樓狄明，李響，郭石磊,2，譚丕強(qiáng)，胡志遠(yuǎn)

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804；2.聯(lián)合汽車電子有限公司，上海 201206)

柴油機(jī)具有燃油消耗低、輸出扭矩大、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、工程機(jī)械等領(lǐng)域[1]。NOx是柴油機(jī)主要排放物之一，如何有效控制NOx排放是目前柴油機(jī)排放控制的研究重點(diǎn)[2-3]。

廢氣再循環(huán)技術(shù)(Exhaust Gas Recycling，EGR)是降低柴油機(jī)NOx排放的有效方法之一[4-5]。但采用EGR技術(shù)會(huì)引起其他問(wèn)題：燃燒過(guò)程變緩，HC排放升高；空燃比降低，PM排放和煙度升高[6-7]。且在部分工況下，增壓柴油機(jī)的增壓壓力高于排氣壓力，不能有效進(jìn)行廢氣再循環(huán)?？勺兘孛鏈u輪增壓器(Variable Geometry Turbocharger,VGT)可提高渦輪增壓柴油機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)性，并改善EGR的上述不足[8-10]。VGT/EGR系統(tǒng)擴(kuò)大了EGR的適用范圍，附加成本低；通過(guò)VGT/EGR系統(tǒng)的優(yōu)化與匹配，可在保證柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，滿足日趨嚴(yán)格的排放限值[11-12]。

鑒于上述分析，基于臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各個(gè)工況點(diǎn)下的VGT閥門開度和EGR閥門開度進(jìn)行綜合優(yōu)化，為EGR與VGT的耦合優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)樣機(jī)為配備VGT與EGR的某高壓共軌重型柴油機(jī)，其主要參數(shù)見表1。試驗(yàn)所用燃料為國(guó)Ⅴ柴油，其具體理化指標(biāo)如表2所示。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

表2 燃料主要理化指標(biāo)

試驗(yàn)研究所使用的試驗(yàn)設(shè)備主要包括AVL PUMA發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架、AVL APA4F4電渦流測(cè)功機(jī)、AVL-735動(dòng)態(tài)油耗儀、AVL-i60氣體測(cè)試儀、AVL-PEUS多組分排放儀以及ETAS INCA標(biāo)定系統(tǒng)等。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架裝置示意見圖1。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架裝置示意

選取ESC循環(huán)十三工況的3個(gè)代表轉(zhuǎn)速A，B，C，分別在25%，50%，75%和100%負(fù)荷，進(jìn)行柴油機(jī)的性能與排放試驗(yàn)。通過(guò)ETAS標(biāo)定系統(tǒng)調(diào)整VGT和EGR閥門開度，EGR閥門開度分別為0，25%，50%，75%和100%，VGT閥門開度分別為40%，50%和65%。VGT閥門開度定義噴嘴環(huán)葉片轉(zhuǎn)過(guò)角度最小，渦輪有效流通截面最大為0開度；噴嘴環(huán)葉片轉(zhuǎn)過(guò)角度最大，渦輪有效流通截面最小為100%開度。

2 數(shù)學(xué)模型和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

鑒于VGT/EGR系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)排放特性的綜合影響，在進(jìn)行ESC十三工況的穩(wěn)態(tài)正交試驗(yàn)后，通過(guò)建立一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在各個(gè)工況下進(jìn)行VGT閥門開度和EGR閥門開度的選取和優(yōu)化。

引入變量i，j，k，xk(i,j)，ak，并定義如下：

1)i為工況點(diǎn)序號(hào)，i=1，2，…11，12；

2)j為不同EGR和VGT閥門開度組合對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)點(diǎn)，j=1，2，…14，15；

3)k為評(píng)價(jià)參數(shù)，k=1，2，3，4，分別對(duì)應(yīng)于NOx體積分?jǐn)?shù)、燃油消耗率、煙度和CO體積分?jǐn)?shù)；

4)xk(i,j)為第i個(gè)工況、第j個(gè)EGR和VGT閥門開度組合對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)參數(shù)k的值；

5)ak為評(píng)價(jià)參數(shù)k的權(quán)值，∑ak=1。

考慮到各評(píng)價(jià)參數(shù)之間單位或量級(jí)的不同，建立如下數(shù)學(xué)模型：

1) 計(jì)算在第i個(gè)工況，不同評(píng)價(jià)參數(shù)k在各個(gè)EGR和VGT閥門開度組合下的最大值yk(i)，即

yk(i)=Max(xk(i,j))。

2) 在第i個(gè)工況，對(duì)各個(gè)EGR和VGT閥門開度組合下的評(píng)價(jià)參數(shù)值xk(i,j)與yk(i)的比值進(jìn)行加權(quán)求和，即

3) 計(jì)算z(i,j)的最小值，最小值對(duì)應(yīng)的j即為工況i下所要選擇的EGR和VGT閥門開度組合。

在基于柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放對(duì)各個(gè)工況點(diǎn)的EGR閥門開度和VGT閥門開度進(jìn)行選取時(shí)，鑒于需求不同，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也不是唯一的?；谝陨蠑?shù)學(xué)模型，共建立3種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：

1) 由于柴油機(jī)排放中NOx與顆粒物存在著顯著的trade-off關(guān)系，故選擇NOx排放和煙度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2) 由于在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)未加裝后處理裝置，各個(gè)工況下煙度值較高。考慮到顆粒物排放可以通過(guò)機(jī)外凈化手段進(jìn)行降低，同時(shí)柴油機(jī)引入EGR后燃油消耗率升高，故選擇NOx排放和燃油消耗率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3) 柴油機(jī)由于富氧燃燒，排放中的CO和HC較低，但仍為主要排放污染物之一，為綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性能，選擇NOx和CO排放、煙度以及燃油消耗率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

各評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值如表3所示。

表3 3種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

基于以上制定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將各工況點(diǎn)、各EGR和VGT閥門開度組合下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)學(xué)模型中，得到各工況點(diǎn)選取的EGR閥門開度、VGT閥門開度及min(z(i,j))(見表4)。

表4 各工況點(diǎn)選取的EGR和VGT閥門開度

續(xù)表

為了方便對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析比較，將NOx體積分?jǐn)?shù)、燃油消耗率、煙度和CO體積分?jǐn)?shù)作為3種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比較參數(shù)。以各工況點(diǎn)下，NOx體積分?jǐn)?shù)、燃油消耗率、煙度和CO體積分?jǐn)?shù)的最大值為基準(zhǔn)，對(duì)各評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下選取的EGR和VGT閥門開度組合對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行分析比較。

下文中所涉及的符號(hào)釋義如下：

aNOx為NOx排放在其基準(zhǔn)值中的占比；a煙度為煙度在其基準(zhǔn)值中的占比；a油耗率為油耗率在其基準(zhǔn)值中的占比；aCO為CO排放在其基準(zhǔn)值中的占比。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

各評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下優(yōu)化結(jié)果的評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)比如圖2所示。從圖中可見：

1) 在NOx排放方面，3種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化結(jié)果中，標(biāo)準(zhǔn)三的aNOx在各個(gè)工況點(diǎn)都處于較高水平，在A25，A50，…C100各工況點(diǎn)下，aNOx分別為26.2%，60.2%，48.5%，52.1%，94.7%，62.7%，37.1%，24.0%，54.4%，57.2%，31.1%和29.5%；而標(biāo)準(zhǔn)二的aNOx在各工況點(diǎn)均處于較低水平，aNOx分別為24.7%，31.6%，21.0%，22.6%，38.9%，22.7%，8.9%，7.5%，27.7%，14.0%，14.1%和14.8%；標(biāo)準(zhǔn)一的aNOx在標(biāo)準(zhǔn)二和標(biāo)準(zhǔn)三之間。

2) 在煙度方面，標(biāo)準(zhǔn)二由于未考慮煙度，其優(yōu)化結(jié)果的a煙度明顯高于其他兩種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，部分工況選取的EGR和VGT閥門開度對(duì)應(yīng)的煙度值為該工況下的最大值，在A25，A50，…C100各工況點(diǎn)下，a煙度分別為55.1%，100%，100%，100%，100%，100%，100%，100%，86.2%，100%，81.0%和88.1%；標(biāo)準(zhǔn)一和標(biāo)準(zhǔn)三的a煙度明顯低于標(biāo)準(zhǔn)二，且標(biāo)準(zhǔn)三的a煙度更低。

3) 在燃油消耗率方面，3種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化結(jié)果中a油耗率相差不大，均在74.8%以上，其中標(biāo)準(zhǔn)二的a油耗率略高于其他兩種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

4) 在CO排放方面，大部分工況下標(biāo)準(zhǔn)二的aCO明顯高于其他兩種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化結(jié)果，在A25，A50，…C100各工況點(diǎn)下，aCO分別為100%，88.7%，66.7%，25.3%，97.3%，100%，100%，100%，78.4%，100%，83.9%和86.6%；標(biāo)準(zhǔn)三的aCO處于較低水平，分別為74.3%，36.7%，14.0%，12.6%，41.2%，10.5%，10.7%，8.5%，44.6%，11.5%，30.8%和18.6%；標(biāo)準(zhǔn)一的aCO在標(biāo)準(zhǔn)二和標(biāo)準(zhǔn)三之間。

從上述分析可知，由于各評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化目標(biāo)不同，各工況點(diǎn)選取的EGR和VGT閥門開度及其對(duì)應(yīng)的NOx體積分?jǐn)?shù)、煙度、燃油消耗率和CO體積分?jǐn)?shù)均不相同。以折中NOx排放和煙度為目標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)一，其NOx體積分?jǐn)?shù)、煙度、燃油消耗率和CO體積分?jǐn)?shù)均處于中等水平；以優(yōu)化NOx排放和燃油消耗率為目標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)二，其NOx體積分?jǐn)?shù)處于較低水平，燃油消耗率與其他兩種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)，而煙度和CO體積分?jǐn)?shù)則明顯高于其他兩種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；綜合考慮NOx排放、煙度、燃油消耗率和CO體積分?jǐn)?shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)三，其NOx體積分?jǐn)?shù)明顯高于標(biāo)準(zhǔn)一和標(biāo)準(zhǔn)二，CO體積分?jǐn)?shù)較低，煙度和燃油消耗率與其他兩種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)。試驗(yàn)研究所用發(fā)動(dòng)機(jī)并未加裝后處理裝置，考慮到標(biāo)準(zhǔn)一的優(yōu)化結(jié)果中各評(píng)價(jià)參數(shù)均處于中等水平，且EGR降低柴油機(jī)NOx排放后，可通過(guò)加裝SCR使NOx排放進(jìn)一步降低，還可以通過(guò)加裝DOC，DPF等后處理裝置使CO排放和煙度顯著降低，故基于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)一對(duì)EGR和VGT閥門開度組合進(jìn)行優(yōu)化。

全試驗(yàn)工況下，優(yōu)選的EGR和VGT閥門開度如圖3所示。從圖中可見，隨著轉(zhuǎn)速的升高，EGR閥門開度逐漸減小，且相同轉(zhuǎn)速下，EGR閥門開度先增大后減小；中等負(fù)荷下，VGT閥門開度較小，隨著轉(zhuǎn)速的升高，閥門開度逐漸增大。

圖2 各評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下的優(yōu)化結(jié)果

圖3 優(yōu)選的EGR和VGT閥門開度

全試驗(yàn)工況下，優(yōu)化后的NOx排放、煙度、燃油消耗率和CO排放如圖4所示。從圖中可見，NOx排放整體較低，但大負(fù)荷及高轉(zhuǎn)速工況下，NOx排放顯著升高；中等負(fù)荷下，尾氣煙度極低，但低速大負(fù)荷工況下煙度迅速升高；燃油消耗率整體較低，高速小負(fù)荷工況下油耗率顯著提高；中高轉(zhuǎn)速下，CO排放較低，低速大負(fù)荷工況下CO尾氣排放嚴(yán)重。

圖4 優(yōu)化后的評(píng)價(jià)參數(shù)

4 結(jié)論

a) 標(biāo)準(zhǔn)一相比于其他方案，各評(píng)價(jià)參數(shù)均處于中等水平；標(biāo)準(zhǔn)二的NOx排放處于較低水平，而煙度和CO排放較高；標(biāo)準(zhǔn)三NOx排放較高，而CO排放較低；

b) 基于標(biāo)準(zhǔn)一對(duì)EGR和VGT閥門開度進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明：相同轉(zhuǎn)速下，隨著負(fù)荷的增大，EGR閥門開度先增大后減小；中等負(fù)荷下，VGT閥門開度較小，轉(zhuǎn)速較高時(shí)，閥門開度增大；

c) 標(biāo)準(zhǔn)一的優(yōu)化結(jié)果整體較優(yōu)，但大負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速工況的NOx排放及低速大負(fù)荷工況的CO排放問(wèn)題嚴(yán)重，且在低速大負(fù)荷工況下煙度急劇升高。為緩解以上問(wèn)題，需通過(guò)調(diào)節(jié)噴油正時(shí)對(duì)柴油機(jī)的性能作進(jìn)一步優(yōu)化。