論文《EGR率對(duì)增壓中冷柴油機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究》

1、EGR對(duì)增壓中冷柴油機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究劉海峰代國(guó)雄(昆明云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司技術(shù)中心內(nèi)燃機(jī)研究所摘要:本文通過(guò)廣泛研究對(duì)比國(guó)內(nèi)外EGR系統(tǒng)控制技術(shù)及策略,根據(jù)昆明云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司現(xiàn)有的試驗(yàn)條件及設(shè)備設(shè)計(jì)了一套適用于4100QBZL柴油機(jī)的EGR技術(shù)應(yīng)用研究試驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)試驗(yàn)研究了同海拔條件下,不同工況(十三工況、不同EGR率對(duì)4100增壓中冷柴油機(jī)NOx 、PM排放的影響。進(jìn)一步分析了采用EGR后,海拔、噴油提前角、冷卻EGR等因素對(duì)4100QBZL柴油機(jī)NOx 、PM排放的影響規(guī)律;基于上述試驗(yàn),對(duì)4100增壓中冷柴油機(jī)的最佳EGR率控制規(guī)律進(jìn)行了初步測(cè)試研究。關(guān)鍵詞:柴油機(jī);排氣再循

2、環(huán);海拔;排放;作者簡(jiǎn)介:劉海峰(1974-,男,云南省建水人,工程碩士,工程師,主要從事中小缸徑柴油機(jī)的研究、開(kāi)發(fā)工作。1. 引言目前,我國(guó)柴油汽車(chē)污染物排放執(zhí)行相當(dāng)于歐洲第二階段控制水平的國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)柴油汽車(chē)污染物排放控制目標(biāo)是:到2008年,力爭(zhēng)達(dá)到相當(dāng)于歐洲第三階段排放控制水平;2010年之后爭(zhēng)取與國(guó)際排放控制水平接軌。昆明云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司是西南地區(qū)最大的多缸小缸徑柴油機(jī)生產(chǎn)基地,也是目前國(guó)內(nèi)最大的小缸徑多缸柴油機(jī)生產(chǎn)廠家之一。不斷研究?jī)?yōu)化云內(nèi)動(dòng)力柴油機(jī)排放,提高云內(nèi)動(dòng)力柴油機(jī)排放水平,以適應(yīng)日益嚴(yán)格排放法規(guī)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),已成為云內(nèi)動(dòng)力發(fā)展與生存的重要課題。2. 本課題研究對(duì)象

3、及主要研究?jī)?nèi)容1 本課題研究對(duì)象型號(hào)4100QBZL型式立式、直列、水冷、四沖程、直噴、增壓中冷缸徑×行程 100×105活塞總排量(L 3.298壓縮比 17.5:1標(biāo)定功率/轉(zhuǎn)速kW/(r/min 81/3200最低燃油消耗率g/(kW.h 217最大扭矩/轉(zhuǎn)速N.m/(r/min 285/200022002 本課題所研究的主要內(nèi)容和重點(diǎn):通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外EGR系統(tǒng)控制技術(shù)及策略,根據(jù)公司現(xiàn)有的試驗(yàn)條件及設(shè)備設(shè)計(jì)一套適用于4100QBZL柴油機(jī)的EGR技術(shù)應(yīng)用研究試驗(yàn)系統(tǒng);通過(guò)試驗(yàn)研究同海拔條件下,不同工況(十三工況、不同EGR率對(duì)4100增壓中冷柴油機(jī)NOx 、PM排放

4、的影響。研究分析采用EGR后,海拔、噴油提前角、冷卻EGR等因素對(duì)4100QBZL柴油機(jī)NOx 、PM排放的影響規(guī)律;初步對(duì)4100增壓中冷柴油機(jī)的最佳EGR率控制規(guī)律進(jìn)行測(cè)試研究。3. 本課題的研究目的通過(guò)本課題的研究,為EGR技術(shù)在云內(nèi)柴油機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用提供有力的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)理論支持和積累一定的試驗(yàn)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。為今后深入研究開(kāi)發(fā)達(dá)國(guó)、標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)積累更多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。4. 4100增壓中冷柴油機(jī)的EGR控制測(cè)試系統(tǒng)針對(duì)該課題主要研究對(duì)象(云內(nèi)4100QBZL增壓中冷柴油機(jī)和主要研究?jī)?nèi)容,參考多篇論文。綜合考慮之后確定采用帶文曲利管的并聯(lián)式高壓循環(huán)EGR機(jī)械控制測(cè)試系統(tǒng),系統(tǒng)原理如圖1所示。 圖1

5、EGR測(cè)試控制系統(tǒng)原理圖5. 不同EGR率對(duì)增壓中冷柴油機(jī)NOx、PM的影響5.1. EGR率對(duì)NOx的影響1 圖2 十三工況點(diǎn)EGR前后NOx排放量對(duì)比從圖2中可以看出,在中等轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷及高轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷工況點(diǎn)NOx排放量下降最為明顯。說(shuō)明在中等轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷及高轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷工況可以采用較高的EGR率以降低NOx排放。5.2. EGR率對(duì)PM的影響 圖3 十三工況點(diǎn)EGR前后排氣煙度對(duì)比從圖3可以看出,加入廢氣再循環(huán)后,幾乎使每個(gè)工況點(diǎn)的煙度值都有所上升,特別是中高負(fù)荷點(diǎn)處,上升幅度最大。EGR使缸內(nèi)氧濃度下降,缸內(nèi)缺氧區(qū)域增多,在這些區(qū)域內(nèi)燃料的滯燃期被延長(zhǎng),使該區(qū)域燃料的燃燒不完全,導(dǎo)致碳

6、煙排放升高。6. 海拔對(duì)增壓中冷柴油機(jī)性能、NOx 、PM排放的影響2 圖4 不同海拔下NOx排放量對(duì)比從圖4中可以看出,采用相同的EGR閥開(kāi)度,不同大氣壓力下NOx排放量的變化規(guī)律相類(lèi)似,且與EGR閥全閉情況下NOx排放量的變化規(guī)律相似。隨著海拔升高,大氣壓力降低,可適當(dāng)減小EGR循環(huán)量。7. 提前角對(duì)增壓中冷柴油機(jī)性能、NOx 、PM排放的影響在有限的時(shí)間和試驗(yàn)條件下,暫做了采用EGR前后,提前角分別為6CA、8CA、10CA,轉(zhuǎn)速分別為2200r/min、3200r/min的負(fù)荷特性,測(cè)取了CO、HC、NOx的排放量及碳煙的值,對(duì)比了各種排放物及碳煙的變化規(guī)律。 圖5 不同提前角EGR前

7、后CO升高量對(duì)比曲線總的說(shuō)來(lái),噴油提前角對(duì)CO排放影響效果不大。在小負(fù)荷條件下,因?yàn)楦變?nèi)氣體溫度不高,氧化作用減弱,過(guò)稀不著火區(qū)邊緣附近形成的CO較多。當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)(或空燃比減少,由于氣體溫度增加,使CO的排放量減少。采用EGR后,CO排放比采用EGR前升高,但并未改變CO排放隨柴油機(jī)的負(fù)荷的變化規(guī)律。3 圖6 不同提前角EGR前后HC降低量對(duì)比曲線從圖6所示的HC排放降低量對(duì)比中可以看出,提前角有一定的影響。2200 r/min, 10CA的供油提前角下,采用EGR后,HC排放大體能下降510ppm,而6CA、8CA 的供油提前角下則反而增加510ppm,3200r/min,采用EGR后,隨

8、著供油提前角的增大,HC排放的下降程度增加。 圖7 不同提前角EGR前后NOx降低量對(duì)比曲線正如前面所論述的一樣,推遲噴油提前角是用來(lái)降低NOx排放簡(jiǎn)單有效的措施,從圖7中很明顯的可以看出,采用EGR后,隨著供油提前角的增大,降低NOx的效果越明顯;10CA下采用EGR降低NOx的效果最明顯,而6CA、8CA下采用EGR降低NOx 的效果卻不太顯著。 圖8 不同提前角EGR前后碳煙升高量對(duì)比曲線4從圖8可以看出,2200r/min、3200r/min的各種負(fù)荷下,不同提前角時(shí)采用EGR后煙度值都有所增加。在柴油機(jī)的擴(kuò)散燃燒機(jī)理下,抑制燃燒產(chǎn)物中氮氧化物生成的同時(shí),將會(huì)導(dǎo)致微粒生成量的增加。另外

9、,我們也可看出,煙度變化值與供油提前角間的一些關(guān)系。當(dāng)其它參數(shù)保持不變時(shí),噴油提前角過(guò)大,可能造成微粒排放增加。噴油提前角過(guò)小,遲后噴油,也可能造成排氣煙度增加。8. 冷卻EGR對(duì)增壓中冷柴油機(jī)性能、NOx 、PM排放的影響1 EGR對(duì)進(jìn)氣氣溫度的影響: 圖9 冷、熱EGR對(duì)進(jìn)氣溫度的影響曲線從圖9中可以看出,普通EGR可使進(jìn)氣溫度平均上升35%以上,而冷卻EGR可以保證進(jìn)氣溫度有少量上升。如果EGR率控制的不好,還會(huì)使進(jìn)氣溫度有更大上升,發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)將受到不同程度的影響。試驗(yàn)中為了體現(xiàn)不同EGR溫度下,對(duì)增壓中冷柴油機(jī)煙度及經(jīng)濟(jì)性的影響,選定2200r/min作為研究重點(diǎn),在同樣的E

10、GR率(5%下,進(jìn)行了幾組試驗(yàn)研究,取得如下數(shù)據(jù)曲線對(duì)比圖: 圖10 2200r/min(5%EGR率煙度對(duì)比曲線 圖11 2200r/min(5%EGR率比油耗對(duì)比曲線煙度對(duì)進(jìn)氣溫度的變化十分敏感,從圖3-9中可以看出,冷卻EGR下的煙度在各工況下都有低于普通EGR下的煙度。對(duì)于經(jīng)濟(jì)性的影響,在低負(fù)荷區(qū),普通EGR下,比油耗較冷卻EGR低;但在高負(fù)荷區(qū),普通EGR下,柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性明顯下降,還使燃燒惡化,煙度將明顯增大。9. 最佳EGR率的初步研究由于時(shí)間及試驗(yàn)條件關(guān)系,沒(méi)有進(jìn)一步地深入測(cè)試各項(xiàng)控制參數(shù)的最佳值。僅在試驗(yàn)機(jī)原配置狀態(tài)(油嘴6X0.24噴油壓力24Mpa對(duì)供油提前角為12o C

11、A、大氣壓力為81.4kPa、進(jìn)氣溫度為20下,采用機(jī)械式EGR系統(tǒng),做了從10003200r/min按每次增加100轉(zhuǎn),在每個(gè)轉(zhuǎn)速下負(fù)荷按5%、10%、15%95%、100%進(jìn)行了控制NOx、PM均能達(dá)歐II要求的最佳EGR率初步探索測(cè)試,并繪制了該情況下的最佳EGR 率MAP圖12。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的最佳EGR率控制脈譜,作者認(rèn)為:在柴油機(jī)小負(fù)荷,不必采用較大的EGR率。而隨著柴油機(jī)的負(fù)荷增大,噴油量增加,燃燒溫度升高,使NOx生成量增加。在接近全負(fù)荷時(shí)為了防止產(chǎn)生較多的微粒碳煙排放,保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性,可采用較小的EGR率控制。 圖12 最佳EGR率控制脈譜圖10. 結(jié)論1 增壓

12、中冷柴油機(jī)采用EGR技術(shù)后,渦前壓力降低將導(dǎo)致增壓器放氣閥開(kāi)啟緩慢,進(jìn)氣壓力增大,增大了進(jìn)排氣壓逆差問(wèn)題,有可能出現(xiàn)壓氣機(jī)喘振等不利現(xiàn)象。必要時(shí)需對(duì)增壓器進(jìn)行重新試驗(yàn)匹配。2 在各個(gè)工況采用EGR都會(huì)使增壓中冷柴油機(jī)NOx有所下降,特別是在高負(fù)荷及中等負(fù)荷區(qū)域。但在低負(fù)荷區(qū)域,由于本身所產(chǎn)生的NOx就不高,沒(méi)有必要增加EGR 率。3 在各工況加入EGR都會(huì)使增壓中冷柴油機(jī)碳煙和微粒升高。但從研究結(jié)果來(lái)看,在各轉(zhuǎn)速的中低負(fù)荷工況處,EGR率升高到10%以上時(shí)煙度才有較大的變化。4 EGR也要受到高原環(huán)境的影響,為滿足柴油機(jī)排放要求,不同大氣壓力下的EGR率標(biāo)定必不可少。5 減小供油提前角是用來(lái)降

13、低NOx排放簡(jiǎn)單有效的措施,采用EGR技術(shù)后合理選擇不同工況下的提前角仍然是很重要,這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能標(biāo)定工作量的大小有著決定性的作用。6 冷卻EGR能實(shí)現(xiàn)更高的EGR率,在兼顧柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和其它排放物的前提下,能更加有效地降低NOx。但應(yīng)充分考慮EGR冷卻系統(tǒng)的可靠性及柴油機(jī)本身冷卻系統(tǒng)的能力能否滿足系統(tǒng)要求。7 最佳EGR 率的標(biāo)定,要綜合考慮不同EGR 率對(duì)增壓中冷柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及排放的影響程度,同時(shí)還要兼顧排溫以及對(duì)增壓器的不良影響等。我們可以選擇以降低柴油機(jī)的主要排放物NOx 作為主要控制對(duì)象,兼顧碳煙的生成、HC 、CO 的排放量,在各種大氣環(huán)境下進(jìn)行的全負(fù)荷工況性能

14、排放試驗(yàn),從而選定各工況下最佳的各種控制參數(shù)(如供油提前角、噴油壓力、噴孔直徑、EGR 率等。從而得到各種工況下的運(yùn)行最佳排放量、性能控制參數(shù)MAP 數(shù)據(jù)圖。參考文獻(xiàn)1 2 3 4 5 6 7 8 9 Zelenka 10 11 12 13 14 15 曲明輝,吳良勤,張春潤(rùn).柴油機(jī)NOX 排放控制技術(shù).小型內(nèi)燃機(jī),2001年第2期柴油車(chē)排放污染防治技術(shù)政策.科技標(biāo)準(zhǔn)2003-01-13.謝紹發(fā).汽車(chē)廢氣污染和控制技術(shù).機(jī)械開(kāi)發(fā),廣州廣客汽車(chē)企業(yè)集團(tuán)有限公司.魏春源,張衛(wèi)正,葛蘊(yùn)珊. 高等內(nèi)燃機(jī)學(xué).北京:北京理工大學(xué)出版社,2001.9.P 等.Cooled EGR-a Key Technol

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