黃德軍 朱紅國 田茂軍 伍晨波 唐卜 羅宏偉

（中國汽車工程研究院股份有限公司）

城市道路工況下冷卻式EGR積碳臺架試驗研究

黃德軍 朱紅國 田茂軍 伍晨波 唐卜 羅宏偉

（中國汽車工程研究院股份有限公司）

基于城市道路車輛行駛工況設(shè)計EGR積碳發(fā)動機臺架試驗并進行1000h的試驗研究，對比分析EGR系統(tǒng)積碳試驗前、后的整車排放性能。結(jié)果表明，隨著試驗時間增加，EGR冷卻器熱效率逐漸下降，廢氣壓力損失不斷增大，在700h后逐漸趨于穩(wěn)定；EGR閥遲滯特性逐漸增大，閉環(huán)開啟響應(yīng)時間變慢；EGR系統(tǒng)積碳導(dǎo)致整車污染物排放惡化，尤其是對NOx和PM排放的影響更加明顯。

1 前言

EGR是目前公認的有效降低NOx的措施之一[1]，而EGR冷卻技術(shù)在進一步降低NOx排放的同時，能有效抑制PM排放量的增加和發(fā)動機經(jīng)濟性的惡化[2]。然而，冷卻式EGR系統(tǒng)受排氣中污染物成分和冷凝作用的影響，在其內(nèi)壁面容易形成積碳污垢[3]，影響EGR閥開閉特性和冷卻器性能，嚴重情況會導(dǎo)致EGR閥卡滯和冷卻器堵塞，尤其是城市道路上行駛的車輛，其發(fā)動機長期處于低轉(zhuǎn)速低負荷工況，低溫排氣中的污染物受冷凝作用的影響更加明顯，從而將在EGR系統(tǒng)內(nèi)沉積形成更多的積碳污垢。

傳統(tǒng)的可靠性試驗與經(jīng)驗設(shè)計不能準確代表車輛的真實復(fù)雜運行情況，因此必須深入了解實際使用條件下EGR系統(tǒng)積碳污垢對其性能的影響。本文通過采集試驗樣車在城市典型道路的行駛工況信號，解析得到發(fā)動機試驗臺架的EGR積碳試驗工況，進而設(shè)計試驗流程并在瞬態(tài)電力測功機臺架系統(tǒng)上進行試驗，研究積碳對EGR閥遲滯特性、EGR閥瞬態(tài)響應(yīng)、冷卻器換熱效率及廢氣壓力損失的影響。

2 EGR系統(tǒng)積碳形成機理及試驗設(shè)計

2.1 EGR系統(tǒng)積碳形成機理

發(fā)動機廢氣中含有的氣態(tài)H2O、HC、NOx及固態(tài)碳煙顆粒等物質(zhì)容易附著在EGR系統(tǒng)內(nèi)壁面上，最終形成固態(tài)積碳污垢層，其中HC和碳煙顆粒對EGR系統(tǒng)積碳的形成起主要作用[4]。EGR系統(tǒng)積碳層形成過程[5]為內(nèi)壁面溫度低于HC的相對露點溫度時，導(dǎo)致HC沉積；顆粒物繼續(xù)沉積在壁面上，受氣體流動沖擊和廢氣與內(nèi)壁面溫度梯度導(dǎo)致的熱泳作用的影響，污垢層被繼續(xù)壓緊；H2O、H2SO4、HC和NOx受到冷卻、擴散和吸收作用影響，繼續(xù)積聚在原有的污垢層上，使其被進一步壓緊。

2.2 發(fā)動機臺架工況

選用某輕型柴油客車為試驗樣車，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所列。

表1 試驗樣車主要技術(shù)參數(shù)

采集試驗樣車在典型城市主干道上正常行駛時的車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油門踏板位置、EGR開度及EGR冷卻溫度等信號，在試驗臺架上基于發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門信號來再現(xiàn)道路車輛行駛工況。發(fā)動機試驗臺架如圖1所示。

HC和碳煙顆粒是EGR系統(tǒng)內(nèi)壁積碳的主要成分。積碳受4個因素的影響[6]：高的EGR冷卻器入口顆粒物質(zhì)量或數(shù)量濃度；高的廢氣溫度梯度；低的EGR冷卻器出口廢氣溫度；顆粒物中高含量的可溶性有機物(SOF)。選取一段900s內(nèi)車輛低速低負荷行駛工況來構(gòu)建EGR臺架積碳試驗的工況。圖2為樣車實際行駛車速與發(fā)動機運行工況對應(yīng)關(guān)系。車輛經(jīng)過反復(fù)加減速、恒速及停車怠速工況，平均車速為29.5 km/h,怠速時間占循環(huán)總時間的18.8%。對應(yīng)的發(fā)動機臺架工況為基于時間的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩均在變化的瞬態(tài)工況，發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍為800～2 800 r/min，平均轉(zhuǎn)速為1 500 r/min；負荷較低，最大工況扭矩為186 N·m,平均扭矩僅為31 N·m。圖3為臺架工況下的EGR冷卻溫度與EGR閥實際開度?？梢钥闯?，EGR冷卻器出口廢氣溫度較低，最高溫度為162℃，平均溫度僅為103℃；EGR閥開度隨發(fā)動機工況變化而變化，其開度范圍為0～77%。

圖4為臺架工況下EGR廢氣中的HC濃度和煙度?？芍?，通過測量廢氣中的煙度排放能間接反映顆粒物排放值，廢氣中的HC濃度及煙度排放隨發(fā)動機工況變化而變化，HC濃度及煙度峰值出現(xiàn)在發(fā)動機急加速工況，HC體積濃度峰值超過了5 000×10-6，廢氣中煙度值越大，顆粒物排放值也越大，煙度峰值超過了7 m-1，兩者平均值分別為674×10-6和0.354 m-1。

2.3 積碳臺架試驗流程

EGR積碳試驗臺架搭建過程需確保發(fā)動機冷卻液流量特性與整車狀態(tài)一致。以體現(xiàn)城市道路上車輛實際使用狀態(tài)為前提，在保證發(fā)動機臺架試驗高效運行的基礎(chǔ)上，參照美國福特公司對EGR系統(tǒng)積碳試驗考核的工程經(jīng)驗，構(gòu)建EGR積碳試驗循環(huán)，即分別由駕駛循環(huán)、停機熱浸、起動和自然冷卻工況組成。發(fā)動機運行900 s后，進行300 s的停機熱浸，組成一個用時1 200 s的試驗子循環(huán)；發(fā)動機運行264個子循環(huán)后，停機靜置自然冷卻12 h，即為一個EGR積碳試驗循環(huán)（共100 h）；共運行10個循環(huán)即1 000 h臺架試驗。每次循環(huán)結(jié)束后，利用特制的信號發(fā)生器測量冷態(tài)EGR閥的遲滯特性和閉環(huán)開啟響應(yīng)時間；測量發(fā)動機正常工作狀態(tài)下所需最大EGR廢氣質(zhì)量流量工況（轉(zhuǎn)速和扭矩分別為3 000 r/min和110 N·m，EGR廢氣質(zhì)量流量為70 kg/h）下的EGR冷卻器進出口的廢氣壓力、廢氣溫度、冷卻液溫度，得到冷卻器壓降和換熱效率，換熱效率的計算方法見式（1）。積碳試驗前、后的EGR系統(tǒng)部件分別裝配在試驗樣車上，按照GB18352標準進行Ⅰ型排放試驗，測量NOx、CO、HC、CO2及顆粒物污染物排放。

式中,Tgas.inlet和Tgas.outlet分別為冷卻器進、出口廢氣溫度；Tcoolant.inlet為冷卻液進口溫度。

3 試驗數(shù)據(jù)與分析

3.1 EGR冷卻器性能

在發(fā)動機試驗臺架上選取最大EGR廢氣質(zhì)量流量工況點來分析冷卻器性能變化。污垢層的產(chǎn)生阻礙了氣體與壁面間的換熱，使得冷卻效率下降，同時污垢層減少了氣體流動空間，增大了流動阻力。由圖5冷卻器效率和壓降隨時間的變化關(guān)系可知，隨著時間的增加，冷卻器內(nèi)壁沉積的污垢層數(shù)量增加，冷卻器廢氣進出口壓降從初始狀態(tài)的1.5 kPa增加到10.1 kPa，冷卻效率從 80.1%到 52.0%，下降了28.1%。從兩條曲線的斜率變化可以看出，在700 h前，斜率較大，之后逐漸平穩(wěn)，這是因為開始時冷卻器較潔凈，發(fā)動機廢氣中的濕HC和碳煙顆粒易大多吸附在內(nèi)壁面，此時污垢層的積聚占主導(dǎo)作用；隨著時間延長，高溫氣體誘發(fā)積碳層自行燃燒，在廢氣氣流作用下污垢層自行脫落，此時積碳層的降解作用增強，與積聚作用逐漸達到平衡，因此冷卻器性能不再隨時間持續(xù)惡化，而是在臺架運行到700 h以后逐漸達到穩(wěn)定、平衡。

3.2 EGR閥性能

EGR閥開環(huán)遲滯測量原理（圖6）：當信號發(fā)生器觸發(fā)開關(guān)按下，驅(qū)動電壓從A點基于時間序列線性增加到最大值4V后維持3s即減為零，此期間當監(jiān)測到EGR自身的位置傳感器信號開度為95%時（B點），立即將驅(qū)動電壓降為開度為5%對應(yīng)的驅(qū)動電壓值（C點），然后再線性減小到零（D點），記錄整個過程的驅(qū)動電壓和EGR閥開度，對比EGR閥相同開度所需的驅(qū)動電壓大小來分析EGR閥的遲滯特性。如EGR閥開啟方向驅(qū)動電壓越大，則開啟過程的遲滯特性越大；EGR閥關(guān)閉方向驅(qū)動電壓越小，則關(guān)閉過程的遲滯特性越大。由圖6可知，隨著驅(qū)動電壓的增加，EGR閥開度也相應(yīng)增大，但是兩者之間為非線性關(guān)系。由圖7可以看出，驅(qū)動電壓隨臺架運行時間變化而變化。EGR開啟方向，90%開度的驅(qū)動電壓從2.11 V到3.75 V，增大了78.6%，從而EGR閥開啟過程的遲滯特性顯著增大；EGR關(guān)閉方向，90%開度的驅(qū)動電壓從0.45 V到0.14 V，減少了68.9%，因而EGR閥關(guān)閉過程的遲滯特性也明顯變大。隨著臺架運行時間的增加，濕HC和固態(tài)顆粒物不斷沉積在EGR閥內(nèi)表面形成污垢物，由于污垢物具有一定的粘性，尤其是粘結(jié)在EGR閥運動副表面的厚度越大，EGR閥開啟阻力越大；另外EGR閥執(zhí)行機構(gòu)受高溫廢氣及長時間頻繁動作影響會出現(xiàn)一定程度的老化，從而導(dǎo)致所需驅(qū)動電壓增大；關(guān)閉過程則恰恰相反，在回位彈簧和驅(qū)動電壓作用下EGR閥關(guān)閉，污垢層產(chǎn)生粘結(jié)阻力越大，則驅(qū)動電壓越小，最終使得EGR閥開啟和關(guān)閉兩過程的遲滯特性均變大。

圖8給出了利用特制的信號發(fā)生器測量基于EGR閥位置信號閉環(huán)控制下的從零到90%開度的響應(yīng)時間（T90），信號發(fā)生頻率為200 Hz。隨著發(fā)動機臺架運行時間的增加，EGR閥遲滯特性逐漸增大，從而使得EGR閥閉環(huán)開啟響應(yīng)時間變慢。從圖9可以看出，T90隨積碳時間的增加而變大，從初始狀態(tài)下的110 ms到300 ms，響應(yīng)時間增大了173%。

3.3 整車排放性能影響

為進一步考察EGR系統(tǒng)積碳對整車排放的影響，將積碳試驗前、后EGR系統(tǒng)部件分別安裝在試驗樣車上，進行整車NEDC循環(huán)排放測試。EGR冷卻器積碳導(dǎo)致其換熱效率降低，EGR廢氣溫度升高，使得進氣充量的溫度升高，節(jié)流損失增大，新鮮進氣充量相應(yīng)有所減少，過量空氣系數(shù)減小，混合氣溫度增高使滯燃期有所縮短，燃燒最高溫度增高[7]；EGR閥積碳及老化導(dǎo)致遲滯效應(yīng)增大，從而導(dǎo)致發(fā)動機工況突變過程中EGR率控制響應(yīng)滯后。表2所列為EGR系統(tǒng)積碳試驗前、后整車樣車上進行的排放測試結(jié)果。通過對比可以看出，積碳試驗后的整車排放結(jié)果均有所惡化，NOx和PM排放增大9.9%和4.1%，其它污染物排放結(jié)果增大2%左右。

表2 EGR積碳前、后整車排放測試數(shù)據(jù) g/km

4 結(jié)束語

a.基于車輛在城市道路上真實的行駛工況，針對EGR系統(tǒng)積碳，設(shè)計了一套發(fā)動機臺架試驗流程。

b.隨著臺架試驗時間的增加，最大EGR流量工況下冷卻器換熱效率從80.1%下降到52.0%，廢氣壓力損失從1.5 kPa增大到10.1 kPa；EGR閥遲滯特性逐漸增大，導(dǎo)致T90從110 ms增大到300 ms。

c.EGR系統(tǒng)積碳試驗前、后的整車排放結(jié)果表明，積碳將導(dǎo)致整車污染物排放惡化，NOx和PM排放值增大了9.9%和4.1%。

d.在進行EGR系統(tǒng)部件的設(shè)計與改進時，需考慮積碳對其性能的影響，以保證發(fā)動機全壽命周期內(nèi)的排放滿足標準限值要求。

1 張振東,褚超美,周萍.增壓直噴柴油機EGR控制系統(tǒng)設(shè)計.汽車工程,2004,26（2）:136～138.

2 陳群,劉巽俊,李駿,等.車用柴油機冷EGR系統(tǒng)的試驗研究.汽車工程,2001,23（6）:392～395.

3 Zhan R,Eakle S,Miller J，etal.EGR System Fouling Con?trol.SAE Paper 2008-01-0066.

4 Mohamed Salam Abd-Elhady,Mohammad Reza Malayeri, Hans Müller-Steinhagen.Fouling Problems in Exhaust Gas Recirculation Coolers in the Automotive Industry.Heat Transfer Engineering,2011,32（3/4）:248～257.

5 侯鑒龍,倪計民.EGR冷卻器積碳機理研究.車用發(fā)動機, 2008,176:1～4.

6 Anthony J.Heavy duty OBF-EGR System.SWRI Internal Report,2007.

7 朱瑞軍,王錫斌,冉帆,等.EGR和冷EGR對柴油機燃燒和排放的影響.西安交通大學(xué)學(xué)報,2009,43（9）:23～26.

（責任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2015年3月1日。

Bench Test Study of Fouling on Cooled EGR System in Urban Road Driving

Huang Dejun,Zhu Hongguo,Tian Maojun,Wu Chenbo,Tang Bo,Luo Hongwei
（China Automotive Engineering Research Institute Co.Ltd）

EGR fouling engine bench test is designed based on the urban road traffic conditions and is subjected to 1000 hours engine test to investigate the effect of EGR system fouling on the vehicle emission performance.Results show that with the increase of engine test duration:EGR cooler thermal efficiency declines gradually while the exhaust pressure loss increases,and both of them gradually become stable after 700 hours;EGR valve hysteresis characteristics increase and the closed-loop response time slows down gradually;EGR system fouling would lead to the deterioration of vehicle emissions,especially for NOX and PM emissions.

Engine,Cooled EGR,Carbon deposit,Bench test

發(fā)動機 冷卻式EGR 積碳 臺架試驗

U464.134+.4

A

1000-3703（2015）07-0038-04