车用柴油机大流量废气再循环控制研究

车用柴油机大流量废气再循环控制研究

0发动机尾气污染物控制近年来，我国汽车产量比去年迅速增长，汽车尾气排放已成为城市气候的主要来源。随着时间推移国家对机动车排放法规也越来越严格,其中车用国Ⅳ排放法规已经提前在北京、上海、珠三角等区域实施。在国Ⅳ标准推行过程中,国家环保部门根据城市大气污染源的检测发现,NO2对人体造成的危害在增加,因此在征集了相关发动机制造企业认证机型的NO2试验数据后,于2010年增发了发动机废气中NO2排放量不得超过0.75g/(kW·h)的控制规定。在发动机排气污染物控制技术方面,国内外通用的方法包括选择性催化还原(SCR)、颗粒捕捉器(DPF)和废气再循环(EGR)。本文中采用电控VGT为主件的大流量冷却式废气再循环系统和氧化催化转化器(DOC)后处理装置,组成排放控制的新技术配置,并在11L车用发动机上进行试验。试验结果表明了NOx、PM排放和加权平均燃油消耗率都得到不同程度的降低。1车辆电子技术的发展和应用1.1气体扩散对新混合气的影响EGR气体的主要成分是CO2、N2等高比热废气,再循环进入气缸内,与新鲜燃气混合后,热容量随之增大,在燃烧放热量不变情况下,可降低最高燃烧温度,削弱NOx生成条件。其次,EGR气体对新混合气的稀释,也相应降低了氧的浓度,从而减少与N2反应,使NOx在燃烧过程中的生成量受到抑制。随着气缸内EGR气体吸入量的增加,压缩压力随之提高,导致最高燃烧压力升高,对发动机的结构和性能都会产生相应影响。EGR技术发展大致经历了脉冲式(pulseEGR)、热式(hotEGR)、冷却式(cooledEGR)和大流量冷却式EGR(largecooledEGR,L-CEGR)等阶段。为了改善燃油性能、提高排放水平,国内外商用车发动机在欧Ⅳ排放法规阶段需采用L-CEGR来对应。1.2燃烧过程新鲜空气的新特性11L车用发动机应对中国第Ⅳ阶段排放法规的措施为L-CEGR。采用电控可变几何涡轮增压器(VGT),能在发动机全负荷范围内取得较大流量的EGR气体,经过冷却后与新鲜空气混合再进入气缸参与燃烧过程,较高的EGR率能在更大程度上降低NOx排放(最高EGR率大于30%称为高EGR系统)。同时,在原有发动机平台基础上,通过提高共轨系统的燃油喷射压力,改变燃烧室形状,以进一步优化燃烧过程来降低PM排放。最后,用DOC消除尾气中剩余可溶性颗粒物,使整机完全满足国Ⅳ排放限值要求和耐久性考核要求。表1为试验用发动机的主要技术参数。图1为发动机的L-CEGR系统示意图。图2为从国Ⅲ升级到国Ⅳ的排放改善路径示意图。2l-cegr系统中的主要设备和参数选择2.1最高喷射压力试验发动机的燃油系统为电装高压共轨系统,通过系统参数设定组成不同的最高喷射压力数值进行台架试验,结果如图3和图4所示。当最高喷射压力从120MPa提升到260MPa时,烟度普遍获得改善,但NOx排放增加。经验表明,喷射压力超过200MPa时会出现喷油器密封泄漏等问题。经综合考虑,选择160MPa作为试验样机的喷压参数。2.2材料和结构对重铸板协同压降能力的影响为了提高燃烧放热效率,增大了3%压缩比,同时由于EGR气体回流增加了缸内压缩行程中的气体总量,使得最高燃烧压力上升,发动机部分结构需要强化,其中活塞强度最为关键。图5为3种不同材料和结构的活塞,其中球墨铸铁和钢铝铰接活塞的承压能力分别为铝活塞的1.5倍和1.2倍。发动机采用FCD材料的球墨铸铁活塞,铸有振荡油冷腔。由于其强度比铝合金提高50%,可采用压缩高度和减少壁厚等方法使得总质量与同类铝合金活塞接近。此外,通过优化燃烧室形状,将原来的直壁形改为缩口形,以增加活塞在压缩上止点的挤压微流,促进油气混合改善燃烧,可进一步减少碳烟生成。2.3vpt的燃油特性VGT是通过改变涡壳截面积达到控制涡轮流量目的。具体作用为:(1)提高压气机增压比;(2)改善瞬态响应能力;(3)良好的燃油经济性;(4)扩大发动机的有效工作速度范围;(5)提高输出功率;(6)允许采用较高的EGR率。发动机采用IHI公司生产的叶片转角控制VGT流道几何面积的RHG7V型增压器。图6为VGT增压器外观和喷嘴开、合状态图。VGT喷嘴位置通过推杆的驱动而改变,在不同的流量下,既可获得高的气压比,又能保持高的涡轮效率,还能调节EGR气压使之高于中冷后的空气压力,从而使EGR气体顺利混合进入气缸。图7为VGT在4个喷嘴位置时的涡轮工作特性示意图。RHG7V型增压器是通过发动机电控单元(ECU)发出指令给DC马达来控制喷嘴开度,可以实现无级调节。2.4egr控制阀图8为发动机进、排气随曲轴转角的压力变化情况。由图8可见,只有排气压力高于进气压力的那部分气体ΔpEGR才能作再循环之用。为了调节EGR率,需要使用EGR控制阀。图9为发动机采用的TAIHOKOGYO-024型的电控EGR蝶阀。在发动机燃烧过程中,随着EGR率的提高,NOx相应减少,表明了EGR降低NOx排放的效果(图4)。而过大的EGR率将使烟度急剧增加(图3),甚至导致发动机燃烧不稳定。经过配试,该发动机最大EGR率达30%,可归入高EGR系统之列。2.5egr冷却器对比从排气管引出的废气经过EGR冷却器降温后再进入气缸,可进一步提高EGR率、降低燃烧温度、减少NOx生成,EGR冷却器效率决定了降温效果。本机增加了冷却器内部的管路数量和长度,EGR气体温度比原型下降10℃以上,使得NOx排放满足匹配要求。图10为发动机1000r/min时EGR的冷却效果。其中,实圆点、空圆点分别为EGR冷却器改进前后的对比。图11为加强型EGR冷却器外观图。2.6腐蚀和磨损零件参与再循环的废气进入气缸后,由于混合气中硫酸盐成分的增加,加大对缸套和第1道活塞环的腐蚀,加快零件表面的磨损。通过改进气缸套材料,采用硼合金铸铁,并且活塞环使用氮化处理加上物理气相沉积(PVD)工艺,使得该摩擦副的耐磨性能恢复到原先的水平,如图12所示。3dpf催化的柴油燃烧DOC催化消声器如图13所示。它是在陶瓷基体上涂上Pt等贵金属作为氧化催化剂,并与消声器做成一体。具体用途为:(1)作为DPF主动再生的柴油燃烧器;(2)气相HC和CO的转化;(3)在SCR前端将NO氧化成NO2;(4)在EGR系统中燃烧可溶性颗粒SOF。3.1采用有机硫固物法测硫固硫排气污染物之一PM颗粒物的构成相当复杂,主要由可溶性成分(SOF)、不可溶性成分碳烟(IOF)、硫酸盐(SO3/SO4)及金属粒子组成。当排气通过DOC时,发生在Pt催化剂涂层上的物理、化学反应过程如下:(1)SOF的吸收附着,构成SOF的主要成分是HC,当排气通过DOC时,HC被吸收附着在多孔状的陶瓷载体上。(2)在Pt催化下,HC被充分氧化。(3)IOF的成分为C,在排气中喷入适量燃料,利用氧化产生的反应热在600℃温度条件下,IOF被燃烧净化。(4)在高温条件下,发生硫化物转化为硫酸盐、生成颗粒物的反应,这是需要抑制的。研究中发生了上述过程(1)~(3),试验中采用Soxhlet法将SOF从PM中分离并称重,利用离子色谱法定量分析硫酸盐组分。本文中使用含硫量为50×10-6的柴油进行试验,结果如图14所示。DOC对尾气中的PM有20%的降低效果,其中SOF减少18%、IOF减少2%,硫酸盐无变化。DOC工作原理和结构特性使陶瓷载体不会被杂质堵塞,不需要再生,即使在500×10-6硫含量条件下,其耐久性仍不受影响。3.2no2排放量的控制发动机试验表明:DOC对NOx总量没有显著影响,但会增加NO2,即发生以下反应在DOC前,NO2占NOx总量的10%左右;经过DOC后,NO2量增加到21%,这是需要控制的氧化反应。通过调整DOC中贵金属Pt的含量,使得最终NO2排放量控制在0.75g/(kW·h)的限值范围内。表2为最终配方试验结果。4联通性性能4.1试验结果的总体情况为了验证各系统部件参数的匹配效果,在上海日野发动机有限公司生产的11L试验机上按国家标准进行排气污染物的测量。其中,颗粒采集系统为FIRMWAREDTS-F-100H;排气分析系统为HORIBAMEXA-7100DEGR。测量结果如表3所示。由表3可见,试验机的NOx排放为3.37g/(kW·h),比原机下降28.6%,符合国Ⅳ标准。未装DOC时PM排放比原机下降74.4%,为0.020g/(kW·h)(国Ⅳ限值)。安装DOC后PM排放为0.016g/(kW·h),DOC对PM的净化率为20%。4.2燃油消耗率能提高图15为试验用发动机全负荷速度特性。发动机排放从国Ⅲ升级到国Ⅳ后,其燃油经济性在全负荷转速内均有不同程度改善,在ESC工况下加权平均燃油消耗率为212.9g/(kW·h),同比降低3.5%。以往经验指出,20%废气再循环量可使NOx下降60%~70%,而燃油消耗率约增加3%。随着EGR技术发展,如以电控VGT为特征的L-CEGR系统、电控共轨160MPa超高压多次喷射等技术的应用,发动机原始燃油消耗率获得较大改善,超越了传统EGR对原机经济性的影响。(1)采用电控VGT为主件的大流量冷