGR系统控制技术及策略，根据公司现有的试验条件及设备设计一套适用于4100QBZL柴油机的EGR技术应用研究试验系统；
通过试验研究同海拔条件下，不同工况（十三工况）、不同EGR率对4100增压中冷柴油机NOx 、PM排放的影响。

研究分析采用EGR后，海拔、喷油提前角、冷却EGR等因素对4100QBZL柴油机NOx 、PM排放的影响规律；
初步对4100增压中冷柴油机的最佳EGR率控制规律进行测试研究。

3. 本课题的研究目的
通过本课题的研究，为EGR技术在云内柴油机上的实际应用提供有力的设计开发理论支持和积累一定的试验开发经验。

为今后深入研究开发达国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ标准的柴油机积累更多的实践经验。

4. 4100增压中冷柴油机的EGR控制测试系统
针对该课题主要研究对象（云内4100QBZL增压中冷柴油机）和主要研究内容，参考多篇论文。

综合考虑之后确定采用带文曲利管的并联式高压循环EGR机械控制测试系统，系统原理如图1所示。

图1 EGR测试控制系统原理图
5. 不同EGR率对增压中冷柴油机NOx、PM的影响
5.1. EGR率对NOx的影响
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图2 十三工况点EGR前后NOx排放量对比
从图2中可以看出，在中等转速中等负荷及高转速中等负荷工况点NOx排放量下降最为明显。

说明在中等转速中等负荷及高转速中等负荷工况可以采用较高的EGR率以降低NOx排放。

5.2. EGR率对PM的影响
图3 十三工况点EGR前后排气烟度对比
从图3可以看出，加入废气再循环后，几乎使每个工况点的烟度值都有所上升，特别是中高负荷点处，上升幅度最大。

EGR使缸内氧浓度下降，缸内缺氧区域增多，在这些区域内燃料的滞燃期被延长，使该区域燃料的燃烧不完全，导致碳烟排放升高。

6. 海拔对增压中冷柴油机性能、NOx 、PM排放的影响
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图4 不同海拔下NOx排放量对比
从图4中可以看出，采用相同的EGR阀开度，不同大气压力下NOx排放量的变化规律相类似，且与EGR阀全闭情况下NOx排放量的变化规律相似。

随着海拔升高，大气压力降低，可适当减小EGR循环量。

7. 提前角对增压中冷柴油机性能、NOx 、PM排放的影响
在有限的时间和试验条件下，暂做了采用EGR前后，提前角分别为6CA、8CA、10CA，转速分别为2200r/min、3200r/min的负荷特性，测取了CO、HC、NOx的排放量及碳烟的值，对比了各种排放物及碳烟的变化规律。

图5 不同提前角EGR前后CO升高量对比曲线
总的说来，喷油提前角对CO排放影响效果不大。

在小负荷条件下，因为缸内气体温度不高，氧化作用减弱，过稀不着火区边缘附近形成的CO较多。

当负荷增大时（或空燃比减少），由于气体温度增加，使CO的排放量减少。

采用EGR后，CO排放比采用EGR前升高，但并未改变CO排放随柴油机的负荷的变化规律。

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图6 不同提前角EGR前后HC降低量对比曲线
从图6所示的HC排放降低量对比中可以看出，提前角有一定的影响。

2200 r/min, 10CA的供油提前角下，采用EGR后，HC排放大体能下降5～10ppm，而6CA、8CA 的供油提前角下则反而增加5～10ppm，3200r/min，采用EGR后，随着供油提前角的增大，HC排放的下降程度增加。

图7 不同提前角EGR前后NOx降低量对比曲线
正如前面所论述的一样，推迟喷油提前角是用来降低NOx排放简单有效的措施，从图7中很明显的可以看出，采用EGR后，随着供油提前角的增大，降低NOx的效果越明显；10CA下采用EGR降低NOx的效果最明显，而6CA、8CA下采用EGR降低NOx 的效果却不太显著。

图8 不同提前角EGR前后碳烟升高量对比曲线
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从图8可以看出，2200r/min、3200r/min的各种负荷下，不同提前角时采用EGR后烟度值都有所增加。

在柴油机的扩散燃烧机理下，抑制燃烧产物中氮氧化物生成的同时，将会导致微粒生成量的增加。

另外，我们也可看出，烟度变化值与供油提前角间的一些关系。

当其它参数保持不变时，喷油提前角过大，可能造成微粒排放增加。

喷油提前角过小，迟后喷油，也可能造成排气烟度增加。

8. 冷却EGR对增压中冷柴油机性能、NOx 、PM排放的影响
1) EGR对进气气温度的影响：
图9 冷、热EGR对进气温度的影响曲线
从图9中可以看出，普通EGR可使进气温度平均上升35%以上，而冷却EGR可以保证进气温度有少量上升。

如果EGR率控制的不好，还会使进气温度有更大上升，发动机的各项性能指标将受到不同程度的影响。

试验中为了体现不同EGR温度下，对增压中冷柴油机烟度及经济性的影响，选定2200r/min作为研究重点，在同样的EGR率（5%）下，进行了几组试验研究，取得如下数据曲线对比图：
图10 2200r/min（5%EGR率）烟度对比曲线
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图11 2200r/min（5%EGR率）比油耗对比曲线
烟度对进气温度的变化十分敏感，从图3-9中可以看出，冷却EGR下的烟度在各工况下都有低于普通EGR下的烟度。

对于经济性的影响，在低负荷区，普通EGR下，比油耗较冷却EGR低；但在高负荷区，普通EGR下，柴油机的经济性明显下降，还使燃烧恶化，烟度将明显增大。

9. 最佳EGR率的初步研究
由于时间及试验条件关系，没有进一步地深入测试各项控制参数的最佳值。

仅在试验机原配置状态（油嘴6Xφ0.24喷油压力24Mpa）对供油提前角为12o CA、大气压力为81.4kPa、进气温度为20℃下，采用机械式EGR系统，做了从1000~3200r/min按每次增加100转，在每个转速下负荷按5%、10%、15%・・・・・・95%、100%进行了控制NOx、PM均能达欧II要求的最佳EGR率初步探索测试，并绘制了该情况下的最佳EGR 率MAP图12。

根据试验测得的最佳EGR率控制脉谱，作者认为：在柴油机小负荷，不必采用较大的EGR率。

而随着柴油机的负荷增大，喷油量增加，燃烧温度升高，使NOx生成量增加。

在接近全负荷时为了防止产生较多的微粒碳烟排放，保证发动机的动力性和燃油经济性，可采用较小的EGR率控制。

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图12 最佳EGR率控制脉谱图
10. 结论
1) 增压中冷柴油机采用EGR技术后，涡前压力降低将导致增压器放气阀开启缓慢，进
气压力增大，增大了进排气压逆差问题，有可能出现压气机喘振等不利现象。

必要时需对增压器进行重新试验匹配。

2) 在各个工况采用EGR都会使增压中冷柴油机NOx有所下降，特别是在高负荷及中
等负荷区域。

但在低负荷区域，由于本身所产生的NOx就不高，没有必要增加EGR 率。

3) 在各工况加入EGR都会使增压中冷柴油机碳烟和微粒升高。

但从研究结果来看，在
各转速的中低负荷工况处，EGR率升高到10%以上时烟度才有较大的变化。

4) EGR也要受到高原环境的影响，为满足柴油机排放要求，不同大气压力下的EGR率
标定必不可少。

5) 减小供油提前角是用来降低NOx排放简单有效的措施，采用EGR技术后合理选择
不同工况下的提前角仍然是很重要，这对发动机的性能标定工作量的大小有着决定性的作用。

6) 冷却EGR能实现更高的EGR率，在兼顾柴油机动力性、经济性和其它排放物的前
提下，能更加有效地降低NOx。

但应充分考虑EGR冷却系统的可靠性及柴油机本身冷却系统的能力能否满足系统要求。

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7) 最佳EGR 率的标定，要综合考虑不同EGR 率对增压中冷柴油机经济性、动力性以
及排放的影响程度，同时还要兼顾排温以及对增压器的不良影响等。

我们可以选择以降低柴油机的主要排放物NOx 作为主要控制对象，兼顾碳烟的生成、HC 、CO 的排放量，在各种大气环境下进行的全负荷工况性能排放试验，从而选定各工况下最佳的各种控制参数（如供油提前角、喷油压力、喷孔直径、EGR 率等）。

从而得到各种工况下的运行最佳排放量、性能控制参数MAP 数据图。

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