EGR对二级增压高压共轨柴油机燃烧及排放的影响

朱 睿，孙万臣，杜家坤，李鲁宁，李国良，李文祥

（1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 130025；2.中国第一汽车股份有限公司技术中心，吉林 长春 130011）

涡轮增压是柴油机的一项关键技术，但传统的单级增压由于其固有缺陷已不能满足未来柴油机更高的性能和排放要求［1－2］。二级增压系统具有压比高、调节能力强、结构可靠等优点，逐步在重型柴油机上得到广泛应用［3－4］。匹配二级增压系统后，柴油机的升功率、低速扭矩大幅提高，烟度和油耗则可得到较大程度的改善［5－6］。二级增压是满足未来更为严格排放法规和高功率密度柴油机需求的重要技术［7］。

二级增压系统能够大幅提高柴油机的进气压力，增加缸内新鲜充量，有利于降低微粒排放［8－9］。同时，较大的空燃比允许采用更高的废气再循环（EGR）量，从而能够进一步降低 NOx排放［10］，因此二级增压耦合EGR系统在降低发动机排放方面具有较大潜力［11］。

本研究针对某重型车用柴油机超低排放开发目标进行了二级增压与EGR系统匹配，试验研究了不同工况下EGR系统对二级增压重型柴油机性能、燃烧及排放的影响规律，为实现重型柴油机的高效清洁燃烧提供一定的理论指导。

1 试验装置与研究方法

研究采用某重型直列6缸增压中冷柴油机，原机装有HOLSET单级涡轮增压系统，其主要技术参数见表1。本研究采用的二级增压系统及EGR布置方案见图1。试验中发动机测控系统（见图2）由CW440电涡流测功机、DF2420油耗仪、7100DEGR排放分析仪、AVL439消光烟度计和DS0928燃烧分析仪等组成。

研究中单级增压（原机）和二级增压柴油机试验工况均采用ESC稳态测试循环除怠速外的12个工况点（见表2和表3）。

表1 试验柴油机主要技术参数

表2 单级增压发动机试验工况点

表3 二级增压发动机试验工况点

2 试验结果及分析

2.1 EGR对二级增压柴油机燃烧的影响

图3示出了1 965r／min，50%负荷工况下原机与二级增压柴油机缸内燃烧特性随EGR率的变化对比，试验中在不同EGR率下喷油始点保持不变。

由图3可见，随着EGR率增大，原机与二级增压柴油机缸内压力峰值及瞬时放热率峰值降低，缸内最高燃烧温度有所降低。相同EGR率下，原机缸内压力峰值及瞬时放热率峰值较二级增压柴油机低，但其缸内最高燃烧温度高于二级增压柴油机。原机与二级增压柴油机的燃烧始点随EGR率变化不明显，说明滞燃期变化不大。原因是柴油机的滞燃期主要取决于燃料性质、混合气浓度、温度以及压力条件，引入EGR后，一方面，空燃比减小，混合气中的氧浓度降低，CO2，H2O等惰性气体分子增多，导致滞燃期有所延长，而另一方面，废气再循环提高了缸内混合气温度，缩短了滞燃期。由此可见，混合气中氧的浓度对滞燃期的影响与进气温度对滞燃期的影响作用相当，使得EGR率的变化对该工况下滞燃期的影响不明显。

2.2 EGR对二级增压发动机性能的影响

图4示出了二级增压与单级增压柴油机涡前与进气压差的对比（图中a，b，c分别代表ESC试验工况点的3个转速，分别为1 335r／min，1 650r／min，1 965r／min）。由图可见，采用二级增压后，由于排气背压升高，发动机各工况下涡前与进气压差均大于原机，且单级增压在大部分工况下压差均为负值，很难采用高压EGR回路实现较大的EGR率，而二级增压仅在低转速大负荷工况下涡前与进气压差存在负值，这有利于EGR废气的引入，能实现更大的EGR率，最大EGR率可以达到20%。

图5示出了1 965r／min，50%负荷工况下EGR对二级增压和单级增压发动机性能的影响对比。

由图可见，采用二级增后，增压比、进气量及空燃比明显增加。在燃油消耗量增加的前提下，发动机的扭矩增加，但排气背压和泵气损失增加，导致小EGR率下的燃油消耗率增加。单级增压发动机由于涡前及进气压差不足，最大EGR率只能达到16%。由图可以看出，对于二级增压和单级增压，发动机的增压比、进气量和空燃比均随EGR率的增大而减小；单级增压在EGR率大于12%时，发动机的空燃比、进气量、扭矩开始急剧降低，燃油消耗率和涡前排温开始大幅升高，EGR率达到16%时扭矩降低了3.6%，燃油消耗率增加了4.1%。而二级增压在更宽的EGR率范围内可以保持发动机良好的动力性和经济性，不同EGR率下的扭矩、燃油消耗率及排气温度基本不变。

2.3 EGR对二级增压发动机排放的影响

图6示出了1 965r／min，50%负荷工况下，EGR率对二级增压和单级增压发动机排放的影响对比。由图可以看出，单级增压发动机在EGR率大于12%时HC排放急剧升高，变化明显，而二级增压发动机HC排放变化不大。这是因为在中等负荷工况下单级增压发动机过量空气系数较小，HC排放对EGR造成的氧浓度下降比较敏感，而二级增压发动机进气压力大，进气量增加，缸内空燃比相较单级增压有所提高，改善了燃烧过程，抵消了因EGR造成的氧浓度下降的影响。两者CO排放均随EGR率的增大而增加，但二级增压发动机CO增加幅度明显低于单级增压，单级增压在EGR率由12%增加到16%时，CO排放增加了近5倍，而二级增压EGR率由12%增加到20%时CO排放仅升高了50%。这主要是由于EGR废气的引入降低了缸内的氧气浓度和燃烧反应温度，使氧化不充分，而二级增压发动机过量空气系数较大，氧浓度下降不明显，燃烧反应温度也比原机单级增压要高，所以CO排放增长较缓。

在炭烟排放方面，随着EGR率的增大，单级增压发动机的烟度在EGR率大于12%时开始急剧升高，而二级增压发动机烟度增长比较缓慢。由图中可以看出，当EGR率由0增加到16%时，单级增压烟度由2.12%增加到11.4%，而二级增压发动机EGR率由0增加到20%时，烟度仅由0.85%增加到2.69%。因为中等负荷工况二级增压发动机过量空气系数较单级增压发动机高，烟度对较低的过量空气系数更为敏感，烟度恶化趋势较快。

在NOx排放方面，当EGR率为0时，由于二级增压的增压比较大，发动机的进气量较大，造成缸内氧浓度升高，使NOx排放高于单级增压。采用EGR后，由于废气的稀释作用和对燃烧的抑制作用，NOx排放随EGR率的增大而降低，二级增压发动机NOx排放的降低效果更为明显，当EGR率由0增加到16%时，单级增压发动机NOx排放降低了34%，而二级增压发动机NOx排放降低了43%。原因是，在相同的EGR率下，虽然二级增压发动机的空燃比更大，混合气更稀，但是更多的空气量也使得燃烧温度降低，由于二级增压发动机的涡前排温及缸内燃烧温度较原机低，抑制了NOx的生成，所以二级增压发动机NOx排放较低，且二级增压能实现更大的EGR率，可进一步降低NOx的排放。

图7示出了两种转速，中高负荷工况下采用EGR后二级增压和单级增压发动机NOx排放与燃油消耗率及烟度的平衡关系。由图可见，在不同工况下，二级增压NOx和烟度的平衡关系均优于单级增压，NOx和燃油消耗率的平衡关系仅在无EGR或EGR率较小时比原机稍差。原因是EGR率较小时二级增压发动机的泵气损失较大，对燃油消耗率的影响比较明显，随着EGR率的增大，二级增压NOx和燃油消耗率的平衡关系优于单级增压。

3 结论

a）二级增压系统涡前与进气压差更大，有利于EGR的引入，能实现更大的EGR率，可在更宽的EGR率范围内保持发动机良好的经济性和动力性；

b）随EGR率增加，二级增压柴油机缸内燃烧压力、放热率峰值及缸内平均温度降低，且对滞燃期的影响不大；

c）相同EGR率下，二级增压的CO，HC和炭烟排放均低于单级增压，且随EGR率增大，CO，HC和炭烟排放增幅明显低于单级增压，同时对NOx排放具有更好的抑制作用；

d）采用EGR后，相比单级增压，二级增压发动机NOx与烟度及燃油消耗率的平衡关系更好，二级增压系统耦合EGR技术可作为未来柴油机实现高效清洁燃烧的重要技术手段之一。

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