不同EGR循环方式对重型柴油机燃烧与排放特性的影响陈贵升.docx

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不同EGR循环方式对重型柴油机燃烧与排放特性的影响陈贵升

第３５卷第２期２０１４年４月内　燃　机　工　程

Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．２

Ａｐ

ｒｉｌ．２０１４　

收稿日期：

２０１３－０６－

０８基金项目：

国家“八六三”高技术研究发展计划资助项目（２０１２ＡＡ１１１７１４）；云南省级人才培养项目（ＫＫＳＹ２０１３０２１２７）作者简介：

陈贵升（１９７９－），男，讲师，博士，主要研究方向为柴油机燃烧过程与排放控制，Ｅ－ｍａｉｌ：

ｃｇ

ｓ＿ｙｌｙ＠１６３．ｃｏｍ；沈颖刚（联系人），Ｅ－ｍａｉｌ：

ｓｈｅｎｙｉｎｇｇａｎｇ

＠１６３．ｃｏｍ。

文章编号：

１０００－０９２５（２０１４）０２－００２０－０７

３５００２６

不同ＥＧＲ循环方式对重型柴油机燃烧

与排放特性的影响

陈贵升１，２，吴　伟１，沈颖刚１，尧命发２，郑尊清２，张　韦１

（１．昆明理工大学云南省内燃机重点实验室，昆明６５０５００；

２．天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津３０００７２

）Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ＥＧＲ　Ｃｙ

ｃｌｅ　Ｍｏｄｅｓ　ｏｎ　Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ａｎｄＥｍｉｓｓｉｏｎ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｈｅａｖｙ－Ｄｕｔｙ　

Ｄｉｅｓｅｌ　ＥｎｇｉｎｅＣＨＥＮ　Ｇｕｉ－ｓｈｅｎｇ１，２，ＷＵ　Ｗｅｉ　１，ＳＨＥＮ　Ｙｉｎｇ－ｇａｎｇ１，

ＹＡＯ　Ｍｉｎｇ－ｆａ２

，ＺＨＥＮＧ　Ｚｕｎ－ｑｉｎｇ２，

ＺＨＡＮＧ　Ｗｅｉ　１

（１．Ｙｕｎｎａｎ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅ，Ｋｕｎｍｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　

ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ　６５０５００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　

ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：

Ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｆ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ＬＰ－ＥＧＲ　ａｎｄ　ＨＰ－ＥＧＲ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｅｎｅｒｇｙ　

ａｓｓｉｇｎａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎＨＰ－Ｔｕｒｂｉｎｅ　ａｎｄ　ＬＰ－Ｔｕｒｂｉｎｅ　ｏｎ　ｅｎｇｉｎｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｖｉｅｗ　ｐｏｉｎｔｏｆ　ｕｐｇｒａｄｉｎｇ　ＥＧＲ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｗｅｒｅ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｉｎ　ａ　ｃｏｍｍｏｎ－ｒａｉｌ　ｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙ　

ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｂｙｕｓｉｎｇ　ＬＰ－ＥＧＲ，ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ｃａｎ　ｒｕｎ　ｏｖｅｒ　ａ　ｗｉｄｅｒ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ＥＧＲ　ｒａｔｅ　ａｎｄ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ＮＯｘｅｍｉｓｓｉｏｎｓ　ｔｈａｎ　ｂｙｕｓｉｎｇ　

ＨＰ－ＥＧＲ，ｔｈｅ　ｆｏｒｍｅｒ　ｅｎｈａｎｃｅｓ　ＥＧＲ　ｒｅｃｙｃｌａｂｉｌｉｔｙ．Ａｓ　ｆｏｒ　ＨＰ－ＥＧＲ，ｔｈｅ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｂｅｆｏｒｅ　ＨＰ－Ｔｕｒｂｉｎｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ｌｉｎｅａｒｌｙ　ｗｉｔｈ　ＥＧＲ　ｒａｔｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｈｏｗｅｖｅｒ　ｔｈｅ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｂｅｆｏｒｅ　ＨＰ－Ｔｕｒｂｉｎｅ　ａｎｄｔｈｅ　ｉｎｔａｋｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｓｌｉｇｈｔｌｙ　ｆｏｒ　ＬＰ－ＥＧＲ，ｔｈｕｓ　ａｃｈｉｅｖｉｎｇ　

ｈｉｇｈｅｒ　Ａ／Ｆ　ｒａｔｉｏ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｒａｄｅ－ｏｆｆ　ｒｅｌａ－ｔｉｏｎｓｈｉｐｓ　ｏｆ　ＮＯｘ－ｓｏｏｔ　ａｎｄ　ＮＯｘ－ＢＳＦＣ　ｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙ　ａｔ　ｌｏｗ　ｓｐｅｅｄ，ｍｅｄｉｕｍ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｌｏａｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｓｉｍｕｌｔａｎｅ－ｏｕｓｌｙ．Ｉｎ　ｈｉｇｈ　ｌｏａｄ　ａｎｄ　ｍｅｄｉｕｍ，ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ　ＮＯｘ－ＢＳＦＣ　ｔｒａｄｅ－ｏｆｆ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｃａｎ　ｂｅ　ｉｍ－ｐｒｏｖｅｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ　ｂｙ　ＨＰ－ＥＧＲ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｉｎｔａｋｅ　ａｎｄ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ　ｌｏｗｅｒ　ｗｉｔｈ　ＥＧＲ　ｒａｔｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈａｎ　ｂｙ　ＬＰ－ＥＧＲ．ＢＳＦＣ　ｃａｎ　ｂｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｐｅｎｉｎｇ　

ｏｆ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｂｙ－ｐａｓｓ　ｖａｌｖｅ　ｐｒｏｐｅｒ－ｌｙ　ｆｏｒ　ＬＰ－ＥＧＲ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＮＯｘ－ｓｏｏｔ　ｔｒａｄｅ－ｏｆｆ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｅｆｆｅｃｔｅｄ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｎ　ｌｏｗ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄｈｉｇｈ　ｌｏａｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｔｈｅ　ｂｙ－ｐ

ａｓｓ　ｖａｌｖｅ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃｌｏｓｅｄ．摘要：

针对一台共轨重型柴油机，从提升废气再循环（ｅｘｈａｕｓｔ　ｇａｓ　ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ，ＥＧＲ）循环能力的角度研究了基于二级增压系统的高压ＥＧＲ（ＨＰ－ＥＧＲ）、低压ＥＧＲ（ＬＰ－

ＥＧＲ）及基于ＬＰ－ＥＧＲ的高、低级涡轮间废气能量分配对柴油机燃烧过程、性能和排放的影响规律。

研究结果表明：

与ＨＰ－ＥＧＲ相比，ＬＰ－ＥＧＲ受转速和负荷的影响减小，能够显著提升ＥＧＲ的循环能力，使柴油机在更宽广的ＥＧＲ率区域内运行，并将氮氧化物（ＮＯｘ）降至更低水平；采用ＨＰ－ＥＧＲ时，涡前压力随ＥＧＲ率增加呈线性下降，但ＬＰ－ＥＧＲ的涡前压力与进气压力变化较小，同时在低速中、高负荷时获得较高的空燃比，并显著改善ＮＯｘ排放与有效燃油消耗率（

ｂｒａｋｅ

　２０１４年第２期内　燃　机　工　程

ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｆｕｅｌ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ＢＳＦＣ）和ＮＯｘ与碳烟排放的平衡关系；

在中、高转速高负荷时，ＨＰ－ＥＧＲ进／排气压差随ＥＧＲ率增加逐渐下降并更加低于ＬＰ－ＥＧＲ，ＮＯｘ－ＢＳＦＣ的平衡关系显著改善；而ＬＰ－ＥＧＲ通过适当增大废气旁通阀开度能有效降低ＢＳＦＣ，同时对ＮＯｘ－碳烟的平衡关系影响较小，

但低转速高负荷时应采用关闭旁通阀的控制策略。

关键词：

内燃机；重型柴油机；高压ＥＧＲ；低压ＥＧＲ；

二级增压；燃烧过程；排放特性Ｋｅｙ　

ｗｏｒｄｓ：

ＩＣ　ｅｎｇｉｎｅ；ＨＤ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ；ＨＰ－ＥＧＲ；ＬＰ－ＥＧＲ；ｔｗｏ－ｓｔａｇｅ　ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ；ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｐ

ｒｏｃｅｓｓ；ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ中图分类号：

ＴＫ４２７

文献标识码：

Ａ

０　概述

能源和环境是社会发展的两大主题，节能与减排（包括ＣＯ２）是当今世界各国面临的两大共同目标。

面对排放法规的不断升级，开发环境友好、节能的车用柴油机给内燃机研究工作者和发动机生产商

不断提出难题与新挑战［

１］

。

传统柴油机属于非均质的喷雾扩散燃烧，在燃烧过程中缸内燃空当量比和温度变化历程不可避免地同时穿越碳烟和氮氧化物（ＮＯｘ）

生成区域［２］

。

近

年来，包括电子控制技术、高压共轨燃油喷射技术、高增压技术等现代柴油机控制技术的发展和应

用［３－

７］，使柴油机排放与循环热效率在以喷雾扩散燃

烧为特征的传统燃烧模式的基础上得到较大改善，这为基于废气再循环（ｅｘｈａｕｓｔ　ｇａｓ　ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ，ＥＧＲ）技术路线的重型柴油机开发提供了有利条件。

同时，面对排放法规日益升级（ＮＯｘ排放限值趋于零），未来排放法规对ＮＯｘ控制提出极其苛刻的要求，在目前催化技术水平下，仅依靠ＤｅＮＯｘ后处理无法使

ＮＯｘ达到超低限值要求。

研究

［７－

１０］表明：

ＥＧＲ技术具有降低燃烧温度、延长滞燃期和有效降低ＮＯｘ的

效能，已经成为开发满足欧－Ⅵ或ＵＳ　２０１３重型柴油机不可或缺的燃烧技术。

研究［７－

１１］发现，柴油机在中低转速的涡前压力较

低，涡前压力与进气压力之间的压差甚至出现负压，这导致ＥＧＲ引入能力受限制，ＮＯｘ排放难以降低，使高升功率重型柴油机难以实现排放法规升级。

采取措施优化ＥＧＲ系统以提升ＥＧＲ循环能力并在全工况范围内实现较高的ＥＧＲ率，通过有效降低机内ＮＯｘ排放的同时进一步提高增压系统效率和改善柴油机性能与排放对实现高效、清洁燃烧尤为重要。

为此，本文中针对不同ＥＧＲ引入形式，重点研究提升ＥＧＲ循环能力的技术措施，为优化ＥＧＲ系统提供指导，为现代重型柴油机实现清洁、高效燃烧和满足排放法规升级提供理论支持和工程指导。

１　试验装置与研究方法

试验用发动机为一台电控高压共轨重型柴油机，采用ＢＯＳＣＨ高压共轨燃油喷射系统，其主要技术参数和试验设备见表１和表２。

本文研究中建立串联式二级增压系统，

如图１所示。

表１　柴油机主要技术参数

项目

参数

发动机型式直列六缸四冲程，增压中冷

排量／Ｌ　

８．４２缸径／ｍｍ×行程／ｍｍ　１１３×１４０压缩比１６．８燃烧室型式缩口ω型标定功率／ｋＷ　２４０（２５００ｒ／ｍｉｎ）最大扭矩／（Ｎ·ｍ）

１２８０（１２００～１８００ｒ／ｍｉｎ

）表２　试验主要的仪器设备

名称型号生产厂家电控标定系统Ｉ

ＮＣＡ　Ｖ６．１

ＥＴＡＳ烟度计４１５Ｓ

ＡＶＬ废气分析仪

ＭＥＸＡ－

７１００ＤＥＧＲＨｏｒｉｂａ

图１　试验台架示意图

　　试验分别进行了二级增压柴油机耦合高压

ＥＧＲ（ＨＰ－ＥＧＲ）和低压ＥＧＲ（ＬＰ－

ＥＧＲ）的对比试验·

１２·

内　燃　机　工　程２０１４年第２期　

研究。

ＨＰ－ＥＧＲ直接从高压级增压器涡轮前（废气未经增压系统利用）引出废气，经ＥＧＲ中冷器冷却后，直接引入到发动机进气端（高压级增压器增压后）；ＬＰ－ＥＧＲ从低压级涡轮（废气能量经过增压系统利用）后引出废气，并经ＥＧＲ中冷器冷却后引入到低压级增压器压气机进口端。

ＨＰ－ＥＧＲ在ＥＧＲ阀全开后仍不能提供所需ＥＧＲ率时，依靠减小节气门开度以进一步提升ＥＧＲ率；ＬＰ－ＥＧＲ则取消了进气端节气门，若在低压ＥＧＲ管路中ＥＧＲ阀全开后仍无法提供所需ＥＧＲ率时，则依靠减小排气端背压阀开度（提高排气背压）来进一步提升ＥＧＲ率。

碳烟比排放是通过ＡＶＬ公司的４１５Ｓ烟度计测量烟度计算得到。

ＥＧＲ率是通过Ｈｏｒｉｂａ　ＭＥＸＡ－７１００ＤＥＧＲ排气分析仪测量进气与排气中ＣＯ２体积分数计算得到。

本文中设定ＥＧＲ率达最大值的边界条件为柴油机能维持稳定运行，以指示平均有效压力（ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｍｅａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ＩＭＥＰ）的循环变动系数不大于５％来衡量，且涡前温度不超过增压器安全工作的最高温度（厂家提供，７３０℃）

。

试验研究工况为ＥＳＣ测试循环的１３个工况点，本文中以部分工况作为重点研究对象，Ａ、Ｂ、Ｃ转速分别为１３３０ｒ／ｍｉｎ、１６６０ｒ／ｍｉｎ和１９９０ｒ／ｍｉｎ。

Ａ１００、Ｂ１００和Ｃ１００分别代表三个转速下１００％负荷，其他类同。

２　试验结果及分析

２．１　ＨＰ－ＥＧＲ和ＬＰ－

ＥＧＲ对柴油机的影响２．１．１　ＨＰ－ＥＧＲ和ＬＰ－

ＥＧＲ对进排气和空燃比影响图２为１３３０ｒ／ｍｉｎ的５０％和７５％负荷、１９９０ｒ／ｍｉｎ的７５％负荷时，ＨＰ－ＥＧＲ和ＬＰ－

ＥＧＲ对柴油机进／排气压力和空燃比的影响。

由图２可见，随ＥＧＲ率增加，ＬＰ－ＥＧＲ的涡前压力与进气压力变化较小；而采用ＨＰ－ＥＧＲ时，由于涡前更多废气流量未经增压器涡轮做功直接进入缸内，导致涡前压力呈线性下降。

在低速工况点，由于涡前废气能量少，采用ＨＰ－

ＥＧＲ使提供给涡轮膨胀做功的可用废气能量进一步减少，造成增压系统的做功能力和工作效率变差；

同时，涡前／进气压差较低，

节气门开度的大幅减小导致节流损失明显增加，进气增压压力和空燃比随ＥＧＲ率增加明显低于ＬＰ－ＥＧＲ，这在低速高负荷时尤其明显，如１３３０ｒ／ｍｉｎ、７５％负荷、ＥＧＲ率约为１９．０％时，ＬＰ－ＥＧＲ的进气压力和空燃比分别为２２８．１ｋＰａ和２２．５１，相比ＨＰ－ＥＧＲ分别增加１５．８％和２２．６％。

在高转速工况点，虽然ＨＰ－

ＥＧＲ的涡前压力随ＥＧＲ增加愈图２　ＨＰ－ＥＧＲ和ＬＰ－Ｅ

ＧＲ对进／排气压力和空燃比的影响加低于ＬＰ－ＥＧＲ，但由于涡前废气能量较多，在ＥＧＲ引入后涡前仍有较多可利用的废气能量，使进气增压压力下降减缓，进气流量相对ＬＰ－ＥＧＲ的降幅小于二者在低速时的差异，使空燃比稍低于ＬＰ－ＥＧＲ。

２．１．２　ＨＰ－ＥＧＲ和ＬＰ－ＥＧＲ对燃烧和排放特性影响图３和图４分别为ＨＰ－ＥＧＲ和ＬＰ－

ＥＧＲ对柴油机有效燃油消耗率（ｂｒａｋｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｆｕｅｌ　ｃｏｎｓｕｍｐ－ｔｉｏｎ，ＢＳＦＣ）、ＮＯｘ和碳烟排放的影响。

图５为１

３３０和１６６０ｒ／ｍｉｎ、７５％负荷、ＥＧＲ率分别为２１．８％和２０．０％时，ＨＰ－ＥＧＲ和ＬＰ－

ＥＧＲ对燃烧过程的影响对比。

由图３和图４可见，在低速中高负荷时，随ＥＧＲ率增加，ＬＰ－ＥＧＲ相比ＨＰ－

ＥＧＲ能有效降低ＢＳＦＣ和碳烟，如１３３０ｒ／ｍｉｎ、７５％负荷、ＥＧＲ率为１８．１％时，ＬＰ－ＥＧＲ的ＢＳＦＣ和碳烟分别为２０

０．７２ｇ

／（ｋＷ·ｈ）和·

２２·

　２０１４年第２期内　燃　机　工　程

０．００３　６ｇ／（ｋＷ·ｈ），相比ＨＰ－ＥＧＲ分别下降５．３５％和９８．０３％。

分析认为，这是因为在低速中高负荷时，增压器涡前废气能量较少，采用ＬＰ－ＥＧＲ的空燃比明显高于ＨＰ－

ＥＧＲ（图２），进气增压压力和缸内氧浓度增加明显促进了燃烧反应速率，提高放热速度，缩短燃烧持续期（图５（ａ）），同时缸内局部过浓高温区域减少。

图３　ＨＰ－ＥＧＲ和ＬＰ－Ｅ

ＧＲ对ＢＳＦＣ的影响对比在中、高转速高负荷时，两种ＥＧＲ率引入方式的空燃比相差不大，但由于ＬＰ－ＥＧＲ涡前与进气压差随ＥＧＲ率增加愈加高于ＨＰ－ＥＧＲ，使柴油机泵气损失增大，导致ＢＳＦＣ明显高于ＨＰ－ＥＧＲ，如１９９０ｒ／ｍｉｎ、７５％负荷、ＥＧＲ率约为２０．５％时，ＬＰ－

ＥＧＲ的ＢＳＦＣ为２２４．５ｇ／（ｋＷ·ｈ），比ＨＰ－ＥＧＲ增加３．４６％。

在低负荷工况点，燃烧过程受化学动力学控制更为显著，ＨＰ－ＥＧＲ的进气增压压力和缸内氧浓度下降使着火前的化学时间尺度增加，

预混燃烧比例和放热率峰值增大，燃烧等容度提高，其ＢＳＦＣ反而低于ＬＰ－

ＥＧＲ时（图３（ａ））；但在节气门引入后，涡前／进气压差增高，节流和泵气损失逐渐增大，ＨＰ－ＥＧＲ的ＢＳＦＣ高渐接近并超过ＬＰ－

ＥＧＲ。

由图４和图５还可见，在低转速中、高负荷时，ＬＰ－

ＥＧＲ由于提高了过量空气系数，其缸内氧浓度提高导致ＮＯｘ生成高于ＨＰ－ＥＧＲ；但随转速增加，在中高转速高负荷时，两种ＥＧＲ引入方式对ＮＯｘ

图４　ＨＰ－ＥＧＲ和ＬＰ－ＥＧＲ对ＮＯｘ和碳烟排放的影响对比

图５　ＨＰ－ＥＧＲ和ＬＰ－Ｅ

ＧＲ对燃烧过程的影响对比和碳烟生成及燃烧过程（图５（ｂ））的影响差异减小。

此外，与ＨＰ－ＥＧＲ相比，ＬＰ－ＥＧＲ受转速和负荷影响减小，能显著提高ＥＧＲ循环引能力，使柴油机在更宽广的ＥＧＲ率区域内运行，同时将ＮＯｘ排放降至更低水平，如１３３０ｒ／ｍｉｎ、７５％负荷时，ＬＰ－ＥＧＲ和ＨＰ－

ＥＧＲ的最高ＥＧＲ率分别为２７

．

９９％和１８．７９％，

最低·

３２·

内　燃　机　工　程２０１４年第２期　

ＮＯｘ排放分别为０

．８５７和１．７６２ｇ／（ｋＷ·ｈ）。

２．２　基于ＬＰ－ＥＧＲ的高、低压级能量分配对柴油机的影响

基于上述ＬＰ－ＥＧＲ在高转速高负荷时面临燃油经济性变差的问题（图３（ｂ）），本文中在高压级涡轮并行的外侧（即发动机涡前与二级增压涡间之间）安装一个电子控制旁通阀，

如图６所示。

通过实时控制旁通阀的开度调节流经高压级涡轮的废气能量，从而实现涡前废气能量在高、低压级涡轮之间的分配比例；目的是为了降低高转速高负荷的泵气损失以提高燃油经济性，同时合理分配高、低压两级涡轮间的废气能量以提高二级增压系统的整体工作效率与做功能力，进一步改善排放特性。

试验中以ＥＳＣ测试循环中Ｂ７５和Ｃ７５工况点作为研究对象。

图６　二级增压系统高、低压级涡轮间废气流通控制示意图

图７为旁通阀开度对涡前／进气压差和空燃比的影响。

其中，图７（ａ）为１６６０和１９９０ｒ／ｍｉｎ、７５％负荷时，旁通阀开度（５％、１５％和２５％）对涡前与进气之间压差的影响；图７（ｂ）为１６６０和１９９０ｒ／ｍｉｎ、７５％负荷、ＬＰ－

ＥＧＲ阀开度为５％时，旁通阀开度对空燃比的影响。

图８为旁通阀开度（５％、１５％和２５％）对ＢＳＦＣ、碳烟、ＮＯｘ排放及碳烟－ＮＯｘ的平衡关系的影响。

由图７（ａ）可见，等ＥＧＲ率时，随电子旁通阀开度增大，柴油机涡前与进气之间压差降低，这在高转速随旁通阀开度增大时更为显著，原因是随着旁通阀开度增加，更多涡前废气绕过高压级涡轮直接流入低压级涡轮，涡前压力快速下降造成涡前与进气之间压差减小。

随着转速增加，涡前压力升高，相同旁通阀开度下流经旁通阀的废气流速更高，流经的废气流量增大导致涡前压力下降速率升高，涡前与进气之间压差更低。

由７（ｂ）可见，在相同ＥＧＲ阀的开度下，随着旁通阀开度增加，空燃比几乎都呈现先缓慢降低然后快速下降的变化规律，并随转速下

图７　旁通阀开度对涡前与进气之间压差

和空燃比的影响

降更为显著，原因是随着旁通阀开度增加，更多涡前废气绕过高压级涡轮直接流入低压级涡轮，高压级涡轮可利用的废气能量减少导致高压级增压器做功

能力下降，从而降低了整个二级增压系统的做功能力，

新鲜进气流量减少。

随着转速下降，涡前废气能量减少，旁通阀开度的增大进一步减少了涡前废气能量，使高压级涡轮做功能力下降的速率相对高转速时加快，从而造成空燃比随旁通阀开度增大而降低的速率提高。

在等ＥＧＲ率时，随着旁通阀开度的增加，ＢＳＦＣ主要取决于以下两个方面的综合作用：

（１）涡前与进气之间压差随旁通阀开度增加而减小，泵气损失减少，这有利于降低ＢＳＦＣ；（２）空燃比随旁通阀开度增加而减小，燃烧速率下降，燃烧持续期延长，排气能量损失增加使ＢＳＦＣ升高。

图８为旁通阀开度对ＢＳＦＣ和排放的影响。

由图８（ａ）可见，在高转速等ＥＧＲ率时，随旁通阀开度增大，泵气损失明显下降导致柴油机ＢＳＦＣ逐渐降低；但随着发动机转速下降，ＢＳＦＣ呈先降后升的趋势，原因是在一定的旁通阀开度范围内泵气损失减少对ＢＳＦＣ的影响占优；然而，进一步增大旁通阀开度时，空燃比下降较大，其对ＢＳＦＣ的不利影响占主导，导致循环热效率又开始下降。

由图８（ｂ）和图８

（ｃ）可见，在ＥＧＲ率较高时，

随·

４２·

０１４年第２期　２内　燃　机　工　程·２５·的平衡关系变差，表明旁通阀开度变化对碳烟生成的影响大于对ＮＯｘ的影响。

由此可见，高转速时通过合理增大旁通阀开度碳烟的平衡影响较小；能有效降低ＢＳＦＣ并对ＮＯｘ－中等转速大负荷时，适当减小旁通阀开度可降低但进一步降低旁通阀开度会导致碳烟快速升ＢＳＦＣ，碳烟的平衡关系变差；低转速高负荷时，涡高，ＮＯｘ－前废气能量相对中高转速减少，应采用关闭旁通阀的控制策略。

由上述分析可知，通过控制旁通阀开度来调节高、低压二级涡轮之间的废气能量分配并未显著提升两个增压系统的整体工作效率和做功能力，使进气流量增加并改善高转速高负荷ＮＯ碳烟的平衡ｘ－关系。

这主要是因为本试验采用的二级增压优化方案的设计仍偏向高转速，即高压级涡轮有效流通面积仍过大，涡前压力偏低，导致高压级涡轮前并没有多余的可利用废气能量分配给低压级涡轮。

若要在采用ＬＰＥＧＲ的基础上进一步改善柴油机全工况范－围内的性能与排放，则二级增压系统应偏向低速设即高压级可采用有效流通面积更小的涡轮。

通计，一方面提高低速涡前过减小高压级涡轮流通面积，压力和涡前与进气之间压差，从而提升ＥＧＲ循环能力，改善低速工况点性能与排放；另一方面是高转速时高压级涡轮前有多余可用废气能量，通过控制旁通阀开度来调节高、低压涡轮之间的废气能量分配将高压级涡轮前多余的废气能量分配给低压比例，级涡轮，在降低泵气损失时还能提高增压系统整体工作效率和工作能力，同时改善柴油机性能与排放。

３　结论（）相比ＨＰ１ＥＧＲ，ＬＰＥＧＲ受转速和负荷的－－能显著提高Ｅ使柴油机影响减小，ＧＲ循环引能力，在更宽广的Ｅ同时将ＮＯＧＲ率区域内运行，ｘ排放降至更低水平。

（）随Ｅ２ＧＲ率增加，ＬＰＥＧＲ的涡前压力与进－图８　旁通阀开度对ＢＳＦＣ和排放的影响气压力变化较小，而ＨＰＥＧＲ的涡前压力呈线性下－降；在低速工况点，ＨＰＥＧＲ进气增压压力和空燃比－这在低速大负荷随ＥＧＲ率增加明显低于ＬＰＥＧＲ，－时尤为明显。

（中高负荷随Ｅ３）在低速、ＧＲ率增加时，ＬＰ－ＥＧＲ相比ＨＰＥＧＲ能同时显著改善ＮＯＢＳＦＣ和－ｘ－碳烟的平衡关系；在中、高转速高负荷时随ＮＯｘ－ＥＧＲ率增加，ＨＰＥＧＲ排气与进气压差逐渐下降并－更加低于Ｌ泵气损失明显减少，ＰＥＧＲ，ＮＯＢＳＦＣ－ｘ－的平衡关系显著改善。

旁通阀开度增加，碳烟比排放逐渐升高，ＮＯｘ比排放这种变化规律随转速下降时更呈现相反变化规律，加明显，原因是空燃比随旁通阀开度增大而减小，缸局部高温富氧区域减少而局部高温内氧浓度降低，（）缺氧区域增多。

由图８可见，在高转速工况点，旁ｄ通阀开度对ＮＯ碳烟的平衡关系影响较小，但随着ｘ－转速下降，旁通阀开度增加导致高负荷时ＮＯ碳烟ｘ－

·２６·内　燃　机　工　程２０１４年第２期　（）高转速大负荷时，４ＬＰＥＧＲ通过合理增大－低压级涡轮之间的旁通阀开度能有效降低高、同时对ＮＯ碳烟的平衡关系影响较小；中等ＢＳＦＣ，ｘ－适当减小旁通阀开度可降低Ｂ转速高负荷时，ＳＦＣ，但进一步降低旁通阀开度会导致碳烟排放快速升高，碳烟的平衡关系变差；低转速高负荷时应采ＮＯｘ－用关闭旁通阀的控制策略。

参考文献：

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