車用柴油機(jī)大流量廢氣再循環(huán)控制研究

車用柴油機(jī)大流量廢氣再循環(huán)控制研究

0發(fā)動機(jī)尾氣污染物控制近年來，我國汽車產(chǎn)量比去年迅速增長，汽車尾氣排放已成為城市氣候的主要來源。隨著時間推移國家對機(jī)動車排放法規(guī)也越來越嚴(yán)格,其中車用國Ⅳ排放法規(guī)已經(jīng)提前在北京、上海、珠三角等區(qū)域?qū)嵤Ｔ趪魳?biāo)準(zhǔn)推行過程中,國家環(huán)保部門根據(jù)城市大氣污染源的檢測發(fā)現(xiàn),NO2對人體造成的危害在增加,因此在征集了相關(guān)發(fā)動機(jī)制造企業(yè)認(rèn)證機(jī)型的NO2試驗(yàn)數(shù)據(jù)后,于2010年增發(fā)了發(fā)動機(jī)廢氣中NO2排放量不得超過0.75g/(kW·h)的控制規(guī)定。在發(fā)動機(jī)排氣污染物控制技術(shù)方面,國內(nèi)外通用的方法包括選擇性催化還原(SCR)、顆粒捕捉器(DPF)和廢氣再循環(huán)(EGR)。本文中采用電控VGT為主件的大流量冷卻式廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和氧化催化轉(zhuǎn)化器(DOC)后處理裝置,組成排放控制的新技術(shù)配置,并在11L車用發(fā)動機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明了NOx、PM排放和加權(quán)平均燃油消耗率都得到不同程度的降低。1車輛電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用1.1氣體擴(kuò)散對新混合氣的影響EGR氣體的主要成分是CO2、N2等高比熱廢氣,再循環(huán)進(jìn)入氣缸內(nèi),與新鮮燃?xì)饣旌虾?熱容量隨之增大,在燃燒放熱量不變情況下,可降低最高燃燒溫度,削弱NOx生成條件。其次,EGR氣體對新混合氣的稀釋,也相應(yīng)降低了氧的濃度,從而減少與N2反應(yīng),使NOx在燃燒過程中的生成量受到抑制。隨著氣缸內(nèi)EGR氣體吸入量的增加,壓縮壓力隨之提高,導(dǎo)致最高燃燒壓力升高,對發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能都會產(chǎn)生相應(yīng)影響。EGR技術(shù)發(fā)展大致經(jīng)歷了脈沖式(pulseEGR)、熱式(hotEGR)、冷卻式(cooledEGR)和大流量冷卻式EGR(largecooledEGR,L-CEGR)等階段。為了改善燃油性能、提高排放水平,國內(nèi)外商用車發(fā)動機(jī)在歐Ⅳ排放法規(guī)階段需采用L-CEGR來對應(yīng)。1.2燃燒過程新鮮空氣的新特性11L車用發(fā)動機(jī)應(yīng)對中國第Ⅳ階段排放法規(guī)的措施為L-CEGR。采用電控可變幾何渦輪增壓器(VGT),能在發(fā)動機(jī)全負(fù)荷范圍內(nèi)取得較大流量的EGR氣體,經(jīng)過冷卻后與新鮮空氣混合再進(jìn)入氣缸參與燃燒過程,較高的EGR率能在更大程度上降低NOx排放(最高EGR率大于30%稱為高EGR系統(tǒng))。同時,在原有發(fā)動機(jī)平臺基礎(chǔ)上,通過提高共軌系統(tǒng)的燃油噴射壓力,改變?nèi)紵倚螤?以進(jìn)一步優(yōu)化燃燒過程來降低PM排放。最后,用DOC消除尾氣中剩余可溶性顆粒物,使整機(jī)完全滿足國Ⅳ排放限值要求和耐久性考核要求。表1為試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。圖1為發(fā)動機(jī)的L-CEGR系統(tǒng)示意圖。圖2為從國Ⅲ升級到國Ⅳ的排放改善路徑示意圖。2l-cegr系統(tǒng)中的主要設(shè)備和參數(shù)選擇2.1最高噴射壓力試驗(yàn)發(fā)動機(jī)的燃油系統(tǒng)為電裝高壓共軌系統(tǒng),通過系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定組成不同的最高噴射壓力數(shù)值進(jìn)行臺架試驗(yàn),結(jié)果如圖3和圖4所示。當(dāng)最高噴射壓力從120MPa提升到260MPa時,煙度普遍獲得改善,但NOx排放增加。經(jīng)驗(yàn)表明,噴射壓力超過200MPa時會出現(xiàn)噴油器密封泄漏等問題。經(jīng)綜合考慮,選擇160MPa作為試驗(yàn)樣機(jī)的噴壓參數(shù)。2.2材料和結(jié)構(gòu)對重鑄板協(xié)同壓降能力的影響為了提高燃燒放熱效率,增大了3%壓縮比,同時由于EGR氣體回流增加了缸內(nèi)壓縮行程中的氣體總量,使得最高燃燒壓力上升,發(fā)動機(jī)部分結(jié)構(gòu)需要強(qiáng)化,其中活塞強(qiáng)度最為關(guān)鍵。圖5為3種不同材料和結(jié)構(gòu)的活塞,其中球墨鑄鐵和鋼鋁鉸接活塞的承壓能力分別為鋁活塞的1.5倍和1.2倍。發(fā)動機(jī)采用FCD材料的球墨鑄鐵活塞,鑄有振蕩油冷腔。由于其強(qiáng)度比鋁合金提高50%,可采用壓縮高度和減少壁厚等方法使得總質(zhì)量與同類鋁合金活塞接近。此外,通過優(yōu)化燃燒室形狀,將原來的直壁形改為縮口形,以增加活塞在壓縮上止點(diǎn)的擠壓微流,促進(jìn)油氣混合改善燃燒,可進(jìn)一步減少碳煙生成。2.3vpt的燃油特性VGT是通過改變渦殼截面積達(dá)到控制渦輪流量目的。具體作用為:(1)提高壓氣機(jī)增壓比;(2)改善瞬態(tài)響應(yīng)能力;(3)良好的燃油經(jīng)濟(jì)性;(4)擴(kuò)大發(fā)動機(jī)的有效工作速度范圍;(5)提高輸出功率;(6)允許采用較高的EGR率。發(fā)動機(jī)采用IHI公司生產(chǎn)的葉片轉(zhuǎn)角控制VGT流道幾何面積的RHG7V型增壓器。圖6為VGT增壓器外觀和噴嘴開、合狀態(tài)圖。VGT噴嘴位置通過推桿的驅(qū)動而改變,在不同的流量下,既可獲得高的氣壓比,又能保持高的渦輪效率,還能調(diào)節(jié)EGR氣壓使之高于中冷后的空氣壓力,從而使EGR氣體順利混合進(jìn)入氣缸。圖7為VGT在4個噴嘴位置時的渦輪工作特性示意圖。RHG7V型增壓器是通過發(fā)動機(jī)電控單元(ECU)發(fā)出指令給DC馬達(dá)來控制噴嘴開度,可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。2.4egr控制閥圖8為發(fā)動機(jī)進(jìn)、排氣隨曲軸轉(zhuǎn)角的壓力變化情況。由圖8可見,只有排氣壓力高于進(jìn)氣壓力的那部分氣體ΔpEGR才能作再循環(huán)之用。為了調(diào)節(jié)EGR率,需要使用EGR控制閥。圖9為發(fā)動機(jī)采用的TAIHOKOGYO-024型的電控EGR蝶閥。在發(fā)動機(jī)燃燒過程中,隨著EGR率的提高,NOx相應(yīng)減少,表明了EGR降低NOx排放的效果(圖4)。而過大的EGR率將使煙度急劇增加(圖3),甚至導(dǎo)致發(fā)動機(jī)燃燒不穩(wěn)定。經(jīng)過配試,該發(fā)動機(jī)最大EGR率達(dá)30%,可歸入高EGR系統(tǒng)之列。2.5egr冷卻器對比從排氣管引出的廢氣經(jīng)過EGR冷卻器降溫后再進(jìn)入氣缸,可進(jìn)一步提高EGR率、降低燃燒溫度、減少NOx生成,EGR冷卻器效率決定了降溫效果。本機(jī)增加了冷卻器內(nèi)部的管路數(shù)量和長度,EGR氣體溫度比原型下降10℃以上,使得NOx排放滿足匹配要求。圖10為發(fā)動機(jī)1000r/min時EGR的冷卻效果。其中,實(shí)圓點(diǎn)、空圓點(diǎn)分別為EGR冷卻器改進(jìn)前后的對比。圖11為加強(qiáng)型EGR冷卻器外觀圖。2.6腐蝕和磨損零件參與再循環(huán)的廢氣進(jìn)入氣缸后,由于混合氣中硫酸鹽成分的增加,加大對缸套和第1道活塞環(huán)的腐蝕,加快零件表面的磨損。通過改進(jìn)氣缸套材料,采用硼合金鑄鐵,并且活塞環(huán)使用氮化處理加上物理氣相沉積(PVD)工藝,使得該摩擦副的耐磨性能恢復(fù)到原先的水平,如圖12所示。3dpf催化的柴油燃燒DOC催化消聲器如圖13所示。它是在陶瓷基體上涂上Pt等貴金屬作為氧化催化劑,并與消聲器做成一體。具體用途為:(1)作為DPF主動再生的柴油燃燒器;(2)氣相HC和CO的轉(zhuǎn)化;(3)在SCR前端將NO氧化成NO2;(4)在EGR系統(tǒng)中燃燒可溶性顆粒SOF。3.1采用有機(jī)硫固物法測硫固硫排氣污染物之一PM顆粒物的構(gòu)成相當(dāng)復(fù)雜,主要由可溶性成分(SOF)、不可溶性成分碳煙(IOF)、硫酸鹽(SO3/SO4)及金屬粒子組成。當(dāng)排氣通過DOC時,發(fā)生在Pt催化劑涂層上的物理、化學(xué)反應(yīng)過程如下:(1)SOF的吸收附著,構(gòu)成SOF的主要成分是HC,當(dāng)排氣通過DOC時,HC被吸收附著在多孔狀的陶瓷載體上。(2)在Pt催化下,HC被充分氧化。(3)IOF的成分為C,在排氣中噴入適量燃料,利用氧化產(chǎn)生的反應(yīng)熱在600℃溫度條件下,IOF被燃燒凈化。(4)在高溫條件下,發(fā)生硫化物轉(zhuǎn)化為硫酸鹽、生成顆粒物的反應(yīng),這是需要抑制的。研究中發(fā)生了上述過程(1)~(3),試驗(yàn)中采用Soxhlet法將SOF從PM中分離并稱重,利用離子色譜法定量分析硫酸鹽組分。本文中使用含硫量為50×10-6的柴油進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果如圖14所示。DOC對尾氣中的PM有20%的降低效果,其中SOF減少18%、IOF減少2%,硫酸鹽無變化。DOC工作原理和結(jié)構(gòu)特性使陶瓷載體不會被雜質(zhì)堵塞,不需要再生,即使在500×10-6硫含量條件下,其耐久性仍不受影響。3.2no2排放量的控制發(fā)動機(jī)試驗(yàn)表明:DOC對NOx總量沒有顯著影響,但會增加NO2,即發(fā)生以下反應(yīng)在DOC前,NO2占NOx總量的10%左右;經(jīng)過DOC后,NO2量增加到21%,這是需要控制的氧化反應(yīng)。通過調(diào)整DOC中貴金屬Pt的含量,使得最終NO2排放量控制在0.75g/(kW·h)的限值范圍內(nèi)。表2為最終配方試驗(yàn)結(jié)果。4聯(lián)通性性能4.1試驗(yàn)結(jié)果的總體情況為了驗(yàn)證各系統(tǒng)部件參數(shù)的匹配效果,在上海日野發(fā)動機(jī)有限公司生產(chǎn)的11L試驗(yàn)機(jī)上按國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排氣污染物的測量。其中,顆粒采集系統(tǒng)為FIRMWAREDTS-F-100H;排氣分析系統(tǒng)為HORIBAMEXA-7100DEGR。測量結(jié)果如表3所示。由表3可見,試驗(yàn)機(jī)的NOx排放為3.37g/(kW·h),比原機(jī)下降28.6%,符合國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。未裝DOC時PM排放比原機(jī)下降74.4%,為0.020g/(kW·h)(國Ⅳ限值)。安裝DOC后PM排放為0.016g/(kW·h),DOC對PM的凈化率為20%。4.2燃油消耗率能提高圖15為試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)全負(fù)荷速度特性。發(fā)動機(jī)排放從國Ⅲ升級到國Ⅳ后,其燃油經(jīng)濟(jì)性在全負(fù)荷轉(zhuǎn)速內(nèi)均有不同程度改善,在ESC工況下加權(quán)平均燃油消耗率為212.9g/(kW·h),同比降低3.5%。以往經(jīng)驗(yàn)指出,20%廢氣再循環(huán)量可使NOx下降60%~70%,而燃油消耗率約增加3%。隨著EGR技術(shù)發(fā)展,如以電控VGT為特征的L-CEGR系統(tǒng)、電控共軌160MPa超高壓多次噴射等技術(shù)的應(yīng)用,發(fā)動機(jī)原始燃油消耗率獲得較大改善,超越了傳統(tǒng)EGR對原機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響。(1)采用電控VGT為主件的大流量冷