基于热态EGR的柴油机排气热管理技术研究

目前,我国已经全面实施国IV排放法规,很多城市开始要求新增车辆满足国V甚至EU VI排放法规的要求,随着排放法规的不断加严,柴油机排气后处理技术得到了越来越广泛的应用,但在应用过程中也暴露出许多问题,例如,法规要求的测试循环工况与实际道路运行工况相差比较大,主要是当前法规中ETC测试循环运行工况比较高,而实际道路使用车辆尤其是公交车等运行在低负荷区域,导致广泛采用的SCR后处理系统并未充分发挥效能,甚至没起到降低NOx的作用,针对这一问题,针对城市运行车辆提出了增加WHTC测试方法的要求,WHTC测试循环更偏重于低负荷运行区域,与实际道路运行工况基本符合起来,但这一变化导致柴油机排气温度比较低,现有配置SCR系统的柴油机无法满足NOx排放限值要求,需要采取有效的排气热管理手段来满足WHTC测试循环的要求。因此,本文围绕柴油机可行的排气热管理技术措施开展评估、开发和验证工作,以满足SCR系统对排气热量的需求,并为满足未来EU VI法规进行技术准备。首先,通过对几种典型的排气热管理技术手段进行对比分析,通过对温度提升、NOx排放、烟度、油耗率等指标的评价,选择合适的排气热管理技术作为开发方案。其次,为实现对热态EGR系统的精确控制,针对三种不同形式的闭环控制方案进行设计、分析和试验验证。结果表明,HFM虽然响应性比较好,但其对管路要求比较高,而且小流量时测量精度差;氧浓度传感器在低负荷时测量精度太差,而且在发动机瞬态工况过程中测量信号响应速度比较慢;根据压差和流场要求,设计废气文丘里管路,并进行仿真计算,保证系统的阻力和废气流通都达到最优状态。经对三种闭环方式对比,文丘里方案策略精度较高,其计算新鲜进气量响应也能够满足要求。经综合对比,最终采用文丘里闭环控制策略方案进行技术开发工作。最后,采用前期选定及布置完成的EGR阀及相关管路和开发完成的控制策略与传统的进气节流阀热管理方式进行台架对比试验。试验结果表明,热态EGR不仅能够提升发动机排气温度,还能够大幅度降低NOx排放值;在低负荷区域内,对发动机油耗率的影响远远低于进气节流阀;对FSN有稍许的恶化,但在该区域内,发动机空燃比较大,采用热态EGR后的FSN排放水平在合理的范围内。通过精确标定进行WHTC循环验证,发动机排气温度能够有效提升,对发动机新鲜进气量的计算精度能够满足后处理的要求。在低负荷区域内,采用热态EGR技术降低该区域的NOx排放可以降低SCR低转化效率带来的风险。