新型EGR系统对非道路柴油机性能和排放的影响*

张 雷 徐博雅 陈 征 谷 峪

（1-广西玉柴机器股份有限公司工程研究院 广西 南宁 530000 2-湖南大学机械与运载工程学院）

引言

我国非道路移动机械用柴油机的保有量较高，但相比车用柴油机，非道路用柴油机的排放控制技术相对落后很多，减排潜力巨大。柴油机排放控制的重点是氮氧化物（NOx）和颗粒（PM）排放，由于NOx和PM生成机理的矛盾性，柴油机的排放控制技术比汽油机更为复杂，为了保证柴油机的性能，减少对后处理技术的依赖并节约成本，机内净化一直是排放控制研究和应用的核心。研究表明：废气再循环（EGR）技术是目前降低柴油机NOx排放最有效的技术之一[1-4]。低负荷时使用EGR，柴油机性能会出现小幅提升；但高负荷时柴油机会出现动力性下降、经济性恶化以及PM排放增加等现象[5]。目前研究并应用在车用柴油机上的各种排放控制措施，如选择性催化还原（SCR），高EGR加DOC/DPF[6]，或者稀燃NOx吸附（LNT）[7]等，大多成本较高，且对燃料中的含硫量比较敏感，不适合用在非道路柴油机上。而采用EGR技术成本低，对发动机的改动小，一般不需要对发动机的燃烧室结构和喷油系统做出重大改动；即便是采用较复杂的电控EGR系统，其电控单元（ECU）和许多传感器都可以同原发动机电控系统共用或整合，并不需要增加多少额外成本。另外，采用EGR技术的方案灵活多样，可简单，可复杂，能根据实际需要，做出最佳选择[8]。

本研究在一台直列四缸非道路用柴油机上设计了一种简易废气再循环系统[9]，该系统EGR阀的开启和EGR率控制由EGR阀弹簧的预紧力和进气管内压力和大气压力差决定，与电控EGR系统和文丘里管EGR系统[10]相比，具有零件少，布置简洁，成本低的优势。通过非道路柴油机八工况台架实验，研究了该EGR系统对柴油机动力性、经济性和排放特性的影响，为非道路用途柴油机实现高效低排放燃烧提供参考。

1 实验方案设计

1.1 简易废气再循环系统及实验设备

研究对象为一台非道路用柴油机，其基本参数见表1，简易EGR系统见图1。实验台架设备包括AVL电力测功机、瞬态油耗仪、AVL AMA i60排气分析仪、AVL 415S烟度计及AVL 478部分流颗粒物分析仪等设备。

1.2 试验方法

本研究按照《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法 (中国第三、四阶段）（GB 20891-2014）》要求，在保证系统其余控制参数不变的情况下，分别在引入EGR（无冷却）和未引入EGR时，测量八工况测试循环工况点（见表2）的柴油机燃油消耗率和排放等参数的变化，从而研究该EGR系统对柴油机经济性及排放等特性参数的影响。

表1 发动机主要技术参数

图1 简易EGR系统示意图

表2 八工况测试点

2 试验结果分析

如表2所示，该非道路柴油机八工况测试点的排气压力（涡轮前）与进气压力（压气机后）之差，以及各工况的EGR率分别见图2和图3。图中表明，该EGR系统在排气与进气压差较大时，获得的EGR率越多，如工况1-4，但如工况5，压差为负压，即增压后的进气压力大于排气压力，废气无法通过EGR阀进入进气管，因此该工况无EGR；此外，怠速工况8，由于进气压力较低（基本与大气压力相当），因此获得的EGR率也较高。

图4显示了不同工况EGR对增压后进气歧管温度的影响，由于该发动机采用增压非中冷进气方式，增压后的进气温度较高，进一步引入非冷却的废气后，导致进气歧管温度进一步升高，可能在一定程度上补偿EGR带来的热稀释影响。

图5显示了不同工况EGR对该柴油机燃油消耗率的影响，在高负荷工况（如工况1和2），由于EGR率较小，对燃油消耗率基本没有影响，甚至因为EGR无冷却情况下的少量热废气加速了燃烧（如图5所示导致进气温度升高），使得燃油消耗有所降低；随着EGR率增大，归于缸内氧浓度降低造成的负面稀释作用[1-2]，燃油消耗率升高，如工况3；在低负荷工况（即工况4），由于过量空气系数较大，EGR率对燃油消耗率的影响很小。

图2 不同工况的排气与进气压差

图3 不同工况的EGR率

图4 EGR对进气歧管温度的影响

图5 EGR对燃油消耗率的影响

图6 和图7分别显示了不同工况EGR对该柴油机NOx和烟度排放的影响。由图可见，引入EGR后，各工况（除工况5外）的NOx排放均有不同程度的降低，而排放烟度有所增加。众所周知，柴油机的NOx和碳烟排放存在平衡关系，由于EGR的热稀释和氧稀释作用，导致缸内最高燃烧温度降低，NOx排放随之降低，但同时由于氧浓度的减小，碳烟排放也相应升高。

图6 EGR对NOx排放的影响

图7 EGR对排放烟度的影响

图8 为不同工况EGR对该柴油机HC排放的影响。由图可见，引入EGR后，各工况（除工况5外）的HC排放均有不同程度的降低，特别是在工况4的高速小负荷条件下。柴油机中的HC排放主要来源于气缸壁附近的低温淬熄区[3]，由于非冷却废气的进入和进气温度的升高，缸内气体温度相应升高，这种作用在低负荷工况更为明显，因此也大大减少了低温淬熄的HC排放浓度。

图9为不同工况EGR对该柴油机CO排放的影响。与HC排放的生成条件有所不同，CO是化学动力学的产物，其生成主要受氧浓度的影响，随着EGR率的引入，氧浓度减小，因此大部分工况的CO排放增加；但在低负荷条件下，如工况4，过量空气系数较大，氧浓度高，此时缸内温度升高（归于热废气的引入）有助于CO进一步氧化成CO2，进而减少CO排放。

图8 EGR对HC排放的影响

图9 EGR对CO排放的影响

综合上述排放结果，进行转换和加权，得到该非道路用柴油机在无EGR和带EGR条件下各排气污染物的比排放量，如表3所示。表中可见，HC、CO和NOx比排放量相比原机无EGR时均有不同程度的降低，但PM比排放量有较明显增加，主要由于碳烟排放在采用EGR后增加。综上所述，该非道路用柴油机采用本研究的简易EGR系统能满足非道路移动机械用柴油机排气污染物第三阶段排放限值的要求，但要进一步满足第四阶段排放限值（主要是PM从0.4 g/（kW·h）降低到0.025 g/（kW·h），还需要采用其它降低PM排放的措施，如增加颗粒捕集器（DPF）等。

表3 各排气污染物比排放量

3 结论

本研究介绍了一种非道路柴油机用简单、低成本废气再循环（EGR）系统，采用非道路移动机械用柴油机八工况循环实验研究了该系统非冷却EGR对一台非道路柴油机性能和排放的影响，主要结论如下：

1）该废气再循环系统EGR率主要受涡前排气压力与进气增压压力差的影响，两者的正压差越大，EGR率越大；怠速工况由于进气压力较低，EGR率也较大；在八工况测试中获得的最大EGR率约为12%。

2）在高负荷工况，EGR率较小，对柴油机的燃油经济性影响不明显；在中等负荷工况，随EGR率增大，经济性略有恶化；在低负荷工况，由于过量空气系数较大，EGR率的影响较小。

3）引入非冷却EGR后，各负荷工况点的NOx和HC排放均有不同程度的降低，但对应工况的排放烟度也有不同程度的增加，而CO排放有增有减。

4）本研究非道路柴油机采用该EGR系统的八工况加权比排放量满足第三阶段排放限值的要求。