關鍵詞：柴油機；廢氣再循環(huán)；缸內壓力；缸內溫度；燃燒放熱率

0前言

汽車尾氣作為有害氣體的重要來源之一，所受到的約束和控制越來越嚴苛［1］。汽車尾氣中的污染成分主要包括碳氫化合物、氮氧化物（NOx）、CO、CO₂、SO₂、顆粒物以及醛類化合物等［2-3］。其中，NO_x 會形成光化學煙霧，對人體中樞神經(jīng)產(chǎn)生不良影響。2018年6月28日，GB 17691—2018《 重型柴油車污染物排放限值及測試方法（中國第六階段）》發(fā)布，其對車輛的排放限值提出了更高的要求，在其中的世界統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)（WHSC）工況和世界統(tǒng)一瞬態(tài)測試循環(huán)（WHTC）工況下，柴油機的NO_x 排放限值均為460 mg/（kW·h）［4］。柴油機在富氧燃燒狀態(tài)下工作，與汽油機相比，其缸內混合氣較不均勻，因此其排放污染物中CO 和碳氫化合物較汽油機降幅較大，NO_x 和顆粒物的含量則大幅上升。對于柴油機而言，NO_x 和顆粒物是減排技術關注的重點內容。目前，主流技術路線可分為優(yōu)化燃燒+選擇性催化還原（SCR）和廢氣再循環(huán)（EGR）+ 柴油機氧化催化（DOC）/柴油機顆粒捕集（DPF）/SCR［5］，這2 種技術路線均可使各項排放指標達到限值要求［6-8］。

EGR 系統(tǒng)在改善柴油機NO_x 的排放方面效果顯著。然而，隨著EGR 率的增加，發(fā)動機缸內燃燒條件發(fā)生改變，EGR 可能會對柴油機的動力性和經(jīng)濟性產(chǎn)生影響。YOKOMURA 等［9］開發(fā)并試驗了閉環(huán)EGR 控制系統(tǒng)，將EGR 閥開度作為控制系統(tǒng)的反饋信號來源，通過檢測空氣質量流量和發(fā)動機運行狀況來估算發(fā)動機的過量空氣系數(shù)。閉環(huán)控制對于改善發(fā)動機瞬態(tài)工況下的NO_x 排放水平以及控制炭煙排放的效果明顯。SERRANO 等［10］通過試驗測試以及理論計算，全局分析了EGR 回路對高速柴油機瞬態(tài)工況的影響，建立了一維仿真模型并分析了發(fā)動機的加速工況，通過參數(shù)研究法研究了EGR 中冷器和EGR 回路壓力損失對發(fā)動機熱效率的影響。WAHLSTR?M 等［11］提出了一種采用比例-積分-微分（PID）優(yōu)化EGR 率的控制方法。彭海勇等［12］在1 臺135 型單缸直噴柴油機上分別進行內部、外部EGR 條件下的冷啟動試驗，分析了內、外部EGR 對柴油機冷啟動過程中著火燃燒性能及排放的影響。王忠［13］提出了一種方便測量排氣再循環(huán)量指標的方法，分析了EGR 對柴油機燃燒過程、動力性、經(jīng)濟性和排放指標的影響。樓狄明等［14］對增壓柴油機EGR 技術進行了試驗研究，分析了不同工況下EGR 率對柴油機動力性、經(jīng)濟性和排放性能的影響規(guī)律?，F(xiàn)有研究表明，EGR 是一種高效控制柴油機NOx排放的技術手段。

研究人員針對EGR 對降低柴油機NOx 的作用效果方面進行了廣泛研究，然而，EGR 在降低柴油機NOx 排放的同時，也會影響柴油機缸內燃燒條件，多數(shù)研究尚未探討EGR 閥開度對缸內燃燒特性的影響規(guī)律。本文通過精確控制EGR 閥與可變截面渦輪增壓系統(tǒng)（VGT）的開度，對1 臺高壓共軌重型柴油機進行EGR 與VGT 穩(wěn)態(tài)正交試驗，分析了不同工況下缸內壓力、溫度和燃燒放熱率隨EGR 閥開度的變化規(guī)律，探究了EGR 閥開度對柴油機缸內燃燒特性的影響，對優(yōu)化柴油機排放性能具有指導意義。

1試驗系統(tǒng)與方法

1. 1試驗系統(tǒng)

圖1 為EGR 閥開度對柴油機燃燒特性影響的試驗系統(tǒng)示意圖。在試驗時，使用PUMA 控制臺作為試驗臺架的主控設備，對柴油機進行控制。試驗中使用的柴油機為某型帶有VGT 與EGR 的高壓共軌增壓中冷重型柴油機，VGT 可通過改變渦輪噴嘴環(huán)截面開度來調節(jié)通過渦輪的飛起流速，以此適應不同發(fā)動機工況的需求。該柴油機的主要技術參數(shù)見表1。試驗時，該柴油機使用滿足國五標準的0號柴油。為研究發(fā)動機的工作狀態(tài)，使用1 臺DEWE-5000燃燒分析儀對柴油機缸內燃燒情況進行分析。

使用基于總線標定協(xié)議（CCP）的ETASINCA 軟件對發(fā)動機進行標定。具體實施步驟為：① 通過接口模塊ES590 向電控單元（ECU）開發(fā)板發(fā)送控制參數(shù)；② 對高壓油泵、噴油器、EGR 閥和節(jié)流閥進行控制。本研究對EGR 閥與VGT 的開度、噴油量、噴油提前角，以及軌壓等參數(shù)進行了標定，當試驗控制臺給ECU 上電后，ETAS INCA 軟件與ECU 建立通信，當發(fā)動機運轉時，軟件可實時改變上述參數(shù)，并記錄ECU中的噴油、軌壓，以及EGR 與VGT 開度等參數(shù)，在瞬態(tài)過程中可以很好地表征EGR 閥開度的路徑。

1. 2試驗方法

本研究采用圖1 中的試驗系統(tǒng)進行EGR 與VGT 穩(wěn)態(tài)正交試驗。使用ETAS INCA 軟件控制發(fā)動機處于穩(wěn)態(tài)運行時的EGR 與VGT 參數(shù)，在歐洲穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)（ESC）十三工況法穩(wěn)態(tài)工況下改變柴油機EGR 閥開度及VGT 開度，探究EGR 閥的開度變化對柴油機缸內燃燒特性的影響。

本研究選取ESC 十三工況法的工況點，對應的A、B和C 轉速分別為1295 r/min、1590 r/min 和1 885 r/min。在正交試驗中EGR 閥的開度分為5 檔，從全閉到全開，分別為0%、25%、50%、75%和100%。

VGT 的開度分為3 檔，分別為40%、50% 和65%。

2 試驗分析

2. 1 EGR 閥開度對缸內壓力的影響

圖2 為A 轉速下VGT 開度為50% 時柴油機各負荷下缸內壓力隨EGR閥開度的變化規(guī)律。如圖2 所示，A 轉速下所有工況點的缸內壓力均呈雙峰形，第1 個峰值出現(xiàn)在上止點前，第2 個峰值出現(xiàn)在上止點后。在所有工況下，缸內壓力均隨著EGR 閥開度的增大逐漸減小，EGR 閥開度高于50% 后缸內壓力的變化不大。

圖3為B轉速下柴油機在不同負荷下缸內壓力隨EGR 閥開度的變化規(guī)律。B 轉速下柴油機缸內壓力隨EGR 閥開度的變化規(guī)律與A 轉速時基本一致，EGR 閥開度越大，缸內壓力越小，缸壓曲線呈現(xiàn)雙峰特征，VGT 開度變大時缸內壓力隨EGR 閥開度的變化更為明顯。中低負荷時，上止點前的缸壓峰值大于上止點后的缸壓峰值；高負荷時，上止點前的缸壓峰值小于上止點后的缸壓峰值。其原因是低負荷時缸內噴油量少，燃燒放熱量較低。EGR 閥開度高于50% 后，缸內壓力的變化量較小。

圖4為C轉速下柴油機不同負荷下缸內壓力隨EGR閥開度的變化規(guī)律。C 轉速下缸內壓力隨EGR 閥開度的變化規(guī)律與A、B轉速時有一定的相似性。在該轉速下，低負荷時EGR 可顯著降低缸內壓力，而在高負荷時該作用不明顯。與A、B轉速不同的是，C 轉速下所有工況點的缸壓曲線均呈單峰特征。柴油機負荷為347 N·m、VGT 開度分別為40%、50% 和65% 時，EGR 閥全開相較于全關時的缸壓降幅分別為14.27%、26.38% 和27.47%，而柴油機負荷為1 386 N·m 時對應的缸壓降幅分別為2.37%、5.58% 和5.65%。

試驗表明，EGR 對柴油機缸內壓力的影響是通過減小缸內進氣量而影響缸內空燃比，進而降低燃燒質量，減小缸內壓力。在A、B轉速下各工況點出現(xiàn)的雙峰特征中，第1 峰值是由于活塞上行，壓縮缸內氣體，形成壓力峰值；而第2峰值是由于缸內混合氣燃燒，相較于因此時活塞處于下行階段而導致壓力下降，燃燒產(chǎn)生的壓力更高。隨著負荷增大及噴油提前角的提前，燃燒始點也會提前，使得第1 峰值逐漸消失。隨著EGR 閥開度的增大，雖然所有工況下2 個壓力峰值都出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，但機理不同。第1 峰值的下降是由EGR 廢氣回流，造成缸內進氣量減少；第2 峰值的下降是由于燃燒過程中空燃比下降，使得燃燒不充分。

2. 2 EGR閥開度對缸內溫度的影響

圖5為A轉速時柴油機各負荷下的缸內溫度隨EGR閥開度變化的曲線。如圖5所示，不同工況下，隨著EGR閥開度的增大，缸內溫度依次降低。中低負荷時，EGR廢氣回流對柴油機缸內溫度的降低作用更為明顯，而高負荷下缸內溫度降幅較小。VGT開度較大時EGR 對缸內溫度的影響較為顯著。在A 轉速下，不同負荷時缸內溫度曲線均呈雙峰特征，2 個峰值分別出現(xiàn)在上止點前、后。隨著負荷的增大，上止點前的峰值越來越不明顯。EGR 影響柴油機缸內燃燒溫度的原因主要是影響其滯燃期和缸內空燃比。在低負荷時，EGR 的回流廢氣中含有大量的高比熱容氣體，如CO₂和水蒸氣，使等量氣體吸收的熱量增大，缸內溫度降低，滯燃期延長，同時廢氣回流也造成了缸內氧含量的降低，低負荷時噴油量較少，此時氧含量并非主要影響因素。滯燃期的延長使得預混合氣體較多，燃燒開始時放熱率較快，造成低負荷時缸內溫度第2 峰值前段曲軸轉角內有、無EGR 時差別不明顯。在高負荷時，缸內溫度本身較高，因此EGR 回流廢氣中的高比熱容氣體吸熱降溫不是影響柴油機的主要因素，而此時缸內噴油量的增加使得氧含量成為主要影響因素，EGR 廢氣回流造成的缸內空燃比降低很大程度上影響了缸內燃燒質量，因此缸內溫度出現(xiàn)了明顯的降幅。

圖6為B轉速時不同負荷下缸內溫度隨EGR閥開度的變化曲線。B轉速下EGR閥開度對柴油機缸內溫度的影響規(guī)律與A 轉速時基本一致。VGT開度較小時，隨著EGR 閥開度的增大，缸內溫度的降幅較小；VGT 開度較大時，缸內溫度的降幅隨EGR 閥開度的增大而增大。缸內溫度曲線呈現(xiàn)雙峰特征，兩峰分別位于上止點前后，且隨著負荷的增大，缸內溫度曲線的雙峰特征越來越不顯著，第1 個峰值有消失的趨勢。

圖7為C轉速時低負荷下不同EGR 閥開度對缸內溫度的影響曲線。C 轉速下缸內溫度隨著EGR 閥開度的增大而減小，VGT 開度越大，隨著EGR 閥開度的增大，缸內溫度降幅越明顯，這與A、B 轉速下的規(guī)律一致。C 轉速時所有負荷下缸內溫度曲線的雙峰特征均不明顯，低負荷時基本呈現(xiàn)單峰特征。

綜合ESC 十三工況法的工況點試驗結果可以得出，EGR 回流廢氣會降低柴油機的缸內溫度，EGR 降低柴油機缸內溫度的效果隨著EGR 閥開度的增大而增大。與高負荷相比，低負荷時EGR 對柴油機缸內溫度的影響更大；與VGT 開度較大相比，VGT 開度較小時，EGR 對柴油機缸內溫度的影響更小。在A、B 轉速的所有負荷，以及C 轉速的中高負荷下，柴油機的缸內溫度曲線呈現(xiàn)明顯的雙峰現(xiàn)象；在C 轉速的低負荷下，柴油機的缸內溫度曲線雙峰現(xiàn)象不明顯。

2. 3 EGR 閥開度對燃燒放熱率的影響

圖8為A 轉速下VGT 開度為50% 時不同負荷下EGR 閥開度對燃燒放熱率的影響曲線。如圖8 所示，在A 轉速的各工況下EGR 對缸內燃燒放熱率的影響規(guī)律一致。中低負荷時，EGR 對燃燒放熱率的影響不顯著；在高負荷時EGR 閥對燃燒放熱率的影響趨于明顯。EGR 閥開度對缸內燃燒放熱率的影響主要集中在滯燃期后的區(qū)域內。中低負荷時，缸內燃燒放熱率呈單峰趨勢；高負荷時，缸內燃燒放熱率明顯呈雙峰趨勢。在低負荷時EGR 廢氣回流在一定程度上會提高柴油機的燃燒放熱率，其原因是低負荷時缸內噴油量較少，少量EGR 回流廢氣不會影響缸內的富氧環(huán)境，回流廢氣中高比熱容的CO₂和水蒸氣會使滯燃期變長，預混氣體增加，使得燃燒放熱率升高。EGR閥開度過高時，這種促進作用隨著EGR 閥開度的增大而減小。在中高負荷下EGR 回流廢氣會降低柴油機的燃燒放熱率。

圖9為B轉速下VGT開度為40%時，各負荷下EGR 閥開度對燃燒放熱率的影響曲線。B 轉速下柴油機燃燒放熱率受EGR 閥開度的影響與A 轉速時基本一致，僅在扭矩為381 N·m、VGT 開度為40%時燃燒放熱率隨著EGR 廢氣的引入而升高，此時EGR 閥全開較全關時的放熱率增幅為2.62%。

圖10 為C 轉速下VGT 開度為65% 時不同負荷對燃燒放熱率的影響曲線。在C 轉速的所有負荷下，隨著EGR 閥開度的增大，柴油機燃燒放熱率均下降。在低轉速、低負荷下EGR 在一定程度上可提高柴油機的燃燒放熱率，而在其他工況下均起到抑制作用。低負荷時缸內燃燒放熱率峰值有所提升，這是因為EGR 廢氣回流導致滯燃期延遲，可燃混合氣增加，缸內噴油量小，燃燒過程對缸內氧含量的敏感性不強，預混燃燒質量較好。高負荷時缸內燃燒放熱率呈現(xiàn)雙峰趨勢，前1 個峰值是預噴燃燒產(chǎn)生的，后1 個峰值是主噴燃燒形成的。隨著EGR 閥開度的增大，2 個峰值均降低，高負荷工況對于柴油機缸內進氣十分敏感，EGR 降低了缸內氧含量是導致放熱率峰值降低的原因。

3結論

本文以一臺高壓共軌重型柴油機為試驗樣機，進行了EGR 與VGT 穩(wěn)態(tài)正交試驗，利用燃燒分析儀對ESC 十三工況法工況點（除怠速工況點外）下柴油機缸內燃燒進行了分析，探究了EGR 閥的開度對缸內燃燒壓力、溫度以及燃燒放熱率的影響規(guī)律，結論如下：

（1） EGR 將排氣重新引入氣缸，增大了缸內氣體的比熱容，同時也減少了進入氣缸中的新鮮進氣量，使得缸內燃燒壓力出現(xiàn)下降趨勢。在A、B 轉速的各工況點下出現(xiàn)的雙峰現(xiàn)象，隨著EGR 閥開度的增大，2 個壓力峰值均出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。

（2） EGR 回流廢氣會降低柴油機的缸內溫度，EGR 對缸內溫度的降低效果隨著EGR 閥開度的增大而增大。與高負荷相比，低負荷時EGR 對缸內溫度的影響更大；與VGT 開度較大相比，VGT 開度較小時EGR 對缸內溫度的影響更?。?/p>

（3） A 轉速、高負荷下EGR 閥對燃燒放熱率的影響較為明顯，低負荷時EGR 廢氣回流會在一定程度上增大柴油機的燃燒放熱率，在中高負荷時EGR 回流廢氣會降低柴油機的燃燒放熱率。B 轉速下燃燒放熱率受EGR 閥開度的影響與A 轉速時基本一致。在C 轉速的所有負荷下，燃燒放熱率隨著EGR 閥開度的增大均呈下降趨勢。