EGR对怠速工况排放性能及燃烧噪声的影响

大洪

　　本文首先论述了研究柴油机怠速工况下使用废气再循环（EGR）的意义，随后通过试验来研究柴油机怠速工况下，EGR对排放性能及燃烧噪声的影响，试验结果表明，保持预喷提前角、预喷量及轨压等燃油参数条件不变，在怠速工况下使用EGR可以大大降低柴油机的NOX排放量；同时减弱缸内压力高频振荡，降低燃烧噪声，但使用EGR也会给柴油机的烟度和耗油量带来不同程度的负面影响。
　　近年来，随着柴油机排放法规的日益严格及用户要求的不断提高，柴油机面临的两大难题就是减少排放和降低噪声。为了匹配柴油机的轻型车排放可以达到国四、国五水平，使用EGR已经成为趋势。业界一般认为，在柴油机大负荷工况时，为保证其动力性，会减少使用或不用EGR；在怠速工况时，NOX排放浓度较低，为保证燃烧稳定性，也不用EGR；因此中、小负荷工况是EGR应用的重点区域。而在轻型车排放NEDC（新型欧洲驾驶工况）试验循环中，怠速工况出现频率较高，对排放的贡献较大，因此研究怠速工况下EGR的应用有着重要的意义。
　　本文以某轻型车用共轨直喷柴油机为样本，通过试验研究了EGR对轻型车用柴油机怠速工况排放及燃烧噪声的影响情况。
　　试验方法
　　试验样本采用匹配CRS2.2电控高压共轨燃油系统的柴油机，主要技术参数见表1。
　　选取柴油机台架怠速工况为运行环境，分析EGR阀在不同工作状态下对排放性能和燃烧噪声的影响，选取打开和关闭EGR阀的两种状态加以研究。试验设备有AVL测功机、油耗仪、燃烧分析仪、活塞漏气量仪、水恒温装置、燃油恒温装置、不透光烟度计和自动滤纸式分析仪等。压力升高率由燃烧分析仪测得、噪声由分贝仪测取，包括燃烧噪声与机械振动噪声。
　　所研究柴油机工况参数（转速为750r/min、试验中预喷提前角400μs、预喷量1.52mg及轨压41.1MPa）条件不变。
　　

　　EGR对排放性能的影响
　　有研究表明， EGR系统在最佳循环率时，在保持其他排放物、动力性和经济性无明显弱化的前提下，可以有效降低NOX排放。小负荷工况下EGR可以改善发动机的燃烧，PM的排放也基本没有加剧，因此应大力推荐使用EGR系统。
　　怠速工况时，在EGR阀关闭和EGR阀打开两种状态下，NOX值随主喷油提前角的变化曲线如图1所示。在主喷油提前角相同的前提下，EGR阀打开时的NOX值明显比关闭时的NOX值要低很多，约为1：6左右的比例关系，对削减发动机NOX排放有很大贡献。这是因为在怠速工况下，EGR阀打开，引入进气歧管的废气量增加，新鲜空气量减少，提高了进气的热容量，使得燃烧温度降低，同时相对含氧量减小，抑制了NOX的生成。
　　在怠速工况下EGR阀打开使耗油量有所增加，尽管在主喷油提前角大于-2.5°的情况下变化不明显，但随着主喷油提前角的推迟而急剧增加（见图2）。这主要是由于EGR引入的废气稀释了新鲜充量，使燃烧变得缓慢，燃烧持续期增加，此时如果喷油推迟到一定程度则引起燃烧急剧恶化，大量燃油没有充分燃烧即被排出气缸导致油耗量激增。因而在怠速工况下，引入EGR后主喷油提前角不能太小。
　　

　　由图3可以看出，在怠速工况下，相对于EGR阀关闭，EGR阀打开时烟度随主喷油提前角的变化较剧烈。因为主喷油提前角过大，与预喷间隔较小，燃油喷入气缸时缸内压力与温度较低；又因为EGR阀打开，废气的介入加大了燃烧的滞燃期使得最高燃烧温度下降，烟度明显变大；在主喷油提前角过小时由于废气的介入，相对不足的空气量和燃油不能充分混合造成较多的燃油来不及燃烧，从而导致烟度急剧增加。但在合适的主喷油提前角下，相对于EGR阀关闭状态，EGR阀打开时烟度增加较小。本文中在兼顾NOX排放、烟度及油耗量等应采用-2.5°的主喷油提前角。
　　

　　EGR对柴油机噪声的影响
　　EGR影响发动机噪声的直接原因，是EGR循环率使得压力升高率降低，缸内压力高频振荡减弱，降低了燃烧噪声，而怠速工况下柴油机的噪声主要是燃烧噪声。由图4可以看出，在同样的主喷油提前角下，EGR阀打开时的压力升高率明显比EGR阀关闭时的压力升高率低。柴油机引入EGR后，EGR系统改变了混合气的成分，废气中比热容较高的物质（如CO2等）会吸收燃烧产生的热量，对燃烧温度起抑制作用。同时加上废气中的惰性气体对燃烧的阻滞作用，这样缸内燃烧速率会减小，所以缸内压力升高率会降低。
　　由图5可以看出，在同样的主喷油提前角的前提下，EGR阀打开时的噪声明显比EGR阀关闭时的噪声要小。引入EGR后，不仅使得进气温度提高，滞燃期缩短，使得燃烧速度放缓，燃烧更均匀，缸内压力升高率降低，从而使得缸内压力高频振荡减弱。由于燃烧噪声是由气缸压力高频振荡引起的，所以控制气缸中的压力升高率是控制燃烧噪声的有效手段。由图4和图5可以综合得出，怠速工况下引入EGR会降低发动机的压力升高率及燃烧噪声。
　　结论
　　本文用试验的方法研究了怠速工况下EGR对柴油机排放性能及噪声的影响。在怠速工况下，引入EGR，NOX排放值明显减少，排放质量得到有效改善，且在合适的主喷油提前角下，烟度和油耗量增加不大；另外，EGR使得缸内压力升高率减小，压力高频振荡减弱，柴油机燃烧噪声降低。
　　

Leohu

对我工作有帮助

拼命的涛

EGR应该是在中等负荷下使用效果最佳，循环效率最高

Mickleli

楼主，非常感谢分享。
有个建议，虽然是研究EGR在怠速工况下对NOx的排放特性，可以增加轨压这个参数以及预喷油量这些控制参数，这样试验就比较完善了。