废气再循环对车用柴油机性能与排放的影响

3 国家重点基础研究发展规划项目 (2001CB209201) 原稿收到日期为 2003 年 4 月 10 日 ,修改稿收到日期为 2003 年 6 月 13 日 。
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空燃比随 EGR 率变化如图 3 (c) 所示 ,2300r/ min 大负荷区的空燃比较 1600r/ min 大负荷区的空 燃比高 。
油耗随 EGR 率变化如图 3 ( d) 所示 ,小负荷时 油耗随 EGR 率的增加而逐渐降低 , EGR 率超过 8 % 后基本没有变化 。说明小负荷时采用 EGR 后改善 了发动机的燃烧 。
小时后降至环境温度 , 其间用真空泵排除蒸发的
SOF 。通 过 测 量 加 热 前 后 的 滤 样 的 质 量 , 计 算 出
DS、SO F[ 4 ,5 ] 。
图 4 为 1600r/ min 时不同负荷下微粒随 EGR
率变化关系 。低速小负荷时 ,微粒排放以 SOF 为
主 ,占 80 %左右 ,随着 EGR 率的增加 ,总微粒基本 没有变化 ,DS 略有增加 、SOF 略有降低 (图 4 (a) ) 。
油耗随 EGR 率变化如图 2 (e) 所示 。小负荷时 油耗随 EGR 率的增加而略有降低 ,大负荷低 EGR 率时没有变化 ,当 EGR 率超过 4 %时油耗增加 。可 见小负荷工况下采用 EGR 可以改善发动机的燃烧 。
涡轮前温度和空燃比变化如图 2 (f) 、图 2 (g) 所 示 。随着 EGR 率的增加 ,涡轮前温度增加 ,空燃比 降低 。随着负荷的增加 ,空燃比降低 ,涡轮前温度提 高后会影响柴油机的耐久性 ,因此 ,应控制大负荷时 EGR 率 。 小负荷时由于空燃比大 ,缸内燃烧温度低 ,是造 成小负荷 NOx 的排放比大负荷降低幅度小的原因 。 废气的引入提高了缸内温度 ,改善了燃油的蒸发 、雾 化 ,改善了发动机的燃烧 ,从而降低了发动机小负荷 的油耗 ,热效率有所提高 。
EGR 率 =
<CO2in - <CO2h <CO2out
×100 %
试验选择了柴油机排放检测循环的 13 工况中
的 10 个工况 :1600r/ min 的 10 %、25 %、50 %、75 %、
100 %负荷和 2300r/ min 的 10 %、25 %、50 %、75 %、
100 %负荷 。每次试验保持喷油正时不变 ,油门位置 不变 ,通过控制 EGR 流量阀和进气节流阀的开度来
EGR 率与烟度的关系如图 2 ( b) 所示 ,随 EGR 率的增加 ,烟度增加 ,在 1600r/ min ,10 %、25 %负荷 的工况下 ,烟度随 EGR 率变化的上升曲线较 50 %、 75 %、100 %负荷工况平缓 。
从图 2 (c) 、图 2 ( d) 可看出 ,随 EGR 率的提高 , 低负荷时 CO 、HC 略增加 ,大负荷时 CO 随着 EGR 率的提高而迅速提高 ,而 HC 略有降低 。由于 HC 的总量较低 ,在进行 EGR 率优化时可以不作为优化 参数 。
微粒排放以 DS 为主 , 这是由于高温缺氧造成的 。 基本没有变化 , EGR 率大时 DS 略有增加 、SOF 略
因此 ,进行全工况优化控制时 ,小负荷可采用大的 有降低 ,说明柴油机小负荷工况下采用 EGR 可以改
EGR 率 ,在降低 NOx 排放的同时 ,微粒保持基本不 善发动机的燃烧 (图 5 (a) ) 。高速大负荷时 , 随着
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2004 年 (第 26 卷) 第 2 期 汽 车 工 程
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图 2 烟度 、NOx 、HC、CO 、空燃比 、燃油消耗率 、涡轮前温度随 EGR 率变化关系 (1600r/ min)
[ 摘要 ] 为了降低车用柴油机的 NOx 排放 ,研究了不同工况下 EGR 率对柴油机性能的影响 。试验结果表明 , 采用 EGR 可以有效地降低 NOx 排放 。大负荷比小负荷效果显著 ,但微粒的排放有所增加 。小负荷采用 EGR 时可 以改善发动机的燃烧 ,微粒排放基本没有变化 。空燃比是影响微粒排放的关键因素 ,小负荷宜采用大 EGR 率 ,大 负荷时宜采用小 EGR 率 ,以求在控制 NOx 排放降低的同时 ,总的微粒排放不至增加过多 。
叙词 :排放 ,废气再循环 ,柴油机
Effect s of E GR on Performances and Emissions of an Automotive Diesel Engine
Zhu Changji ,Liu Zhongchang & Xu Yun
College of A utomotive Engi neeri ng , Jili n U niversity , Changchun 130025
变 。大负荷时宜采用小的 EGR 率 ,来控制微粒排 EGR 增加 ,微粒 、DS 排放增加较低速大负荷时缓
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大负荷时 ,由于空燃比小 ,废气的引入会造成氧 含量的降低 ,使燃烧恶化 ,从而引起烟度的迅速增 加 ,油耗增加 。
2300r/ min 时 EGR 率与 NOx 、烟度的关系如图 3 (a) 、图 3 (b) 所示 ,其变化规律与 1600r/ min 的基本 相同 。小负荷工况下 ,NOx 下降与 EGR 率的变化 曲线较其它工况平缓 。小负荷工况下烟度增加随 EGR 率的变化曲线较其它工况平缓 。但在大负荷 工况下 ,烟度增加较快 。
Zhang Zhendong
College of Mechanical Engi neeri ng , U niversity of S hanghai f or Science and Technology , S hanghai 200093
[ Abstract] For reducing NOx emission of an engine ,t he effect s of EGR ratio on performances of diesel en2 gine under different operating conditions were st udied1 The test result s showed t hat t he NOx emission was re2 duced when using EGR1 The NOx reduction under heavy loads was much more remarkable t han t hat under light load while PM emission increased1 U nder light load , combustion could be improved when adopting EGR while t he PM emission almost had no obvious increase1 It is advisable to adopt high EGR ratio for light load and low EGR ratio for heavy load , t hus t he total PM emission would not increase too much while reducing t he NOx e mi ssio n1
的试验研究 。作者所做的 EGR 对柴油机不同工况 的性能及排放影响的试验 ,目的是找出优化 EGR 率 的一些规律性 。
2 试验系统布置及设备
试验所选用的柴油机是玉柴股份有限公司生产 的 YC4112ZL Q 涡轮增压中冷柴油机 ,机型为直列 四冲程 、水冷 、直喷式 、涡轮增压中冷 。其主要技术 参数见表 1 。EGR 及测试系统见图 1 。试验用的主 要仪器设备见表 2 。
Keywords :Exhaust emission , EGR,Diesel engine
1 前言
废气再循环 ( EGR) 是目前降低柴油机 NOx 排 放的有效的措施之一[1 ] 。但是 , 在柴油机上采用 EGR 也会产生一些不良的影响 ,如使燃油消耗率及 微粒排放增加等 。因此 ,对各种工况的 EGR 率的优 化是采用 EGR 技术的关键 。近年来 ,随着世界各国 对柴油车制定出更加严格的 NOx 排放标准 ,国外的 柴油机越来越多地采用 EGR 系统[2 ] 。为了配合 2004 年排放达标欧 Ⅱ,国内也进行了柴油机 EGR
图 4 1600r/ min ,25 %、75 %负荷下 微粒随 EGR 率变化关系
低速大负荷时 ,随着 EGR 率的增加 ,微粒 、DS 排放 图 5 为 2300r/ min 时不同负荷下微粒随 EGR
显著增加 ,SOF 逐渐降低 (图 4 ( b) ) 。大 EGR 率时 率变化关系 。高速小负荷时 ,随 EGR 率的增加微粒
FCM - D
上海内燃机研究所
ZK - 828
上海市实验仪器总厂
CEB200
奥地利 AVL 公司
自制风洞
Q GS - 08B 北京北哈麦哈克分析仪器有限公司
Leabharlann Baidu
A E163
瑞典 Mettler
3 试验结果分析
试验中 EGR 率是通过测定发动机进气中冷器
后进气总管中 CO2 、排气中的 CO2 以及周边环境大 气中 CO2 的 体 积 分 数 <CO2in 、<CO2out 、<CO2h 来 确 定 的 。其计算公式为[3 ] :
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汽 车 工 程 2004 年 (第 26 卷) 第 2 期
表 1 试验机型的主要技术参数
缸径 ×行程/ mm 怠速转速/ r·min - 1 标定功率/ 转速/
kW/ r·min - 1 中冷器出口最高温度/ ℃
112 ×132 总排量/ L 51202
700～750 压缩比
1715
最大转矩/
132/ 2300 转速/ N·m/ 45 ±3 r·min - 1
660/ 1400～1600
图 1 发动机废气再循环试验系统图
表 2 试验用的主要仪器设备
设备名称 电涡流测功机
油耗仪 真空干燥箱 废气分析仪 微粒测量系统 CO2 分析仪 微量天平
型号
生产厂商
CW260
南峰机械厂
2004 年
(第 26 卷)
第2期
汽 车 工 程 Automotive Engineering
2004 (Vol. 26) No. 2
2004037
废气再循环对车用柴油机性能与排放的影响 3
朱昌吉 刘忠长 许 允
张振东
(吉林大学汽车工程学院 ,长春 130022) (上海理工大学机械学院 ,上海 200093)
图 3 NOx 、烟度 、空燃比 、燃油消耗率随 EGR 率变化关系 (2300r/ min)
312 EGR 率对微粒排放 、DS、SOF 的影响
放。
利用分流稀释系统测量微粒排放量 。微粒中的
干碳烟 (DS) 和可溶性有机组份 ( SOF) 的测量采用
真空干燥箱 。将采样后的滤纸加热至 200 ℃,保温 4
调节 EGR 率 。
311 EGR 率对发动机性能的影响
1600r/ min 时 EGR 率与 NOx 的关系如图 2 (a)
所示 ,随 EGR 率的增加 ,NOx 排放减少 。在 10 %、 25 %负荷 (小负荷) 的工况下 ,NOx 随 EGR 率变化
的下降曲线较 50 %、75 %、100 %负荷 (大负荷) 工况 平缓 。可见采用 EGR 引入废气中的 CO2 和 H2O 可 以有效地降低 NOx 排放 ,大负荷时由于废气中的 CO2 浓度 (图 2 ( h) 所示) 较高 ,低 EGR 率效果也非 常明显 。