EGR对二级增压重型柴油机性能和排放的影响

【摘要】排放法规和油耗标准的升级对柴油机提出了更为苛刻的要求，实现近零排放、低油耗、高功率密度是未来柴油技术的主要发展方向。对重型柴油机来说，随着增压强化需求的提高，传统的单级增压已难以满足发动机匹配要求。近年来，国内外对柴油机实现强化增压高度重视，研究结果表明采用高压比且可调的增压技术优化缸内燃烧是达到未来超低排放标准的必要手段。其中二级增压系统由于其高增压比及灵活的可调节性，可实现全工况优化，具有采用大EGR率的潜力。因此，研究EGR耦合二级增压系统对发动机性能和排放的影响具有重要的现实意义。本文首先应用发动机性能仿真软件GT-Power，建立了二级增压发动机计算模型，通过前期试验数据对仿真模型进行了校准，并对高压级排气旁通量进行了优化。在此基础上，建立了高压、低压和级间三种EGR回路模型进行仿真分析，对比研究了不同EGR实现方式对发动机性能的影响，为台架EGR控制系统搭建提供了理论依据。在仿真计算的基础上，建立了带高压EGR的单级及二级增压柴油机性能测试平台，试验研究了EGR耦合不同增压方式对发动机动力性、经济性及排放性的影响，并以原机单级增压为对比基准，分析了EGR耦合二级增压技术提高发动机性能和降低排放的潜力。研究结果表明：采用二级增压后，发动机低速扭矩得到提高，800r/min最大扭矩由1030N2m提高到1136N2m。中低转速大负荷工况下的经济性有所改善，燃油消耗率最大降低幅度达9%；最大增压压力达3.5bar，使得发动机全工况下的进气量和空燃比都较单级增压有明显提高；缸内爆发压力增大，而缸内最高燃烧温度有所降低。且通过对高压级排气旁通阀开度进行优化可进一步提高发动机性能。排放方面，匹配二级增压后，发动机烟度和PM质量排放明显降低，微粒的十三工况加权平均比排放量降低75.6%，微粒数量排放也明显降低，特别是积聚态微粒数量降低更为明显，积聚态微粒数量与排气烟度具有相关性。但由于进气氧含量的增大使得NOX排放较单级增压升高了10%-20%。由于二级增压能够提高发动机的进气量和空燃比，为采用较大比例的EGR降低NOX排放提供了充足的进气条件。二级增压使得EGR的实现及组合方式更加灵活，三种EGR实现方式对不同工况下发动机性能和增压器工作效率的影响有所不同。二级增压柴油机的涡前与进气压差明显大于单级增压，能够实现更大的高压EGR率，且随EGR率增大，单级增压柴油机性能参数和排放指标恶化明显，而二级增压系统能在更宽广的EGR率范围内保持发动机良好的动力性和经济性，且NOX与烟度和燃油消耗率的平衡关系更好。与单级增压相比，在同等EGR率下，二级增压发动机积聚态微粒数量排放明显较低，而粒径50nm以下的核态微粒比例有所增加。
【作者】李鲁宁；
【导师】孙万臣；
【作者基本信息】吉林大学，动力工程，2014，硕士
【关键词】重型柴油机；二级增压；EGR；性能；排放；

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