關(guān)于歐6柴油機氮氧化物排放的影響性能分析

【韓】Y. Kim C. Park J. Kim B. Min

研究了采用低溫廢氣再循環(huán)（EGR）和低壓縮比降低氮氧化物（NOx）排放，以開發(fā)大型多功能運動車型用歐6柴油機。低溫EGR是通過低溫EGR冷卻液來降低EGR氣體溫度，因而可在顆粒物排放相同的情況下降低NOx排放排放。由于燃燒溫度較低，低壓縮比可改善NOx排放排放。這兩種方法在實際應用中都有優(yōu)勢，因為容易適應常規(guī)柴油機；另一方面，當EGR冷卻液溫度和壓縮比降得過多時，可能會導致一些問題，如EGR積炭和冷起動能力不足。需要找到不會產(chǎn)生這些異?，F(xiàn)象的NOx排放降低效果。結(jié)果表明，低溫EGR在EGR流量較低的低負荷條件下可更顯著地降低NOx排放排放。它可以在新歐洲行駛循環(huán)14個工況點降低NOx排放排放約4%?？紤]到冷起動的持續(xù)時間、怠速變動系數(shù)COV怠速和生產(chǎn)偏差，本研究將低壓縮比確定為15.2。當調(diào)整EGR率和主噴油定時以保持相同的顆粒物排放時，將低壓縮比調(diào)至15.2可降低NOx排放排放約5%。

大型轎車柴油機需要采用柴油機顆粒過濾器（DPF）及降氮氧化物（De-NOx）排放后處理來滿足未來的排放法規(guī)[1,2]。由于其成本相對昂貴，最好通過減少發(fā)動機排出的原始排放物盡可能地縮減催化轉(zhuǎn)化器的尺寸[3,4]。低壓廢氣再循環(huán)（EGR）、均質(zhì)充氣壓燃、低溫EGR，以及低壓縮比可以被視為一種接近于實用的清潔柴油機燃燒技術(shù)[5～10]。與其他技術(shù)相比，低溫EGR和低壓縮比不能大幅降低NOx排放。但是，它們在系統(tǒng)可靠性及成本方面具有優(yōu)勢。此外，它們應用方便，無需對目前的發(fā)動機硬件作很大改變。

低溫EGR的目的是，通過從散熱器和電動冷卻液泵中產(chǎn)生低溫EGR冷卻液來降低EGR氣體溫度。它能增加相同空燃比下的EGR數(shù)量，并降低NOx排放。隨著低溫EGR冷卻液溫度的降低，可以預計，NOx排放下降量也會增加。但可能會引起EGR冷卻器污染問題和更高的未燃碳氫化合物（HC）。因此，重要的是找出NOx排放下降量與低溫EGR冷卻液溫度之間的關(guān)系。

由于燃燒溫度較低，低壓縮比也可降低NOx排放。但其缺點在于冷起動能力、怠速穩(wěn)定性和HC排放。在應用低壓縮比之前，應仔細考察這些可能的關(guān)切。本文研究了低溫 EGR和低壓縮比對降低NOx排放的影響，以此作為開發(fā)歐6柴油機的可行性研究。

1試驗裝置和方法

1.1試驗裝置

圖1為試驗裝置主要配置示意圖。試驗設(shè)備由柴油機、測功機、進排氣系統(tǒng)、低溫EGR冷卻液控制裝置和排氣分析儀組成。試驗發(fā)動機為1臺4缸柴油機，排量為2 157 mL，電磁閥共軌噴油器最大噴射壓力180 MPa、配備電控可變渦輪增壓器和可變渦流系統(tǒng)。試驗發(fā)動機的主要技術(shù)規(guī)格如表1所示。采用AVL公司瞬態(tài)測功機，用于控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷。中冷器之后的溫度由水冷卻系統(tǒng)控制。在排氣管路中安裝排氣活門，以保持相同的排氣壓力。為了測量缸內(nèi)壓力和噴油器電流信號，各個氣缸都安裝了壓力傳感器（AVL GU 13P）和電流傳感器。采用AVL燃燒分析儀計算燃燒噪聲。EGR冷卻器的冷卻液回路與發(fā)動機冷卻液回路分開。EGR冷卻器的冷卻液進口溫度和壓力可以通過低溫EGR冷卻液控制系統(tǒng)進行調(diào)整。采用Horiba公司的MEXA-7100FX氣體分析儀用于測量發(fā)動機排放。

圖1 試驗裝置示意圖

表1 試驗發(fā)動機技術(shù)規(guī)格

1.2試驗方法

低溫EGR試驗是為了測量低溫EGR冷卻液溫度變化時的進氣和EGR氣體溫度及排放。低溫EGR冷卻液溫度范圍從從95℃變化到55℃，級差10℃。EGR冷卻器效率被定義為冷卻器進排氣之間的溫度差與冷卻器進氣和EGR冷卻液進口之間的溫度差之比。EGR率和EGR冷卻器效率的計算公式如下所示：

基本型發(fā)動機的壓縮比為15.7，本研究認為15.2和14.7是低壓縮比值。為了使任何其他硬件的影響減至最低程度，在改變壓縮比時只更換改變凹坑容積的活塞變型。采用5W30牌號機油、商用冬季燃油和鋼預熱塞進行冷起動車輛試驗。冷起動試驗的冷保溫持續(xù)時間超過12 h?？紤]到冷起動試驗的結(jié)果，對比了壓縮比為15.7和15.2時的發(fā)動機性能和排放。采用11輛整備質(zhì)量為1 976 kg、配裝6檔手動變速器的多用途乘用車（MPV）進行14工況點排放模擬試驗。

2低溫EGR

2.1低溫 EGR冷卻液溫度

圖2表示低溫EGR冷卻液回路理念及其與基本型發(fā)動機的比較。在基本型發(fā)動機中，一部分發(fā)動機冷卻液經(jīng)由機械水泵泵入EGR冷卻器，并在恒溫器閥門開啟時在散熱器處冷卻下來。低溫EGR的EGR冷卻液回路與發(fā)動機冷卻液回路分開。由另外的電動水泵驅(qū)動，不需要經(jīng)過恒溫器就能在散熱器處冷卻下來。

圖3表示基本型發(fā)動機和低溫EGR發(fā)動機在新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）工況的EGR冷卻液進口溫度的模擬試驗結(jié)果。假定EGR冷卻器旁通閥在一開始的300 s內(nèi)通電用于柴油機氧化催化器預熱。恒溫器通過脈譜控制，開啟溫度定為常數(shù)。隨著循環(huán)的進行，基本型發(fā)動機EGR冷卻液進口溫度有升高的趨勢。這表明，由于低溫EGR冷卻液流過散熱器后冷卻下來，低溫EGR冷卻液溫度降低20~50℃?？紤]到這些模擬試驗的結(jié)果，以及由于EGR冷卻器污染的溫度限制，確定低溫EGR冷卻液溫度的最低值為55℃。

圖2 低溫EGR冷卻液回路

圖3 基本型和低溫EGR的EGR冷卻器進口冷卻液溫度的模擬試驗結(jié)果

圖4 低溫EGR進氣歧管混合氣和冷卻器之后的EGR氣體溫度

圖4表示EGR冷卻器之后的EGR氣體溫度和進氣歧管混合氣溫度隨低溫EGR冷卻液溫度的變化。工況點的發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 805 r/min，扭矩為108 N·m。EGR冷卻器出口溫度和進氣歧管混合氣溫度都隨著低溫EGR冷卻液溫度的降低而直線下降。本試驗中當?shù)蜏谽GR冷卻液溫度下降10℃時，EGR冷卻器之后的EGR氣體溫度降低約8℃，進氣歧管混合氣溫度降低約4℃。

2.2低溫EGR對降低NOx排放的影響

圖5表示發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 591 r/min、扭矩為129 N·m時的EGR率和空燃比隨低溫EGR冷卻液溫度的變化。在這種情況下，發(fā)動機管理系統(tǒng)（EMS）參數(shù)值，如主噴油定時、增壓壓力和油軌壓力都保持恒定。低溫EGR可降低EGR氣體的溫度，但在相同的EMS條件下，EGR量不會有太大變化。冷卻后的EGR氣體允許進入更多的空氣，因此空燃比更高，EGR率可能降低。由于上述影響，在相同的EMS條件下，采用低溫EGR令NOx排放增加，但顆粒物（PM）排放下降（圖6）。圖6還比較了低溫EGR和常規(guī)EGR的NOx和PM排放之間的關(guān)系。低溫EGR的NOx和PM排放是在各種低溫EGR冷卻液溫度條件下獲得的。常規(guī)EGR則是通過改變EGR率得到的。這兩種情況都具有某種NOx-PM排放折衷關(guān)系，但其趨勢并不相同。低溫EGR對降低PM排放影響大于常規(guī)EGR。這意味著，與常規(guī)EGR相比，低溫EGR在NOx排放相同的情況下，PM排放較低。為了將PM減排效果轉(zhuǎn)化為改善NOx排放，低溫EGR的EGR率應該增大到與基本型保持相同PM排放的程度。圖7表示通過調(diào)節(jié)EGR率保持PM排放恒定時，6個工況點的NOx減排效率。如圖7所示，所有6個工況點的NOx排放都降低了，但是各個工況點的情況大為不同。在本試驗中，最大減排效率是低負荷時的30%左右，而最小減排效率則是高負荷時的1%~2%。

圖5 空燃比和EGR率隨低溫EGR冷卻液溫度的變化

圖6 不同低溫EGR冷卻液溫度下的NOx和PM排放

圖7 6個工況點的NOx減排效率

為了找出各個工況點NOx減排效率不同的原因，研究在各種EGR流量下EGR冷卻器的冷卻效率（圖8）。隨著EGR流量的增加，EGR流速也相應增大。這意味著，每個單位流量的冷卻持續(xù)時間縮短，冷卻效率也因此變得更差。

圖9表示NOx減排效率較大和較小的情況下EGR冷卻器的冷卻效率。隨著EGR冷卻液溫度的降低，這兩種情況下EGR冷卻器的冷卻效率都有所下降。但是與EGR流量為60 kg/h和NOx減排效率為10%時相比，EGR流量為104 kg/h和NOx減排效率為3%時的EGR冷卻效率下降更迅速。在高EGR流量的情況下，隨著EGR冷卻器冷卻液溫度的降低，EGR冷卻效率比低EGR流量時迅速變差，這導致EGR流量變化時NOx減排效率的差異。因而，在本試驗中，當PM排放相同時，調(diào)節(jié)EGR率和主噴油定時可使低溫EGR降低NOx排放約4%。

圖8 EGR冷卻器冷卻效率隨EGR流量的變化

圖9 高EGR流量和低EGR流量兩種情況下的EGR冷卻器效率

低溫EGR采用較高的EGR率來降低NOx排放，但是這可能會影響熱效率。圖10表示低溫EGR的有效燃油消耗率隨低溫EGR冷卻液溫度的變化。這里，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩分別為2 591 r/min和130 N·m。當諸如EGR率和主噴油定時在內(nèi)的EMS參數(shù)不變時，隨著低溫EGR冷卻液溫度的降低，低溫EGR的有效燃油消耗率變得更優(yōu)。如前所述，由于其進氣混合氣溫度較低，在相同的EGR率下低溫EGR的空燃比更高。如果EGR率增大到相同的PM排放量，主噴油定時提前到相同的質(zhì)量燃燒率圖形中心點，低溫EGR的有效燃油消耗率變差，接近基本型EGR的有效燃油消耗率。這意味著，低溫EGR能降低NOx排放，而不會使燃油經(jīng)濟性嚴重惡化。由于低溫EGR采用附加的電動泵來使低溫EGR冷卻液循環(huán)，額外的電功率消耗對于燃油經(jīng)濟性的影響應該在實車條件下進行評價。

3低壓縮比

3.1低壓縮比下的冷起動

低壓縮比有利于降低NOx排放，但在低溫燃燒性能方面較差。為了采用更低的壓縮比，需要盡可能地改善冷起動能力和怠速穩(wěn)定性。噴油技術(shù)規(guī)格，如噴孔數(shù)和流率都是低溫燃燒的主要因素之一。圖11表示相同的EMS條件下噴孔數(shù)不同、流率不同的3個噴油器的起動持續(xù)時間和怠速變動系數(shù)COV怠速。本試驗的條件為壓縮比為14.7，冷卻液溫度為-27℃。起動持續(xù)時間為從蓄電池電壓開始下降到怠速達到800 r/min所經(jīng)過的時間。COV怠速定義為怠速轉(zhuǎn)速相對于5 s內(nèi)平均轉(zhuǎn)速的標準偏差。起動持續(xù)時間和COV怠速為3次試驗的平均值。所有的噴油器都成功地冷起動。改變噴油器噴孔和流率，COV怠速的變化比起動持續(xù)時間更顯著。當噴油器流率從800 mL下降到750 mL，起動持續(xù)時間和COV怠速分別下降約0.2 s和1.6%。試驗表明，8孔噴油器的冷起動持續(xù)時間稍稍優(yōu)。但750 mL時7孔噴油器和8孔噴油器的COV怠速差不多。因為7孔噴油器和8孔噴油器之間并無明顯差異，后期需要增加冷起動試驗的次數(shù)以確認孔數(shù)的影響。圖12表示壓縮比為15.2和14.7之間起動持續(xù)時間的對比。壓縮比為15.2的起動持續(xù)時間平均約為2.4 s，比壓縮比為14.7的相比短0.6 s?？紤]到上述結(jié)果、壓縮比的實際公差范圍及惡劣的環(huán)境，如高海拔和劣質(zhì)的燃油特性，本研究確定適當?shù)膲嚎s比為15.2。

圖10 低溫EGR的有效燃油消耗率隨低溫EGR冷卻液溫度的變化

圖11 各種噴油器技術(shù)規(guī)格的起動持續(xù)時間和怠速變動系數(shù)

圖12 壓縮比為15.2和14.7時的起動持續(xù)時間

3.2發(fā)動機性能和排放

圖13 壓縮比為15.7和15.2時的發(fā)動機有效扭矩

圖14 壓縮比為15.7和15.2時的有效燃油消耗率

壓縮比為15.7和15.2時的全負荷有效扭矩隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化如圖13所示。壓縮比為15.2的平均扭矩與壓縮比為15.7時相比，略小于0.5%。由于發(fā)動機理論熱效率隨壓縮比的減小而降低，這可以用壓縮比為15.2的有效熱效率比壓縮比為15.7的差這一事實加以解釋（圖14）。

圖15和圖16表示全負荷條件下的最大燃燒壓力和燃燒噪聲。對于低壓縮比發(fā)動機，燃燒開始之前的壓縮壓力較低，因而最大燃燒壓力也降低了?？梢园l(fā)現(xiàn)，在相同的實際噴油量和EMS條件下，壓縮比為15.7和15.2時的最大燃燒壓力的最大差值約為1.0 MPa。

圖15 最大燃燒壓力隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化

圖16 壓縮比為15.7和15.2時的燃燒噪聲

盡管壓縮比為15.7和15.2時在最大燃燒壓力上有差異，但其燃燒噪聲卻差不多。這可能是由于低壓縮比較長的滯燃期使壓力升高率較快引起的。圖17表示壓縮比為15.7和15.2時的排氣溫度隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化。壓縮比為15.2時的排氣溫度高于壓縮比為15.7時的。這可能是因為在低壓縮比的情況下，滯燃期導致燃燒持續(xù)時間更長的緣故。

為了弄清楚低壓縮比對排放的影響，在發(fā)動機臺架NDEC 14工況點下研究了壓縮比為15.7和15.2時的NOx和PM排放。圖18所示的排放結(jié)果對2種情況進行了比較，兩者具有相同的EMS條件，并通過調(diào)整EGR率和主噴油定時保證相同的PM排放。在相同的EMS條件下將壓縮比從15.7降至15.2，PM排放比NOx排放降得更多。如前所述，這可能是因為低壓縮比較長的滯燃期，導致混合加強的結(jié)果。如果在壓縮比為15.7時增加EGR率得到相同的PM排放，并調(diào)整主噴油正時，壓縮比為15.2時的NOx排放比壓縮比為15.7時改善約5%。

圖17 壓縮比為15.7和15.2時排氣溫度的比較

圖18 低壓縮比對NOx和PM排放的影響

4結(jié)語

作為歐6發(fā)動機開發(fā)的可行性試驗，對低溫EGR和低壓縮比降低NOx排放的影響進行了研究。發(fā)現(xiàn)當EGR率和主噴油定時調(diào)整到相同的PM排放時，低溫EGR可降低NOx排放約4%，采用15.2的低壓縮比可降低NOx排放約5%?？偨Y(jié)如下：

EGR冷卻器出口溫度和進氣歧管混合氣溫度隨著低溫EGR冷卻液溫度的降低而直線下降。

因為EGR冷卻效率隨EGR流量而變化，低溫EGR降低NOx排放的影響隨EGR流量而變。

發(fā)現(xiàn)低溫EGR在通過調(diào)整EGR率和主噴油定時到相同PM排放時，可降低NOx排放約4%。

流量較小的噴油器在起動持續(xù)時間和怠速變動系數(shù)COV怠速方面表現(xiàn)更好。本試驗中7孔和8孔噴油器并無大的差異。

考慮到冷起動持續(xù)時間、怠速變動系數(shù)COV怠速和實際偏差，本研究確定低壓縮比為15.2。

壓縮比為15.2時的燃燒噪聲與壓縮比為15.7時的差不多，這是因為低壓縮比較長的滯燃期導致較低的最大燃燒壓力和較大的壓力升高速率。

通過調(diào)整EGR率和主噴油定時到相同的PM排放，壓縮比為15.2時的NOx排放比壓縮比為15.7時的降低約5%。