基于可变涡轮截面增压器控制的废气再循环对柴油机燃烧性能和排放的影响

基于可变涡轮截面增压器控制的废气再循环对柴油机燃烧性能和排放的影响

从增压电机的特性,美能源和污染是全世界各国面临的两个主要问题。排放法规的日益严格,对柴油机提出了新的要求和挑战。从世界各国满足不同阶段排放法规的技术路线可以看出,增压中冷技术是降低柴油机排放的基本措施,EGR技术是降低NOx排放最有效的措施之一,是满足欧Ⅳ排放重要技术途径之一,也是满足欧Ⅴ以后排放法规必须采用的技术措施之一。柴油机增压技术可以显著地提高柴油机的功率输出,降低油耗和排放。可变涡轮增压器可以在全工况范围内实现与柴油机的良好匹配,提高发动机的瞬态响应,改善柴油机的经济性和排放。采用VGT驱动的高压EGR系统,可以有效地克服增压柴油机某些工况下增压压力高于排气压力,EGR废气不能回流的问题;同时由于EGR管路短,瞬态响应快,这种方式可以产生较高的空燃比、较低的油耗和烟度。并且可以形成足够高的EGR率来降低NOx。本研究的目标是采用基于VGT的EGR技术路线使柴油机满足国Ⅳ及国Ⅳ以上排放法规的要求,研究这一技术路线满足不同阶段排放法规的技术途径。本文介绍了这一研究的初步工作,重点研究了基于VGT的EGR的技术路线的匹配方案对柴油机性能和排放影响,提出了进一步优化的技术措施。这一研究对国Ⅳ柴油机开发有重要的工程应用价值。1高压冷却v项目本研究是在一台排量为6.5L的电控共轨柴油机上进行,发动机主要参数如表1所示,图1是试验台架示意图,表2列出了本研究主要使用的仪器设备。在对VGT进行性能试验的基础上,建立了基于VGT的高压冷却EGR系统。废气从涡前引入EGR冷却器,并经过单向阀进入进气中冷器,这样不仅可以降低EGR废气的温度,同时新鲜进气和废气的混合也更加均匀。安装单向阀是为了避免某些工况下排气压力小于进气压力引起进气倒流,并可以充分利用排气脉冲能,此时VGT叶片位置的改变,不仅可以改变进气流量和增压压力,同时由于扩大了进、排气之间的压差,可以提高EGR流量和EGR率。该可变涡轮增压器采用步进电机来控制喷嘴环的旋转角度和位置。试验中用开度表示VGT的叶片位置,0开度表示VGT全关,100%开度表示VGT全开。利用ETAS的INCA标定系统实现对柴油机喷油参数的灵活调节。2vpt试验和喷油参数对柴油排放的影响在进行基于VGT的EGR系统试验之前,由于原机匹配的是废气放气阀涡轮增压器,为了考察VGT增压器对柴油机的影响,首先进行VGT在该柴油机上的开度标定试验,得出VGT在该柴油机上的全工况控制MAP图。分析了VGT对柴油机的影响,采用VGT增压器可以在全工况范围内实现与发动机的良好匹配,可以降低发动机的油耗,提高其经济性,也可以在不牺牲经济性的情况下改善排放,并且可以显著提高柴油机的低速转矩。在此基础上,进行基于VGT的EGR系统的试验研究为了降低柴油机的排放,研究基于VGT的EGR系统和喷油参数对柴油机的影响,主要对发动机十三工况的3个转速进行试验。考虑到原机高速时烟度较大,即使增加进气量也未能使高速烟度有明显下降,因此首先考察喷油器对柴油机的影响,确定喷油器的型号;在不改变喷油参数的情况下,进行改变VGT开度的试验,以考察此时VGT叶片位置对EGR率、柴油机性能和排放等的影响,并初步确定各个工况下的叶片位置;然后进行不同喷射压力条件下变主喷定时的交叉试验,确定喷油参数;最后对各参数进行微调,得到最终优化结果。2.1小流量喷油器的排放图2是两种喷油器外特性的NOx和烟度的对比,规格分别为7×148°(7孔,喷雾锥角为148°,流量为550mL/30s)和8×150°(流量为500mL/30s)。8×150°的小流量喷油器大幅度地降低了外特性的烟度,小流量喷油器的外特性烟度低于原机喷油器的烟度,2500r/min时更是由0.647FSN降到了0.209FSN。与此同时NOx的排放则有所上升。可以看出,1300r/min后小流量喷油器的外特性NOx比排放高于原机。喷油器的选取采用小流量喷油器后,燃油雾化效果好,与空气的混合更加均匀;同时,喷射锥角增大可以避免大量的燃油喷射到燃烧室底部,实现油束和燃烧室的良好配合,从而降低颗粒物和HC等有害排放物的生成,但同时也使气缸内燃烧温度升高,NOx排放增加。因此对于不同喷嘴的选择也存在NOx和颗粒排放权衡的问题。原机高速时烟度较大,采用小流量喷油器之后烟度大大降低。而中低速时原机烟度不大,因此中低速换用小流量喷油器对烟度的改善并不明显。NOx则由于油气混合的改善,燃烧充分,中高转速下采用小流量喷油器的NOx比排放均要高于原机喷油器。因此,换用小流量喷油器可以显著降低烟度,但同时也会使NOx排放增加。试验中还发现,两种喷油器的比油耗差别很小,因此,这两种喷油器对柴油机的经济性影响不大。考虑到采用EGR降低NOx排放,故选取规格8×150°的喷油器。2.2VGT对涡前压力、增压压力和EGR率的影响在接入EGR系统之后,VNT叶片位置的改变显著影响柴油机的涡前和压后压力。图3是全负荷各转速下涡前和压后压力随VGT叶片位置的变化。从图3中可以看出,随着VGT开度的减小,涡前压力和增压压力都增加,并且两者之间的压差也逐渐增加,这就为EGR废气的顺利回流提供了条件。图4为全负荷时3个转速下EGR率随VGT开度的变化趋势,可以看出,随着VGT开度的减小,EGR率迅速上升。如上所述,涡前和压后之间的压差随着VGT开度的减小而增加,而单向阀的流通截面保持不变,因此,随着压差的增加,EGR率上升。EGR率原本可以通过VGT调节变大,但是受到涡前压力的限制。2.3叶片开度对比油路的影响VGT叶片位置的变化对油耗有明显的影响。图5是全负荷各个转速下比油耗随VGT开度的变化。可以看出,随着VGT叶片开度的减小,各个转速下的比油耗均有所上升。一方面是因为涡前压力增加,泵气损失增加;另一方面,涡前和压后之间的压差随着VGT开度的减小而增加,这对燃烧室的扫气也造成了一定的影响,影响了换气质量;再加上EGR的引入对燃烧也产生了一定的影响,综合起来,油耗随VGT开度的减小而增加。2.4egr率的影响图6是随着VGT叶片位置的变化,NOx和烟度及BSFC之间的trade-off关系。随着VGT开度的减小,EGR率上升,NOx整体上都呈现出下降的趋势,各个工况下的NOx下降都很明显。但同时使烟度和比油耗上升。图6为1849r/min,50%负荷时NOx和烟度、NOx和比油耗的trade-off关系,NOx从9.550g/(kW·h)降到了2.938g/(kW·h),烟度则由0.109FSN上升到0.728FSN;同时,比油耗也随着VGT开度的减小,也就是EGR率的增加而增加,因此,对EGR率的选择需要有一个折衷,即综合考虑油耗、NOx和烟度,在各个工况下选定一个VGT开度进行进一步的试验。对每一个工况点都进行这样的分析,最后得到在发动机ECU初始MAP图的基础上初选的VGT开度,以及此时各个工况下的NOx和烟度排放。图7是1849r/min、600N·m时不同EGR率下的缸内平均温度和缸内压力,可以看出,EGR率从2.88%增加到12.76%时,缸内的平均温度降低,使NOx排放显著地降低。而随着EGR率进一步上升到25.63%,缸内温度则又有所上升。这是因为随着EGR率的上升,EGR冷却器和中冷器的热负荷增加,使进气温度上升,缸内压缩初始温度上升,造成缸内燃烧平均温度的上升。随着VGT叶片开度的减小,EGR率上升,缸内的最大爆发压力也明显上升。EGR率为2.88%时的缸内最大爆发压力为12.01MPa,EGR率为25.63%时缸内最大爆发压力上升到12.98MPa。这主要是由于进气压力的上升造成的。对各个工况下进行分析,可以得出类似的结论,因此,根据NOx和烟度、NOx和比油耗之间的折衷,确定了各个工况下的VGT叶片位置。图7了不同egr率下内部温度和压力的比较。7in-cylidermesonchainer喷油提前角的影响2.5喷油参数对柴油机的影响确定VGT叶片位置后,为了全面优化柴油机的排放,利用电控标定系统对柴油机的喷油参数进行调整。喷射压力分别为140MPa和160MPa。原始MAP图中标定点的轨压为140MPa。喷油提前角的变化范围为0°CA~15°CABTDC。图8是随主喷定时NOx和烟度的trade-off关系。在同一条件下随着喷油提前角的增加,NOx排放显著升高,烟度也大幅度下降。随着喷射压力的提高,NOx排放有所升高,提升轨压之后,烟度则显著降低。图。8和烟率的远离者。8和传统武装和远离者喷射压力优化图9是1456r/min,600N·m,EGR率为24.8%,主喷定时为7.5°CABTDC时喷油参数的变化对燃烧放热率的影响。轨压提高,主燃期开始时刻的放热率均比较低喷射压力时高,160MPa时的放热率峰值也高于140MPa。喷射压力的提高增加了燃油的雾化和油气混合质量,改善了燃烧,使烟度有较大幅度的降低。各个工况下,NOx和烟度之间随喷油提前角的变化表现出了明显的trade-off关系。各个边界条件下,NOx和烟度的变化趋势相同:喷油提前角增加,NOx排放增加,烟度下降;喷油提前角减小,NOx排放下降,烟度上升。相同情况下,提高喷射压力可以有效的降低烟度。所有工况下都有相同的变化趋势。根据上述试验结果,确定共轨压力为160MPa作为最终方案。同时,根据油耗与排放的折衷确定了最终的优化的主喷定时。对其他工况进行类似的分析,可以得出类似的结论。2.6喷油参数调整后排放和烟度的变化在对VGT叶片位置和喷油参数进行微调之后,得到了最终的优化结果,并进行了十三工况测试。加装EGR系统并调整优化喷油参数之后,NOx排放和烟度的下降都比较明显。图10所示是1849r/min时优化前后的排放对比,25%、50%、75%和100%负荷下NOx排放下降比图10的原理与完全优化后的排放进行了比较。10nox和smol有效介于蒲西山和下方燃油排放的控制效果以及测量系统在电控率分别为23.2%、24.7%、28.2%和19.4%,FSN烟度则分别下降了57.4%、9.3%、60.8%和22.7%。因此,该VGT+EGR系统配合喷油参数的优化可以有效地降低NOx排放。单纯的增加EGR比例或者采用推迟喷油来降低NOx会造成烟度的大幅度上升,因此必须采取有效措施控制烟度。试验结果表明,提高喷射压力可以显著的降低柴油机的碳烟排放。通过对喷油参数,VGT叶片位置(EGR率)进行优化匹配,NOx排放和烟度同时得到了降低。所以,采用EGR之后,通过推迟喷油并提高轨压可以有效降低柴油机的排放。表3是按照ESC十三工况测试结果比较,表3表明,采用VNT+EGR方案,NOx排放大幅度降低,接近国Ⅳ法规的要求,HC排放与原机相当,CO排放大幅度降低,微粒排放与原机相当。与国Ⅲ排放试验的原机相比,十三工况加权油耗降低了4.2%。采用高压EGR系统之后,为了获得足够高的EGR率,VGT叶片的开度较小,涡前压力、增压压力都大幅度增加,如图11所示。优化后的发动机涡前压力均大幅度高于原机。由于EGR管路的流通截面是固定的,为了扩大涡前和压后压力之间的压差,必须减小VGT的开度,这使涡前压力迅速增加。在各个工况下的涡前压力均高于原机。这可能对燃烧室的扫气造成不良影响。同时,进气压力和涡前压力的大幅度增加也会使燃烧室内的气体密度增加,而这会对喷油器喷油油束的贯穿度造成影响,影响油气混合。因此,需要对燃烧室的结构等进行优化,促进燃油和空气的混合。进气压力与原机相比也都增加。在各转速中高负荷时,综合优化后的进气压力都较大幅度高于原机。由于进气压力增大,必然导致缸内最高爆发压力增大。图12是2242r/min时优化前后各负荷下缸内最大爆发压力的对比。图中可以看出,增压压力的提高使缸内最大爆发压力的大幅度上升,这可能会增加缸套活塞等燃烧室部件的变形,引起润滑油泄漏等问题,从而增加微粒排放。同时,爆发压力的升高也会使发动机承受更大的机械负荷,对柴油机的可靠性和使用寿命等造成不良影响。图11各场景中排压后压力的比较。11波状混合压力和特洛伊木瓜压力的菲洛伊木鲁姆压力下一步的优化工作首先需要改进燃烧室的结构,降低压缩比,避免缸内爆发压力的过度升高,同时对VGT和EGR系统的耦合进行更为细致的研究。3v项目的开度为增加泵气