不同海拔下EGR对轻型柴油机性能和排放的影响

王俊，申立中，毕玉华，雷基林

(1.西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650224；
2.昆明理工大学云南省内燃机重点实验室，云南 昆明 650500)

试验室排放认证测试循环与实际道路行驶排放(RDE)差别较大[1-3]，特别是氮氧化物(NOx)排放，其测量值是RDE的数倍[4-6]。我国轻型车第六阶段排放标准中还规定了不同海拔下RDE的排放限值。研究表明，柴油机的NOx排放随海拔的变化并不呈现一定的规律[7-10]，但是高原地区柴油车实际道路排放的NOx排放仍高于排放标准中的限值[11]。

废气再循环(EGR)是降低NOx排放的有效措施之一，现有关于EGR对柴油机性能、燃烧以及排放的影响研究多数都集中在平原地区[12-17]。高原地区进气流量降低，柴油机使用EGR将进一步恶化其高原运行性能。刘伟等[18]的仿真表明，高原地区3 000 r/min时，EGR对中小负荷的经济性影响较小，NOx排放随EGR率的增大迅速减少，而EGR率较高时，炭烟排放急剧升高。郑伟等[19-20]通过大气压力模拟装置初步研究了80 kPa和100 kPa大气压力下EGR对某柴油机经济性和烟度的影响，结果表明，高原地区即使在小负荷工况，EGR对烟度的影响也很大。张韦等[21]研究了海拔2 000 m的高原环境下EGR中各组分对柴油机性能的影响，结果显示，高原地区EGR的适用范围变窄，EGR对炭烟排放更为敏感。毕玉华等[22]在81 kPa和100 kPa的大气压力下研究了EGR对柴油机燃用含氧燃料时性能和排放的影响，结果表明，高原环境下使用EGR恶化了柴油机燃用含氧燃料的动力性，而对经济性的影响较小；
使用EGR时，NOx排放降低，CO排放和炭烟升高。高原环境下使用EGR技术虽然会对柴油机产生诸多不利影响，但其仍然能够有效降低NOx排放[23]，加之国六排放法规的实施，迫使人们重新考虑使用该技术来降低NOx排放。关于高原地区柴油机使用EGR对排放性能的影响研究相对较少，为此，采用海拔模拟装置，试验研究0 m，1 000 m以及1 960 m海拔下EGR对某轻型车用柴油机性能和排放的影响，为高原地区柴油机使用EGR技术提供参考依据。

研究机型为一台匹配高压EGR系统的车用高速直喷柴油机，基本参数如表1所示。试验设备主要有奕科WE31N水力测功机、FCMA油耗仪、EIM0311D测控系统，同圆LFE300进气流量计与KT2400发动机进气调节系统，AVL SESAM i60 FT傅里叶红外光谱仪和415 S烟度计，ETAS ES590.1接口硬件与IncaCOM v7.1电控标定软件，博世开发式电子控制单元(ECU)等。

表1 发动机基本设计参数

试验地点的海拔为1 960 m，为模拟更低的海拔，采用KT2400发动机进气调节系统并调节排气背压阀开度，分别模拟0 m和1 000 m时的大气环境。为防止进排气脉动对试验测试的影响，在柴油机的进排气端分别安装相应的稳压装置。台架布置示意图见图1，台架实物图见图2。

图1 台架布置示意

图2 台架实物图

试验过程中，通过电控标定系统改变EGR阀开度得到不同的EGR率，其余标定参数保持不变，待柴油机工况稳定之后，记录相应的测试数据。利用SESAM i60 FT傅里叶红外光谱仪分别测量进排气的CO2浓度，通过计算得到相应的EGR率。选取最大扭矩工况和标定功率工况研究不同海拔下EGR对该柴油机性能和排放的影响。

2.1 不同海拔下EGR率随EGR阀开度的变化

图3示出同海拔下EGR率随EGR阀开度的变化。由图3可见：随着EGR阀开度的增大，EGR率开始急剧增大然后趋于平缓；
相同EGR开度下，随着海拔的升高，EGR率逐渐降低。在全负荷工况下，即使EGR阀全开，EGR率仍然相对较小。在EGR阀开度较小时，排气歧管与进气歧管压差(如图4所示)相对较大，驱动EGR的能力较强。随着EGR阀开度逐渐增大，压差逐渐减小，驱动EGR的能力也逐渐减弱。随着海拔升高，进气流量降低，在保证正常燃烧的情况下，容忍EGR的能力减弱，因而高原地区的EGR率较小。

图3 不同海拔下EGR率随EGR阀开度的变化

图4 不同海拔下排气歧管与进气歧管压差随EGR阀开度的变化

2.2 不同海拔下EGR率对扭矩的影响

图5示出不同海拔下EGR阀开度对扭矩的影响。从图5可以看出：随着EGR率的增大，扭矩逐渐降低，在EGR率较大时，高海拔扭矩降幅较大；
相同EGR率下，扭矩随着海拔的升高而降低。随着EGR率的增大，缸内氧含量降低，燃烧恶化，EGR率进一步增大，缸内可燃混合气质量也大幅下降，燃烧恶化加剧，柴油机做功能力也大幅降低，因而扭矩降幅较大。高海拔地区，缸内氧含量的减少进一步恶化了燃烧，因而动力性降幅更大。

图5 不同海拔下EGR率对扭矩的影响

2.3 不同海拔下EGR率对有效燃油消耗率的影响

不同海拔下EGR率对经济性的影响见图6。随着EGR率的升高，有效燃油消耗率逐渐升高，经济性变差，高原地区的经济性恶化程度相对更大；
相同EGR率下，有效燃油消耗率随着海拔的升高而升高。缸内氧含量随着EGR率的增大而降低，可燃混合气的数量减少、质量也下降，燃烧效率降低，因而油耗升高。海拔升高进一步加剧了上述现象，因而经济性较差。

图6 不同海拔下EGR率对有效燃油消耗率的影响

2.4 不同海拔下EGR率对排放的影响

图7示出不同海拔下EGR率对NOx比排放的影响。随着EGR率的升高，NOx比排放几乎呈直线下降，由此可见，不同海拔下，EGR仍能够大幅降低NOx排放；
相同EGR率下，NOx比排放随着海拔的升高而降低。EGR的引入使得NOx生成的高温富氧环境遭到破坏，因而NOx排放大幅减小。海拔升高对NOx生成有两方面影响：一方面，缸内氧含量减少，抑制了NOx的生成；
另一方面，缸内燃烧温度随着海拔的升高而升高[24-25]，有利于NOx的生成。全负荷工况下，缸内燃烧温度相对较高，氧含量对NOx的生成起主导作用，因而高海拔的NOx排放较少。

图7 不同海拔下EGR率对NOx比排放的影响

不同海拔下EGR率对CO比排放的影响见图8。随着EGR率的升高，CO比排放呈现先缓慢增加后急剧升高的现象；
相同EGR率下，CO比排放随海拔的升高而升高。随着EGR率的升高，氧含量减少，使得混合气质量下降，不完全燃烧的概率增大，同时氧含量和缸内燃烧温度的降低也不利于CO的氧化，因而CO排放增多。海拔升高，虽然缸内燃烧温度升高有利于CO的后期氧化，但全负荷工况下氧含量的减少使得缸内过浓混合气区域进一步增多，CO生成加剧。

图8 不同海拔下EGR率对CO比排放的影响

图9示出不同海拔下EGR率对烟度的影响。随着EGR率的升高，烟度急剧升高，高海拔的烟度恶化程度更为严重；
相同EGR率下，烟度也随海拔的升高而升高。EGR率增大，缸内缺氧的区域增多，同时含氧量减少也抑制了炭烟的后期氧化，因而烟度急剧升高。海拔升高进一步促进了高温缺氧的环境，因而高海拔的烟度更大。

图9 不同海拔下EGR率对烟度的影响

a) 相同EGR阀开度下，EGR率随着海拔的升高而降低，高原地区EGR率的容忍能力减小；

b) 不同海拔下，柴油机动力性随着EGR率的升高而逐渐降低，高海拔的动力性降幅更大；
有效燃油消耗率随着EGR率的升高而升高，经济性变差；
与经济性相比，高原地区EGR对动力性的影响更大；

c) 不同海拔下，随着EGR率的升高，NOx比排放呈直线下降的趋势，而CO比排放和烟度升高；
与平原地区相比，高原环境下CO比排放和烟度对EGR更为敏感。

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