重型车用EGR国Ⅲ发动机的性能开发

邱国平，凌建群，步裕方，吕纪斌

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

1 前言

随着我国经济的迅速发展和汽车保有量的高速增长，汽车产业正面临着汽车能源需求与大气环境保护的双重巨大压力。发动机的有害排放物是造成大气污染的一个主要来源，发动机有害排放物对大气造成的危害受到了人们的高度重视，随着环境保护问题重要性的日趋增加，保护生态环境、防止大气污染已成为全球关心的 “热点”，降低发动机有害排放物这一目标已成为当今世界上发动机发展的一个重要方向。开展发动机有害排放物控制方法的研究，是从事发动机设计者的首要任务之一。

2 EGR发动机开发目标

发动机开发目标要求在上柴公司现有的6CL290-2型国Ⅱ柴油机基础上，采用外置式EGR系统，并对燃油系统和增压系统进行优化匹配，使SC9DK290Q3B型重型发动机排放达到国Ⅲ排放法规要求。具体设计开发指标见表1。

3 EGR发动机性能开发方案介绍

EGR（Exhaust Gas Recirculation）即废气再循环系统，通过将发动机排气管中的部分废气引入进气系统，与新鲜的充量空气进行混合，从而使发动机进气充量的性质发生变化，最终影响整个燃烧过程和排放[1]。

D6114系列柴油机是20世纪90年代初国内自主开发成功的具有20世纪80年代末国际水平、国内领先水平的中小功率柴油机，其功率覆盖面广，应用领域宽，涵盖了车用动力、工程机械、电站以及船用主机和辅机等多个领域。为进一步满足国家日益严格的排放法规，该系列发动机以高压喷射和增压 （空－空）中冷技术为核心，采用双挤压涡流燃烧室，改进燃油喷射系统、涡轮增压系统，适当减小供油提前角，使用国Ⅲ标准柴油，并采用冷却EGR技术来改善其排放性能，以达到重型车用发动机国Ⅲ排放的要求。图1为国Ⅲ排放EGR技术路线示意图。

从图1可见，在现有6CL290-2型国Ⅱ柴油机基础上，当采用减小喷油定时，NOx排放降低，此时PM排放上升；又减小喷油器喷孔并提高喷射压力以及适当减小喷油定时，PM排放降低，NOx排放则升高；此时采用冷却EGR技术以及低硫燃油等，发动机性能就可以达到国Ⅲ排放水平。

开发国Ⅲ发动机排放性能有以下几个关键技术： （1）采用冷却EGR技术——降低NOx排放；（2）适当推迟供油提前角——降低NOx排放；（3）采用高压喷射技术 （喷射压力140 MPa）——降低PM排放； （4）降低机油耗——降低PM排放； （5）选择国Ⅲ标准燃油——降低PM排放。

4 EGR发动机系统参数的匹配与控制

下面以SC9DK290Q3B型柴油机排放性能的开发为例来说明。

4.1 燃烧系统

EGR发动机的燃烧室采用双挤压缩口设计，燃烧室口径为66 mm，压缩比为18∶1，其燃烧室结构参数和进气道涡流比与国Ⅱ柴油机相同。

4.2 燃油喷射系统

为了降低发动机颗粒PM的排放，燃油系统采用PZ型高压喷射燃油泵，同时选用7孔、流量系数达0.75～0.87的低惯量喷油器，其喷射压力可达到140～150 MPa，能够较大幅度地降低颗粒排放物的生成。图2为6孔、7孔喷油器在A转速下对NOx加权排放以及烟度的影响。

从图2可以看出，在PZ型喷油泵条件下，选用7孔喷油器，可以提高燃油喷射压力，在NOx加权排放变化不大的前提下，能够较大幅度地降低排气烟度，达到了降低颗粒排放的目的。

4.3 增压系统

增压系统的选配采用上海菱重增压器有限公司的TD07S型增压器，并根据EGR发动机开发要求，在其基本型号的基础上优化压气机几何尺寸，在兼顾发动机高低速性能的同时，适当降低高中速段及部分负荷的增压压力，以优化进排气的压差。对EGR系统来讲，这样就可以增加部分负荷的EGR率，从而降低气缸内的燃烧温度，降低NOx排放污染物的生成。

废气进入气缸的必要条件就是排气压力大于进气压力，图3中Δp为进气压力与排气压力的差值。废气进入气缸，产生EGR作用只在小部分区域 （阴影部分），换言之，ESC排放试验中的13工况点只有一部分工况点可以采用EGR系统，在这里我们只能取7、9、11、12、13这5个排放工况点。由于大部分工况下，增压压力大于排气压力，能够适合采用EGR的工况较少，为了克服以上缺点，有时可以采用可变几何增压器或文丘里管等技术来增加EGR控制工况点和提高EGR率。本文则采用增压器进、排气压差的优化匹配，来提高EGR率，降低NOx排放，使发动机性能达到国Ⅲ排放水平。

4.4 EGR率对NOx排放的影响

EGR系统的任务就是使废气的再循环量在每一个工作点都达到最佳状况，从而使燃烧过程始终处于最理想的状况，最终保证排放物中的污染成分最低。由于废气再循环量的改变可能会对不同的污染成分产生截然相反的影响，因此所谓的最佳状况往往是一种折衷方案，使相关污染物的总排放达到最佳。比方说，尽管提高废气再循环量对减少氮氧化物NOx的排放有积极的影响，但同时也会对颗粒物PM以及其他污染成分的排放产生消极的影响。

图4为EGR率对NOx排放的影响，试验表明，使用普通的增压系统，所达到的EGR率是很有限的，EGR率可达8～10%，但是对NOx的抑制作用仍然十分明显，图4是C转速下部分负荷时EGR率对加权NOx排放和烟度的影响。由图3可知，加权NOx排放随EGR率越大而减小，烟度（颗粒）则随EGR率增大而增大，且EGR率的大小取决于排压与增压的压差及EGR阀的开度。

4.5 EGR发动机排放性能综合匹配试验

在满足国Ⅲ限值的SC9DK290Q3B发动机的排放性能研究中，当经过上述各种措施系统匹配控制试验后，发动机的一些主要分系统以及一些主要参数的匹配研究是达到国Ⅲ性能排放的关键。此时发动机已处于一种在NOx排放和PM排放之间左右摆动的状态，但是，在NOx排放、PM排放、燃油经济性、排气温度以及增压器效率之间存在的比较复杂的相互关系以及各主要参数的匹配与控制等，需要在匹配研究中加以解决。

上述试验表明，提高喷射压力，缩小喷孔，有助于颗粒物 (PM)的降低；通过减小涡轮通流面积来适当增大排气压力，有助于EGR率的增加，但过大的排气压力会对新鲜空气顺利进入气缸产生不利影响，导致性能急剧恶化，发动机油耗和排温升高，故增压器的选配应取排放和性能折衷的结果，并应兼顾发动机高低速性能；适当推迟喷油正时，可以在很大程度上抑制NOx的生成，但会对颗粒物的产生有所增加，同时推迟喷油正时，致使柴油机性能恶化，颗粒排放增加的同时也对新鲜空气和废气组成产生影响，间接改变了EGR率及燃料的燃烧性能；使用国Ⅲ燃油，可以较明显地减少颗粒物的生成。

本文论述的重型车用SC9DK290Q3B发动机，其性能达到开发目标，发动机排放达到GB17691-2005国Ⅲ车用柴油机排放标准，经检测机构认证的试验结果见表3。

同时SC9DK290Q3B型发动机，已通过了1 500 h变工况耐久试验。试验结果证明，EGR发动机采用新的燃油系统、增压系统以及EGR系统后，发动机的可靠性良好，其可靠性与国Ⅱ发动机相当。

5 结束语

本文针对6CL290-2国Ⅱ排放柴油机进行了国Ⅲ排放的升级开发，通过燃油系统、增压系统等改进，采用简单冷却的EGR系统，并进行了排放的优化匹配试验，最终达到柴油机国Ⅲ排放升级的目标。升级后的SC9DK290Q3B柴油机通过了ESC、ETC、ELR、加速烟度等国家检测中心的排放检测，满足了国Ⅲ排放要求。

1虞展.国Ⅲ柴油机电控燃油系统技术路线角逐与前景 [J].汽车与配件，2009.2.11.

2邱国平，凌建群，步裕方，吕纪斌，实用新型专利：传统柴油机废气再循环系统控制装置，申请号：200920076162.4.