一种满足欧Ⅵ排放的EGR燃烧技术研究

陈伟建，李冀，涂志涛，张辉亚，向辉（东风商用车有限公司发动机部，武汉 430056）

一种满足欧Ⅵ排放的EGR燃烧技术研究

陈伟建，李冀，涂志涛，张辉亚，向辉
（东风商用车有限公司发动机部，武汉 430056）

为满足欧Ⅵ排放法规，本文首先分析了欧Ⅵ主流的技术路线的优缺点，并选择了一种比较稳妥的技术路线进行研究，同时确认了发动机本体排放开发目标。然后在一台重型共轨柴油机基础上采用了一种冷却EGR、高喷射压力（最高喷射压力2500bar）以及可变截面增压（VGT）的燃烧技术进行试验研究。结果表明，通过正交优化VGT和EGR阀位置开度可以有效实现最佳EGR率和空燃比控制，显著降低NOx排放；采用关键正交组合优化方法，确认了最佳油嘴和喷油器垫片的组合；高喷射压力技术可以有效改善NOx和PM的折衷关系，同时改善了燃油经济性。在燃烧系统优化的基础上，最终WHSC的测试结果满足了发动机本体排放开发目标，最低比油耗达到了188 g/kW.h。试验结果说明该路线具备满足欧Ⅵ排放的潜力同时又具有较好的燃油经济性。

重型柴油机；欧Ⅵ；EGR；VGT；高压共轨燃油系统

陈伟建

毕业于华中科技大学，大学本科学历，现任东风商用车技术中心主管工程师，主要研究方向：柴油机整机开发及燃烧技术。

1　背景

严格的排放法规对柴油机排放技术提出了日益严峻的挑战。我国排放法规同国际接轨的步伐正在加快。目前我国正在制定六阶段的标准，预计2016年完成。因我国等效采用欧洲排放法规体系，因此，预估国Ⅵ排放的限值和欧Ⅵ保持一致。为了适应未来排放法规和市场需求，需要提前研究柴油机满足欧Ⅵ排放的技术可行性。

对于重型柴油机满足欧Ⅵ排放标准，目前欧洲主流的技术路线有两种：

一是冷却EGR+DOC+DPF+SCR技术路线，其技术途经是通过冷却EGR降低部分发动机本体NOx排放，然后再采用DOC+DPF+SCR后处理技术进一步降低NOx排放和颗粒排放。该技术路线的优点是：采用的EGR率比较适中，一般全负荷最大EGR率控制在12-20%，这样对SCR后处理的转化效率要求不高（通常只需90～92%的效率），尿素消耗率也较低（一般控制在2～3%），对发动机综合燃油经济性影响小。另外，这种路线对发动机本体排放的生产一致性要求也不高。但这种路线一般都需要较好发动机基础。

二是DOC+DPF+SCR技术路线。其技术路径是通过燃烧优化使颗粒排放控制在合适水平，然后通过DOC+DPF+SCR后处理进一步处理。这种路线对本机的硬件要求不高，但需要非常高的SCR转化效率（96～99%）、复杂的SCR闭环控制系统和较高的尿素消耗率（6～10%）。另外，由于采用的非常高的SCR转化效率，其对发动机本体排放的生产一致性要求非常严格。

因此，冷却EGR技术路线是当前一种实现欧VI排放比较稳妥的技术。本研究选择冷却EGR技术路线。

2　开发目标

欧VI排放研究一般需要分为机内净化和机外后处理，本研究第一阶段只考虑柴油机的本体稳态排放达成开发目标即可（不考虑后处理开发）。根据冷却EGR技术路线分析，发动机的本体关键参数以及排放目标设定见表1，其目的减轻对高效SCR后处理的依赖以及给改善发动机的经济性。

表1　发动机参数以及开发目标

3　试验分析

3.1发动机测试设备

主要测试设备见表2，测试的关键控制边界见表3：

表2　测试设备

表3　测试控制边界

3.2VGT和EGR对发动机性能和排放影响

对于重型柴油机来说，可变截面增压器的匹配重点在于可兼顾各工况所需的EGR率、最低空燃比（≥20）以及较小的泵气损失。

由于EGR阀和VGT均可以通过位置开度调节实现不同的EGR率，故需要研究关键工况点EGR阀位置和VGT位置对EGR率和空燃比的影响规律。中低速高负荷工况一般实现大EGR率比较困难，因此，选择1200r/min全负荷作为是增压器匹配的关键工况点。图1为该工况点EGR阀和VGT位置开度对EGR率影响规律。

其中，横坐标VGT位置开度的数值越大，表示增压器涡轮的流通面积越小，驱动EGR能力越强。纵坐标EGR阀的位置开度的数值越大，EGR阀的流通面积越小。

图1a表明，EGR率随着VGT的开度增大而增大，说明VGT有较强的EGR率驱动能力，在此工况可以实现22%以上的EGR率，足以满足开发需求；图1b表明，EGR率随着EGR阀位置开度增大而增大，但当EGR阀位置开度大于50%以上时，EGR率变化很小，系统的稳定性较好；图1c表明，排气与进气的压力差随着EGR阀开度增大而减小，而排气与进气的压力差越小意味着发动机的泵气损失越小，对该燃油经济性有利。以上说明，采用VGT可以有效形成EGR循环，调节VGT位置开度可以有效控制EGR率；调节EGR阀位置开度可以有效控制进气和排气压力差。

图2给出了EGR率对空燃比、NOx和烟度的影响规律。图2a中空燃比随着EGR率增加出现了先平缓上升然后快速下降的变化规律，这表明EGR率从0到17%范围内，采用VGT实现中等EGR率的同时可以较好的控制空燃比。图2b表明，EGR率从0到17%范围内，烟度随着EGR率增大，其排放变化比较平缓，这种显著优点说明VGT在实现EGR率的同时可以保持较好的颗粒排放；图3c表明，EGR率可以有效降低NOx排放，这是因为EGR率增大将导致缸内燃烧温度下降从而抑制了NOx的上升。

3.3喷油器选型

本次试验研究，提供了4种喷油器（表4）。喷油器选型的工况需体现发动机的运行特点，应包括低速小负荷、中速中负荷以及高速高负荷工况。因此，选择了3个典型工况点进行匹配（1200r/min，25%负荷；1500r/min，50%负荷和1800r/min，100%负荷）。在上述工况点下，对轨压和喷油正时进行组合对比试验，试验结果如图3，图4，图5。

表4　喷油器参数设置

描述喷油器的关键特征参数为喷油器的流量、喷油器的孔数以及喷雾锥角，喷油器孔数主要影响油雾的空间分配，喷油器孔数多则在圆周方向油雾更加均匀；喷油器流量大则在相同喷射压力下油束更易穿透。但孔数过多，也可能造成局部油束叠加影响燃烧。对这两个参数，需要多的工况对比。喷油器选型主要通过对轨压和正时进行扫点，判断各项性能参数的差异，然后从性能参数上选取最佳的匹配喷油器。

图3表明，低速低负荷工况，A喷油器具有更好的BSFC、BSPM折衷关系，但B喷油器的BSFC和BSPM随着NOx变化比较平缓，具有好的鲁棒性。

图4表明，中速中负荷工况，A喷油器和B喷油器具有更好的BSFC折衷关系，且两条曲线基本重合。但B喷油器的BSPM随着NOx变化比较平缓，具有好的鲁棒性。

图5表明，高速高负荷工况，A喷油器、B喷油器和C喷油器具有更好的BSFC折衷关系，且三条曲线基本重合。但B喷油器的BSPM随着NOx变化比较平缓，具有好的鲁棒性。

以上数据表明，B喷油器在三种工况中都具有较好的鲁棒性。最终选择油喷油器B，做为后续研究工作的开发基础。

3.4喷射压力对性能和排放的影响

喷射压力对柴油机性能和排放的影响主要来自对混合气形成的作用。提高喷射压力相当于增加了燃油的喷射能量，使喷雾的索特平均直径变小，喷雾更加细化，喷雾在燃烧室的空间占有率更大，同时也加速了扩散燃烧期内的油气混合，使扩散燃烧速度明显提高。

为了满足具有竞争力的欧VI排放，本研究研究了关键工况点的烟度、NOx、燃油经济性随喷射压力变化（1800bar到2500bar）的作用规律。

选择发动机典型工况点（1500r/min，100%工况；1800r/min，100%工况）研究喷射压力对颗粒排放和燃油经济性的影响规律。

图6（a）、图7（a）试验结果表明：在相同喷射压力下随着EGR率的增加，烟度呈现恶化趋势，这是因为EGR率增加导致空燃比下降，同时缸内燃烧温度下降也对碳烟氧化不利；EGR率在15%-20%，喷射压力在2000-2500bar，该区域烟度随着EGR率增加变化不明感，同时所对应的油耗变化也不敏感（图6（b）、图7（b））；随着EGR率增加，喷射压力越高，烟度突变的拐点越靠后。

在相同EGR率下喷射压力越高经济性越好（图6b，图7b），这是因为高喷射压力可以使喷雾更加细化，有效改善油气混合，提高了燃油经济性，但NOx也有所增加（图6c，图7c）。因此，并不是每个工况点喷射压力越高越好，根据实际需求综合平衡NOx、烟度以及BSFC。

总体来说，中高速高适合使用较高喷喷射压力（大于2000bar以上），可以在降低排放的同时有效兼顾燃油经济性，低速工况喷射压力控制在2000bar以下比较合适。

3.5整机测试结果

图8为发动机EGR率万有特性的最终试验结果。外特性工况EGR率保持在10%～20%（部分负荷会更大）；外特性最低空燃比均大于21（图9）；高速大负荷区域最高喷射压力达到了2500bar（图10）。

VGT增压比相对原固定节目增压器（中冷后进气表压与环境压力之比）增加了18%，最高达到了2.5（图11）。这导致了整机的最大缸内爆发压力达到了196bar，这需要发动机本体具备较好的承载基础。

WHSC工况加权NOx为3.7 g/kW.h，WHSC工况加权PM为0.04 g/kW.h（表5），满足本体开发目标。

发动机本体WHSC工况加权油耗202g/kW.h（表7），最低比油耗达到了188 g/kW.h，经济性的改善得益于高效燃烧技术的应用。另外，由于欧VI排放需要使用SCR技术，这将导致消耗额外的尿素，因此，需要将尿素折合成燃油计算发动机综合燃油经济性。图12对比了不同的尿素与柴油价格比对整机综合燃油经济性影响，结果表明：尿素与燃油价格比从0.25到1，整机本体NOx排放在3-4g/kw.h可以获得整机最佳综合燃油经济性，说明本次开发目标可以较好的适应市场变化需求；随着尿素与燃油价格比减小，整机本体NOx排放越大，综合燃油经济性越好。

表5　最终WHSC测试结果（单位：g/kW.h）

4　结 论

1）采用可变截面增压（VGT）和电控EGR阀可以有效控制EGR率，显著降低NOx排放以及实现合理空燃比。

2）为了适应冷却EGR和高喷射压力高效燃烧，匹配小流量、多孔、大锥角喷油器具有较好的优势，可以有效改善NOX和烟度的折衷关系。

3）提高喷射压力可以有效改善NOX和烟度的折衷关系；可以显著降低因EGR率增加导致燃油经济性恶化带来的的负面影响。

4）由于应用了EGR和较高的增压比，使得最高爆压达到了196bar，需要对发动机基础部件进行强化，提高发动机本体可靠性。

5）最终的WHSC排放测试结果满足了开发目标，燃油经济性具有较强的竞争优势。这表明，采用冷却EGR、可变增压以及高喷射压力燃烧技术具备满足欧Ⅵ排放的能力。

［1］刘江唯. 国IV阶段应用EGR技术的可行性［C］. 中国内燃机学会燃烧节能净化分会2011年学术年会暨973项目年度工作会议论文集［A］.

［2］郑尊清，尧命发，高俊华等. 采用VNT/EGR和DOC降低柴油机排放的试验. 《内燃机学报》，2010，04期：289-296.

［3］Madhushankar Palanisamy，Jeffrey Lorch，Russell J. Truemner，et al. Combustion Characteristics of a 3000 Bar Diesel Fuel System on a Single Cylinder Research Engine. SAE Paper 2015-09-29，2015.

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［6］解茂昭. 内燃机计算燃烧学. 大连： 大连理工大学出版社，2005.

［7］王建盺，帅石金. 汽车发动机原理. 北京： 清华大学出版社，2012.

专家推荐

龙永生：

随着排放法规越来越严，对改善发动机排放技术的研究会越来越受到关注。本文通过分析欧Ⅵ主流技术路线的优缺点。并选择其中一种技术路线进行研究，在一台重型共轨柴油机的基础上通过采用冷却EGR、高喷射压力（最高喷射压力250MPa）以及可变截面增压（VGT）的燃烧技术进行试验研究。结果表明这些措施具备满足欧Ⅵ排放同时又具有较好的燃油经济性的潜力。

文章已针对之前提出的问题进行修改，并得出EGR率对空燃比、NOx和烟度的影响规律。即：随着EGR率增加空燃比会出现先平缓上升然后快速下降的变化规律，表明EGR率从0到17%范围内，采用VGT实现中等EGR率的同时可以较好的控制空燃比；当EGR率从0到17%范围内变化时，随着EGR率增大，烟度排放变化比较平缓，这种显著优点说明VGT在实现EGR率的同时可以保持较好的颗粒排放；随着EGR率增大将会导致缸内燃烧温度下降从而抑制了NOx的上升，因此EGR率可以有效降低NOx排放…等。

以上结论对企业解决排放问题有一定的指导意义，同意发表。

Research on Diesel engine EGR Combustion Technology for Conforming to Euro Ⅵ Standard

CHEN Wei-jian，LI Ji，TU Zhi-tao，ZHANG Hui-ya，XIANG Hui
（DongFeng Commercial Vehicle Co.，LTD.，the Engine Department Wuhan 430056，China）

To meet Euro-Ⅵ standard，firstly，current Euro-Ⅵ technology road map were analyzed anda Reliable technology was choosed for research. Also Based engine emission target was setting. Then，a combustion technology research on reduction emission by cooling EGR system，variable geometry turbocharger（VGT）and high injection pressure system was conducted by a heavy-duty common rail diesel engine. Results show that EGR ratio and air/fuel ratio can be best controlled by an orthogonal optimization method for adjusting EGR valve position and VGT position. An orthogonal optimization method also was used for choosing best injector and gasket. Increasing injection pressure can effectively improve the trade-off relationship between NOx and smoke emission，also fuel economy was improved. Base on optimization combustion system，WHSC test results shows that emissions can meet development target and best BSFC can reach 188 （g/kW.h）. It shows that this combustion technology has great potential for meeting Euro-Ⅵ standard and better fuel economy.

heavy-duty diesel engine； EURO Ⅵ； EGR； VGT；HPCR

2016-02-18

TK427

A

1005-2550（2016）04-0007-07

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.04.001