高低压EGR及喷射策略对柴油机排放影响的试验研究

苏博浩　刘占强　张春辉　屈　伟　邬偌青　王一望　田海洋

（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

高低压EGR及喷射策略对柴油机排放影响的试验研究

苏博浩1,2刘占强1,2张春辉1,2屈伟1,2邬偌青1,2王一望1,2田海洋1,2

（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

在一台两级增压高压共轨柴油机上，综合运用高压废气再循环（HP-EGR）和低压废气再循环（LP-EGR）及喷射策略等手段研究了低温燃烧模式下对燃烧、性能和排放的影响。为了降低NOx排放，采用高低压EGR结合和推迟喷射时刻的策略，研究了低温燃烧（LTC）的燃烧和排放特征，并且与传统燃烧模式进行了对比；研究了不同EGR率、喷射时刻和喷射压力对低温燃烧和排放的影响规律。研究表明：采用中等EGR率，结合延长滞燃期的方式能在中低负荷范围内实现低温燃烧。低温燃烧缸内压力峰值显著下降，放热率的开始时刻明显推迟，滞燃期增长，有利于燃料和空气的混合。低温燃烧下，NOx排放随着喷射时刻的推迟而下降，烟度随着喷射时刻的推迟出现先上升后下降的趋势，实现了NOx排放和烟度同时下降。NOx排放随着喷射压力的提高而升高，烟度、HC和CO排放随着喷射压力的提高而下降。

柴油机两级增压废气再循环喷射策略低温燃烧

引言

在柴油机传统燃烧技术优化过程中，往往都存在着NOx-Soot折衷关系。因此，理论上我们可以通过减少浓混合气的量，使碳烟（soot）的生成减少，增大稀混合气比重，控制上止点附近着火，降低局部火焰温度和燃烧室平均温度，缩短高温持续时间，减少NOx的生成。但是排放法规的日益严格使得这样做远不能达到要求，还需要其它技术的支持或者更好更成熟的燃烧理论。目前，为了同时减少NOx和碳烟的排放，需要通过使用微粒捕集器（DPF）或微粒氧化器（DOC）来降低微粒排放，或者使用选择性催化还原装置（SCR）来降低NOx的排放量。然而采用尾气后处理技术带来了成本、装车所需空间、安全、耐久性以及配套基础建设等诸多难题。因此，迫切需要发动机机内净化物排放，从而减少对后处理装置的依赖。

近年来，发动机机内净化技术主要有以下几个方面：1.燃烧室优化。2.燃油喷射系统优化（高压和多次喷射等不同喷油规律）。3.进气系统优化（多气门、增压和进气道优化设计等）。4.废气再循环（EGR）。5.可变技术（可变气门驱动和可变涡轮截面等）。6.新型燃烧理论。

近年来，国内外提出的柴油机新型燃烧方式本质上有一个共同的主要特征，就是采用废气再循环延长滞燃期，使燃料的预混更充分，同时降低氧浓度，降低燃烧放热从而降低燃烧温度，使柴油机实现“均质预混合低温燃烧”。图2-2所示的Φ-T图体现了避开碳烟和NOx生成区域和优化燃烧过程的潜力，其核心思想是通过降低燃烧温度和组织适当浓度的混合气来避开碳烟和NOx排放生成区域，同时通过采用合理组织燃烧过程等措施获得与传统柴油机相当或更高的热效率。因而EGR是实现新型燃烧方式的重要手段。

1　试验装置

试验发动机为排量2.0 L的直喷增压柴油机，其主要技术参数见表1。供油系统为Delphi高压共轨系统，系统压力为20 MPa。燃烧系统采用中置式喷油器，应用均质燃烧模式。

试验在配置有冷却水恒温系统和燃油恒温系统的AVL电力测功机试验台上进行，发动机进排气侧、冷却系统和燃油系统均安装有压力和温度传感器，试验设备见图1。试验过程中，INCA7.0.0通过ETAS ES590连接ECU来调节发动机参数；燃油消耗量由AVL735S油耗仪测量；烟度由AVL 439全自动滤纸式烟度计测量，单位为%。

表1　发动机主要技术参数

图1　试验设备布置

图1中LPEGR率测点位于中冷器前，压气机后；总EGR率测点位于进气歧管。为了测试放热率，发动机的4个气缸均安装有缸压传感器，缸压信号通过AVL-Indicom燃烧分析仪处理和计算后，在与Indicom相连的PC上显示缸压曲线。

2　排放控制机理

2.1低温燃烧概念［1-2］

图2显示了同时降低PM、NOx燃烧模式与传统柴油机燃烧模式放热率对比，从中可以看出，决定PM、NOx排放主要为放热率参数，其特征指标有：放热率峰值及其对应的曲轴转角、放热率重心及其对应的曲轴转角、燃烧始点、燃烧持续期等。传统柴油机燃烧模式为双峰放热型，其中放热率第一峰值越高、越靠近上止点则NOx生成越剧烈；第二个峰值越低、越远离上止点则燃烧持续期越长，PM生成量越多；图中也给出了同时控制NOx和PM排放的放热率模式，并指出降低第一峰值可以降低NOx排放，缩短燃烧持续期可降低PM排放。此放热率模式是近十几年来优化柴油机燃烧的重要理论基础之一，在科研及工程设计中得到了广泛的应用。

图2　同时降低PM、NOx燃烧模式与传统柴油机燃烧模式放热率对比

近些年，低温燃烧（LTC）概念的提出，为解决柴油机NOx和PM排放之间此消彼长的问题提供了有效途径。在当量比小于2的情况下，不论温度如何，燃烧都避开了碳烟的主要生成区域，碳烟排放较低。如果局部燃烧温度在2 200 K以下，燃烧将避开NOx排放的主要生成区域，NOx也会大量下降；在当量比大于2的情况下，为了避开碳烟的主要生成区域，最高温度需要进一步降低。如果燃烧温度可以保持在低于1 650 K的水平，无论当量比如何，燃烧都可以完全避开NOx和碳烟的主要生成区域，这种模式就是低温燃烧，如图3所示。与传统直喷式柴油机的燃烧相比，低温燃烧模式通常采用大量的EGR来降低燃烧温度，或者增加燃烧前的油气混合来降低当量比。由空气或EGR稀释后的混合气使燃烧温度降低，燃烧过程向低温方向移动，从而减少NOx的生成。油气混合的改善减少了局部过浓的区域，降低了当量比，从而减少了碳烟的生成。同时，稀薄的混合气也有利于抑制碳烟的生成。因此，低温燃烧能同时降低柴油机的NOx和PM排放。

图3　低温燃烧概念

加入EGR后燃烧反应基团向低温区域移动，即回流废气的高热容性使燃烧温度降低，燃烧基团远离了NOx生成区域；尽管EGR具有改善油气混合的效能（滞燃期长），但加入EGR后的燃烧基团更靠近碳烟生成区域，说明碳烟的生成取决于混合和燃烧的速度比，只有在燃烧滞后且提高油气混合速率的前提下才可能避开碳烟生成区。

2.2喷射策略对低温燃烧的影响

现在电控高压共轨发动机系统的快速发展和迅速应用，为发动机在一个循环内多次喷射提供了可能。多次喷射策略，通常采用喷射次数结合不同的喷射时刻以及喷射量，从而改善燃料在缸内的雾化效果，尤其在中高负荷。因此，多次喷射策略有利于低温燃烧在中高负荷的实现。研究表明：采用EGR和喷射时刻相结合［3］的方式，可以较为方便地实现低温燃烧。在多次喷射低温燃烧试验中，推迟滞燃期是实现低温燃烧的关键，由于燃烧时刻推迟，缸内燃烧温度较低，形成了较长的滞燃期，燃料喷入温度较低的区域，不利于燃料的裂解，从而抑制了碳烟的生成。

本文首先通过采用中等EGR率，降低了燃烧温度，从而大幅度降低了NOx排放，并能保证大负荷的需求。

其次是通过采用两次预喷的控制策略，延长了整体燃烧进程，为燃油和空气提供了充足的混合时间以保证在燃烧前形成均质混合。第二次预喷形成的蒸发冷却作用加上精准的喷油正时控制能够抑制第一次预喷形成的自燃。这样，在一个燃烧循环内（即在上止点之后5°CA内）能够利用所有燃油来达到一个PCCI的燃烧模式［4］。试验表明，这种喷射策略与传统燃烧模式相比，能使NOx和PM降低一个数量级，并且噪声也有很大程度降低。图4所示为单次预喷，从ROHR（放热率）曲线上可以看出预喷会形成LTR（冷焰反应）［5］，从放热率曲线上表现出来的是有一个向上的突起，又称低温反应。图5所示是2次预喷。图4所示一次预喷的目的是找出预喷后形成的LTR反应的具体位置，紧接着就需要精确控制图5所示加入第二次预喷的位置（喷油正时）。第二次预喷正时如果在第一次预喷形成的LTR反应之后，第一次预喷的放热会变得迅猛并且很明显会压倒第二次预喷形成的燃油蒸发冷却作用。但是相同的第二次预喷油量，如果在第一次预喷形成的LTR反应之前5°CA曲轴转角喷入，整体的燃烧进程会有一个很长的延迟，这样就可以把整体的燃烧放热反应推迟到上止点后的一个时刻，有利于降低NOx和PM排放及燃烧噪声的降低。

图5　两次预喷射（第二次预喷在LTR之前）

3　试验过程及结果分析

3.1EGR对柴油机性能和排放的影响

通过调整EGR阀开度，调节EGR率，测试发动机的各性能参数随着EGR率的变化规律。试验工况点为1 600 r/min、25%负荷、100MPa轨压，EGR率分别为0.69%、1.79%、5%、7.5%、10.3%和12.3%。试验结果如图6和图7所示。可以看到，随着EGR率增大，NOx单调降低，而且降幅明显。相对于无EGR工况，EGR率为12.3%时，NOx比排放量降低了约66%。可见，采用小EGR率即可大幅度降低NOx排放。随着EGR率增大，烟度和比油耗基本上呈单调上升的趋势。从图6和图7可以看到，虽然消光烟度随EGR率增加而增大，但在5%EGR率以内，烟度上升缓慢，比油耗增加也不多，但NOx下降显著。因此如果从综合控制排放的角度［6］进行优化，在中等转速和中等负荷时，EGR率应该控制在5%以内。比油耗急剧增加的拐点在EGR率10%左右，此时NOx下降了近58%，但烟度已经超过了10%。因此如果以降低NOx为目标，同时兼顾经济性，EGR率应控制在10%以内。不过此时，需要采取有效措施降低烟度。

图6　NOx和烟度随EGR率的变化结果

图7　比油耗随EGR率的变化结果

3.2EGR对发动机放热率的影响

研究利用低压EGR系统分析了EGR率对燃烧过程的影响规律，试验结果见图8和图9，转速为1 600 r/min，不同负荷下（原机预、主喷MAP）EGR率对燃烧过程影响的对比。

图8　25%负荷EGR率对燃烧过程的影响

图9　75%负荷EGR率对燃烧过程的影响

小负荷工况下，随着EGR率的增大，燃烧滞燃期增长，燃烧始点明显后移，更有利于均质混合气的形成，特别是在超过12%EGR率后，燃烧放热率峰值随EGR的增大呈上升趋势，原因即在小负荷下EGR使着火延迟期加长，同时EGR带入缸内的热量使着火延迟期内燃油蒸发量增大，致使燃烧初期放热率大、峰值高，燃烧效率相应提高。因此，小负荷工况介入EGR后，一方面可为强化混合提供时间条件，碳烟排放变化幅度小，燃油经济性保持在较好水平。在中大负荷工况，由于缸内过量空气系数较低，随着EGR率的增大，回流废气中的惰性气体降低了气缸内氧气浓度并抑制了燃烧反应，燃烧速率减缓，燃烧放热率峰值降低，燃烧热效率降低。

综上分析：小负荷时回流废气的稀释效应使燃烧始点随EGR率的增加而后移，抑制NOx排放生成的同时，为强化混合制约PM排放提供时间条件；大负荷时EGR的化学氛围使燃烧速度得到抑制［7］，为平抑NOx排放提供了化学条件。EGR的这种具有改善油气混合、又有燃烧速率控制效能的双重性质，为实现柴油机低温燃烧模式EGR的使用提供了理论依据。

3.3高低压EGR比例对排放和性能的影响

试验工况点为1 600 r/min、25%负荷、100 MPa轨压，EGR率保持50%不变。如图10f）所示。高低压EGR比例的调节方式是：低压EGR全开，逐步关小高压EGR开度，同时进气节流阀逐渐关小，只调节高低压EGR比例，保证总的EGR率不变。试验结果如图10a-e）所示，图中高低压EGR比例的变化用横坐标NOx的变化来表征，随着高压EGR率降低和低压EGR率升高，高低压EGR比例减小，横坐标NOx逐渐减小。

试验结果显示，随着高压EGR率降低及低压EGR率升高，NOx排放和烟度降低，而且降幅明显。随着高低压EGR比例逐步减小，比油耗、HC和CO排放基本上呈单调上升的趋势。根据图3低温燃烧概念可以推测出低压EGR能使缸内高温区降低的效果较高压EGR更为明显，致使云团向更低温区域移动从而远离NOx和烟度生成区域。

低温燃烧（LTC）可以同时减少NOx和PM的排放，但是HC和CO的排放却大幅度增加，这就是所谓的燃烧的new trade-of（新折中关系）［8-9］。如图11所示，通过低温燃烧实现排放避开PM和NOx生成区域的同时，在油气混合不均匀（高当量比）及燃烧温度过低或过高区域均存在高CO和HC排放生成的可能；在高温、稀混合气燃烧条件下，HC更容易被氧化；在高温、浓混合气燃烧条件下，由于油气混合不均，即便高燃烧温度也难以实现CO的氧化，同时CO2与水蒸气在高温下产生的裂解反应也会造成CO大量生成；而在低温、稀燃条件下，由于燃烧温度过低也造成了CO的大量生成。根据圣地亚实验室的研究：HC的产生量与着火滞燃期的长短有关。HC排放随ignition dwell（喷油结束到燃烧开始之间的时间间隔）的变化关系显示：ignition dwell越长（间接对应图10中e）AI50）导致HC的生成越多。

图10　EGR率固定50%，高低压EGR比例对燃烧过程的影响

图11　HC及CO排放在φ-T图上的分布

3.4后喷油量和正时对性能和排放的影响

试验在2 000 r/min、50%负荷工况，保持总油耗不变，在最佳主后喷间隔时间1 900 μs条件下，改变后喷油量，从4 mg/inj开始，以4 mg/inj为间隔逐步增大，试验分析后喷油量对发动机性能及燃烧过程的影响规律。

图12和图13所示为后喷油量对发动机排放及性能的影响。随着后喷油量的增加，NOx及碳烟排放均降低，燃油消耗率稍有恶化。这是因为湍流动能决定了各种物质在缸内的运动及其空间分布，从而对可燃混合气的形成具有直接影响。后喷油量增量越大，湍流强度越大，其扰动作用明显加强，直到一定范围后平均湍动能趋于一致。由于后喷油量的增加对油气扰动作用加强，造成在喷油方向上流场速度明显增大，卷吸作用加强，进而越有利于燃油、碳烟与氧气混合，强化后喷燃烧，降低碳烟排放。因此，后喷油量大小同样是决定喷油末期油气混合的重要因素。

虽然后喷油量增加有利于强化喷油末期油气混合，但随着后喷油量的增加，主喷喷入的油量减少，导致主燃期温度下降，而NOx的生成条件是高温富氧长时间滞留在燃烧室，缸内温度降低，使NOx排放下降。另外，由于主喷油量减少，预混合燃烧油量所占总油量的比重减少，使第一个放热峰值被削减；虽然后喷油量增加使后喷放热峰值有所提升，但此时较大的气缸容积使得以扩散燃烧为主的后喷作功提升能力有限，难以弥补减少的主喷油量所产生的放热量，因此燃烧效率有所降低，比油耗稍有增加。

图12　后喷油量对发动机排放的影响

图13　后喷油量对发动机性能的影响

图14和图15所示为后喷正时对发动机排放及性能的影响。随着后喷正时的延后，NOx和烟度的大体趋势都是先降后升，存在拐点。而比油耗缓慢上升，没有明显的拐点。随主后喷间隔增大，补充氧气越多，后喷燃烧越迅速、充分，高温区增大，热效率增加，碳烟峰值降低；但同时也会增加燃烧拖后的负面影响。要组织最佳的分区燃烧，就是要在保证补充氧气足够多的前提下，找到一个尽可能小的主后喷间隔。

综上分析，通过增大主后喷间隔及后喷油量可以强化后喷油气混合速率，而过分单因素增大主后喷间隔和后喷油量又会带来排放及经济性恶化的问题。因此，基于三段喷射下协同优化缸内流动特性、化学氛围、热氛围这种燃烧模式可以认为是一种时间意义上的分区燃烧，在喷油方向上保证氧气充足的前提下，应尽可能减小主后喷间隔，选取适量后喷油量以协调缸内流动状态与化学氛围迁移，强化燃烧后期油气扰动。

图14　后喷正时对发动机排放的影响

图15　后喷正时对发动机性能的影响

4　结论

1）在采用提高喷油压力方式改善喷油雾化的基础上，利用EGR作为燃烧过程组织的调控手段，可以实现NOx及PM排放低且热效率较高的低温燃烧（LTC）模式。但是在能够实现排放、热效率同时优化的负荷区域，其放热率峰值及相应的压力升高率均大幅度增大，特别是放热率重心靠近上止点工况其压力升高率越大，均大于常规燃烧模式下燃烧参数的最大值，难以直接运用。因此，降低放热率峰值及解决其所带来的压力升高率过大、燃烧噪声过大的问题成为以EGR为主要手段实现LTC燃烧模式的一个主要研究内容。

2）利用EGR降低NOx排放效果明显，并且对碳烟及燃油经济性影响小。其作用机理可以认为EGR具有双重性，包括燃烧始点后移、促进混合气形成及减缓燃烧速度、平抑燃烧峰值两方面，为低温燃烧模式中EGR的利用提供了理论依据。

3）在split-injection（多次喷射）策略中，第二注入燃料的蒸发冷却效果可以显著延缓早期燃料注入的压缩点火。为使这种效应最大化，第二燃料喷射正时应该在第一次预喷形成的LTR之前5°CA曲轴转角。

4）采用提高轨压、引入后喷等强化油气混合手段可以使PM排放显著降低而保持NOx排放不变甚至降低。

5）利用Φ-T图进行排放物预测是可行的。随EGR率增大，单元格状态“点云”分布会向左偏、向上翘，结果NO生成量减少，碳烟生成量增多。

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Experimental Study on Effects of High/Low Pressure EGR and Injection Strategy on Emissions of Diesel Engine

Su Bohao1，2，Liu Zhanqiang1，2，Zhang Chunhui1，2，Qu Wei1，2，Wu Ruoqing1，2，Wang Yiwang1，2，Tian Haiyang1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Experimental study on combustion and emissions was carried out on an electron-controlled common-rail diesel with two-stage turbocharger and both high pressure and low pressure cooled exhaust gas recirculation（EGR）.In this study，the low temperature combustion（LTC）was achieved in a common rail diesel engine using the means of exhaust gas recirculation（EGR）and injection strategy.In order to reduce the NOxemissions，the low temperature combustion using moderate level of EGR and the prolonged injection timing was achieved in low and moderate loads.The results of LTC combustion were compared with those obtained from CIDI combustion.The effects of EGR rate，start of injection and injection pressure on emissions and combustion characteristics of LTC combustion were investigated.The results show that the in-cylinder pressure of LTC is greatly reduced and the start of combustion is obviously retarded.The prolonged ignition delay of LTC is ideal for fuel-air mixing.The NOxemissions decrease monotonically，and smoke emissions increase firstly and then decrease as the injection timing is retarded.The NOxand smoke emissions of LTC are reduced simultaneously in low and moderate loads.The NOxemissions increase，but smoke，HC and CO emissions decrease with the increase of injection pressure.

Diesel engine，Two-stage turbocharger，Exhaust gas recirculation（EGR），Injection strategy，Low temperature combustion

TK421+.5

A

2095-8234（2016）03-0009-07

苏博浩（1988-），男，学士，主要研究方向为排放控制及电控系统开发与研究。

2016-02-25）