柴油机NOx排放控制技术研究及性能优化*

侯献军 李孟孟 杜松泽 莫丽蓉 许 京

(现代汽车零部件技术湖北省重点实验室1) 武汉 430070)(汽车零部件技术湖北省协同创新中心2) 武汉 430070)

柴油机NOx排放控制技术研究及性能优化*

侯献军1,2)李孟孟1,2)杜松泽1,2)莫丽蓉1,2)许 京1,2)

(现代汽车零部件技术湖北省重点实验室1)武汉 430070)(汽车零部件技术湖北省协同创新中心2)武汉 430070)

研究高压共轨、增压中冷和废气再循环技术对发动机NOx排放及整机性能的影响，并将3种机内净化技术联合运行以优化发动机的综合性能.结果表明，推迟喷油正时，增加喷油脉宽、降低增压压力和进气温度、增加EGR率都会降低柴油机NOx排放；优化后，最佳技术参数组合为：喷油正时为17 ℃A，喷油脉宽为1.75 ms，增压压力为240 kPa，增压温度为45 ℃，EGR率为15.2%.NOx排放从11.38 g/(kW·h)降低到3.22 g/(kW·h)，此时经济性改善0.85%，动力性与原机相当.

NOx排放；机内净化技术；性能优化；GT-POWER

0 引 言

柴油机以动力强劲、油耗低及工作可靠等优势，成为车用动力的主要来源.同时随着排放法规的日益严苛，NOx作为柴油机的主要排放物之一，对其排放控制技术的研究具有重要意义.

目前，国内外的主要研究趋势是如何不牺牲或少牺牲发动机动力性和经济性，尽可能发挥排放控制技术降低NOx排放的潜力[1].Christer等[2]研究二级增压、废气再循环(exhaust gas recirculation，EGR)、可变气门正时等技术对发动机的影响，目的是在保证动力性不下降的前提下，实现油耗、热负荷及排放的降低.Braun等[3]研究柴油机同时采用高EGR率、高增压和高喷射压力以降低排放的潜力.张韦等[4]结合进气富氧及高EGR率，实现某增压中冷柴油机低NO-碳烟排放.王晓武[5]模拟分析了NOx和碳烟的分布及生成总量变化，研究了燃烧室结构和喷嘴参数对柴油机性能的影响.安士杰等[6]采用DOE与遗传算法优化共轨柴油机结构参数，最终柴油机油耗、NOx和碳烟排放都有所降低.谭丕强等[7]研究EGR和喷油正时协同作用对发动机燃烧特性、燃油消耗率、NOx和HC排放的影响.

文中基于发动机工作过程模拟计算软件GT-POWER，研究高压共轨、增压中冷和EGR技术对发动机NOx和碳烟排放、动力性及经济性的影响.联合3种机内净化技术，对发动机综合性能进行优化，确定最佳参数组合，以实现NOx排放降低的同时，保证动力性和经济性的恶化程度在允许范围内.

1 原机模型建立及校准

1.1 模型建立

研究样机为某直列四缸四冲程、增压中冷柴油机，主要技术参数见表1.

根据实际经验，可将复杂的柴油机结构进行等效简化，所建立的发动机原机模型由进排气系统、涡轮增压系统、中冷器系统、燃油喷射系统、气缸和曲轴箱及相应连接管路等部分组成，见图1.其中高压共轨燃油喷射系统模型包括高压油泵、共轨管、喷油器3部分.

表1 柴油机主要技术参数

图1 原机计算模型

1.2 模型校准

为评价所建模型的计算精度和可靠性，对发动机外特性的仿真值与试验值进行对比，见图2～3.计算结果表明，有效功率和有效转矩仿真值与试验值误差分别在2.09%，1.92%以内，仿真值与试验值吻合良好，能够进行发动机的定性研究.

图2 发动机功率校准曲线

图3 发动机转矩校准曲线

2 高压共轨技术对发动机性能的影响

2.1 喷油提前角对发动机性能的影响

基于GT-POWER软件中的DOE(design of experiment)模块，将喷油提前角由7.5 ℃A增加至22.5 ℃A.研究工况为额定功率点，即全负荷、发动机转速为2 500 r/min.图4为喷油提前角对发动机动力性、经济性和排放性的影响.

图4 喷油提前角对发动机性能的影响

由图4a)～b)可知，推迟喷油，发动机的有效转矩和有效功率均降低，燃油消耗率增大.推迟喷油导致着火滞燃期缩短，形成的可燃混合气减少，从而降低了燃烧速率和放热速率，最高爆发压力和最高燃烧温度都会减少.推迟喷油会使燃油燃烧不充分，发动机的动力性和经济性有所恶化.

由图4c)可知，推迟喷油定时可以降低柴油机 NOx排放，但碳烟排放增加.这主要是由于NOx和碳烟生成条件的不同造成的.NOx生成的3要素包括高温、富氧和N2和O2的反应时间，碳烟生成因素为高温和缺氧，主要在扩散燃烧中生成.推迟喷油定时，预混合燃烧的燃油量减少，而扩散燃烧燃油量占比增大，缸内最高燃烧压力和最高燃烧温度均降低，并且预混合气处于缺氧的状态，抑制NOx生成，但促进了碳烟生成.

2.2 喷油脉宽对发动机性能的影响

将喷油脉宽设置在1.58～2.08 ms之间，步长为0.05 ms，研究喷油脉宽对发动机性能的影响.图5为喷油脉宽对发动机动力性、经济性及排放性的影响.

图5 喷油脉宽对发动机性能的影响

由图5a)～b)可知，随着喷油脉宽的增大，发动机的功率、转矩均增大，燃油消耗率先降低后增大.这是因为喷油脉宽增大，喷油量增加，缸内平均压力增大，有效功率和转矩增大，燃油消耗率降低，但当喷油脉宽持续增大，燃油过多氧气不足，导致经济性恶化.

由图5c)可知，随着喷油脉宽的增大， NOx排放逐渐降低，碳烟排放增加.这是因为喷油量增大，高温区氧质量浓度相对降低，导致大量碳烟产生，不利于NOx的生成.另一方面燃油过多，使得燃烧不完全，碳烟排放增加.

3 增压中冷技术发动机性能的影响

3.1 增压压力对发动机性能的影响

将目标增压压力从160 kPa增至240 kPa，研究增压压力对发动机性能的影响，计算结果见图6.

图6 增压压力对发动机性能的影响

由图6a)～b)可知，增压压力由160 kPa增加到240 kPa，发动机有效转矩和功率增大，燃油消耗率有所降低.这是因为增压压力提高，发动机的空燃比增大，燃油燃烧更加充分，动力性上升，经济性得以改善.

图6c)为增压压力对发动机NOx和碳烟排放的影响.可以看出，提高增压压力，发动机NOx排放增加，碳烟排放降低.这主要是因为，增压促进初始放热，提高了燃烧温度，同时也为燃烧提供了更多的氧气.

3.2 增压温度对发动机性能的影响

保证增压压力不变，使中冷器温度从300 K增长到350 K，研究增压温度对发动机性能的影响，计算结果见图7.

图7 中冷器温度对发动机性能的影响

由图7a)～b)可知，中冷器温度降低，发动机转矩和功率均增大，燃油消耗率降低.这是因为进气温度降低，空气密度增加，进入气缸的空气质量增加会延长着火滞燃期，提高缸内燃烧压力，从而提高动力性，改善燃油经济性.

由图7c)可见，中冷器温度降低，发动机NOx排放降低，碳烟排放在中冷器温度由350 K降低到310 K的过程是降低的，当中冷器温度降低到300 K又稍有增加.进气温度降低，空气密度增加，进入气缸的空气质量增加，压缩终点温度降低，缸内最高温度降低，从而降低NOx排放，碳烟也会有所降低，但是当进气温度降低一定程度会削弱碳烟的氧化程度，碳烟排放又有所升高.

4 EGR技术对发动机性能的影响

4.1 EGR系统模型的建立

基于原机模型建立冷却EGR系统，选择高低压回路，即涡轮机前到压气机前的进气方式，见图8.模型中控制EGR阀直径实现EGR率的改变.

图8 冷却R系统仿真模型

4.2 EGR率对发动机性能的影响

EGR率目标值设定为0，5%，10%，15%，20%，25%.图9为EGR率对发动机性能的影响.

图9 EGR率对发动机性能的影响

由9a)～b)可知，随着EGR率的增大，发动机的有效转矩和功率均有所下降，燃油消耗率增加，且变化趋势由缓到急.这是因为随着EGR率的增加，空燃比下降，缸内阻滞燃烧化学反应的惰性气体增多，扩散燃烧持续期延长，后燃加重.

由图9c)可知，增加EGR率会使NOx排放显著降低，碳烟排放增大.废气的引入稀释新鲜进气，降低了N2和O2的反应机会.再循环废气中含有比热容较大的三原子气体，例如，H2O和CO2，使缸内燃烧温度降低，NOx生成受到抑制.此外，EGR减缓了燃烧速度，燃烧压力和最高燃烧温度都有所降低.进气氧含量降低造成局部缺氧区域扩大，燃油燃烧不充分情况严重，碳烟生成量增加.

5 机内净化技术关键参数优化

综上所述，联合3种机内净化技术对发动机性能进行综合优化.研究表明，经空空中冷的进气温度可降低到(50±5) ℃，所以设置中冷器温度为45 ℃.基于DOE模块对喷油正时、喷油脉宽、增压压力及EGR率进行联合优化.将喷油正时设置为13 ℃A～17 ℃A，喷油脉宽设置为1.7～1.8 ms，增压压力设置为240～260 kPa，EGR率设置为14.7%～15.7%，计算结果见图10.

图10 关键技术参数DOE设置的发动机性能

对NOx排放进行约束得到方案31为最优方案，即喷油正时为17 ℃A、喷油脉宽为1.75 ms、喷油压力为160 MPa、增压压力为240 kPa、EGR率为15.2%.最终NOx排放为3.22 g/(kW·h)，同时动力性与原机相当，燃油消耗率有所改善，见表2.

表2 优化前后发动机性能变化

6 结 论

1) 基于GT-POWER软件建立柴油机原机计算模型并校准，模拟结果和试验结果偏差在2%左右，适用于柴油机性能的定性研究.

2) 基于DOE模块，研究高压共轨技术中的喷油正时、喷油脉宽，增压中冷技术中的增压压力和增压温度，EGR技术的EGR率对发动机NOx排放和整机性能的影响.研究结果表明，推迟喷油正时，增加喷油脉宽，降低增压压力和进气温度，增加EGR都会降低柴油机NOx排放.

3) 优化结果表明，研究工况下的最佳参数组合为：喷油正时为17 ℃A、喷油脉宽为1.75 ms、增压压力为240 kPa、中冷器温度为45 ℃、EGR率为15.2%，最终NOx排放为3.22 g/(kW·h)，比原机降低71.73%，发动机经济性有所改善，动力性与原机相当.

[1]赵航，王务林，杨建军，等.车用柴油机后处理技术[M].北京：中华科学技术出版社，2010.

[2]CHRISTER W， BJORN H. Reducing emissions using two-stage turbocharging[J]. Wartsila Technical Journal,2008(1):35-41.

[3]BRAUN T, RABL H, MAYER W. Emission reduction potential by means of high boost and injection pressure at low- and mid-load for a common rail diesel engine under high egr rates[C]. SAE,2013(1)：25-41.

[4]张韦，舒歌群，沈颖刚，等.EGR与进气富氧对直喷柴油机NO和碳烟排放的影响[J].内燃机学报，2012，30(1)：16-21.

[5]王晓武.一种高强化柴油机排放和燃油经济性的数值模拟计算分析[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2009，33(4)：753-756.

[6]安士杰，白禄峰.基于DOE与遗传算法相结合的共轨柴油机喷射参数优化[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2013，37(6)：1176-1179.

[7]谭丕强，刘庆鹏，徐宁，等.轻型柴油机EGR与喷油正时的协调性能研究[J].内燃机工程，2014，35(6)：7-13.

Research on NOxEmission Control Technology of Diesel Engine and Its Performance Optimization

HOU Xianjun1,2)LI Mengmeng1,2)DU Songze1,2)MO Lirong1,2)XU Jing1,2)

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,Wuhan430070,China)1)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)2)

The influence of high pressure common rail technology, turbocharged inter-cooled technology and Exhaust Gas Recirculation (EGR) technology on diesel engine NOxemission and engine performance is studied in this paper. The engine performance is optimized by combining three types of internal-engine purification technologies. The research shows that the diesel engine NOxemission can be reduced by delaying the injection timing, increasing the width of fuel injection pulse, reducing the supercharging pressure and inlet temperature as well as increasing the EGR rate. After the optimization of engine performance, the injection timing is 17°; the fuel injection pulse width is 1.75 ms; the boost pressure and temperature are 240 kPa and 45 degrees, respectively; and the EGR rate is 15.2%. The resulting diesel engine NOxemission reduces from 11.38g/(kW·h) to 3.22 g/(kW·h), the fuel economy improves by 0.85%, and the power performance decreases by 0.28%. Besides, the power characteristic of the optimized engine is similar to that of the original engine.

NOxemission; purification technology; performance optimization; GT-POWER

2016-08-22

*湖北省自然科学基金重点项目资助(2013CFA104)

TK421

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.004

侯献军 (1973—)：男，博士，教授，主要研究领域为汽车及发动机CAD/CAE，发动机排放控制及电控技术