增压柴油机文丘里管式EGR性能试验与评估

祖象欢　杨传雷　王银燕　王贺春　杜　俊

(1.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院， 哈尔滨 150001； 2.91458部队， 三亚 572000)

0　引言

废气再循环(EGR)是目前降低柴油机NOx排放量的主要措施[1]，其实现过程主要是将排气中的一部分废气引入到进气管，同新鲜空气混合后进入气缸重新参与燃烧的过程[2-3]。EGR技术关键在于使足够的废气回流到进气管，克服增压柴油机高工况下增压压力高于排气压力导致的EGR废气回流困难的问题[4-5]，并根据发动机的不同工况给出最佳的EGR率。

EGR的主要实施方式包括安装节气门[6-8]或者文丘里管[9-11]，其中，安装节气门易于实现，但会对涡轮增压器造成一定负面影响，恶化柴油机扫气效果，影响柴油机正常运行，而安装文丘里管结构仅对进气压力产生较小影响，但不便于布置。

目前，关于最佳EGR率的确定问题，尚没有针对性的研究和统一标准。杨帅等[12]在确定最佳EGR率时，以13个工况点颗粒不超过原机为原则；张振东等[13]在PM不超过原机基础上，综合考虑油耗的增加程度、NOx的改善程度等因素，低负荷时选择高EGR率，高负荷时选择低EGR率；文献[14-16]均采取类似方法。上述方法能够充分利用专家及技术人员的专业知识和经验，实现最佳EGR率的确定。但是评估结果仅依赖于决策者的主观判断和理解，不同的决策者在性能折衷取舍上的差异都会导致不同的决策结果。

本文针对一款V型增压柴油机的高压EGR系统进行研究，为柴油机设计并搭配文丘里管式高压废气再循环(Venturi tube EGR)系统，通过试验分析EGR对不同工况下柴油机性能的影响，并基于试验数据分析提出一种增压柴油机EGR性能评估及最佳EGR率决策优化方法。

1　试验设备及方法

以河柴重工生产的增压中冷型TBD234V12型柴油机为研究对象，柴油机主要技术参数如表1所示， 主要测试仪器设备如表2所示。

表1　TBD234V12型柴油机主要技术参数Tab.1　Main technical parameters of TBD234V12

表2　主要测试仪器设备Tab.2　Main instruments and equipments

2　文丘里管EGR系统设计

TBD234V12型柴油机原机试验数据表明,增压后的进气压力明显高于排气压力，给实现废气再循环带来困难。因此本文考虑采用加装文丘里管来实现废气再循环混合。

在考虑柴油机台架空间布局和文丘里管尺寸后，决定选择串联的文丘里管系统，其示意图见图1。新鲜空气经2个并联压气机压缩，经1个三叉管道汇合后流入文丘里管进口截面，然后空气流经收缩段，流速增加，压力减小。废气从排气管中引出，经废气中冷和EGR阀后与新鲜空气在喉口部位进行混合，随后在扩压段恢复压力，最后到达各缸进行燃烧。

图1　串联文丘里管系统示意图Fig.1　Venturi tube system structure diagram

决定文丘里管性能的关键参数有喉部面积和扩压段锥角。喉部面积决定了文丘里管的引射能力，扩压段锥角决定了混合后气体压力的恢复状况。将管内流动简化为定常流，若柴油机在设计工况工作，调节EGR阀的开度从全闭到全开时，文丘里管均能起到降压引射的作用，达到试验需要的EGR率，并且当EGR阀全开时文丘里管喉口部位刚好不发生壅塞现象，因此，选取柴油机额定工况(1 800 r/min，444 kW)为文丘里管设计工况。

根据气体动力学原理，首先计算确定喉口面积；在确定喉口面积后，根据经验公式来确定文丘里管喷嘴长度L1、混合段长度Lt和扩压器长度L2，为了兼顾试验台架的空间布置，总长度L的选取需具备安装的可行性。经过计算，各主要参数如下：喉口直径dt=54.84 mm；收缩锥角α=24°，满足10°<α<40°；L1=141.5 mm;L=441.5 mm，Lt=50 mm，L2=245 mm；扩压角β=14°，满足11°<β<18°[11]，故设计的扩压段满足要求。

最终的文丘里管实物如图2所示，EGR系统结构示意图如图3所示，试验台架实物如图4所示。

图2　文丘里管实物图Fig.2　Venturi physical map

图3　EGR系统结构示意图Fig.3　Physical map of EGR system structure1.中冷器　2.文丘里管　3.EGR阀　4.EGR冷却管　5.压气机　6.过滤器　7.排气管　8.三通阀　9.涡轮　10.前置过滤器　11.废气分析仪　12.不透光式烟度计　13.燃烧分析仪　14.油耗仪　15.发动机测控仪　16.水力测功机　17.TBD234V12型柴油机　18.压力、转速传感器　19.试验台架监测台　20.进气歧管

图4　试验台架实物图Fig.4　Test bench physical map

3　性能试验

3.1　EGR率对缸内压力的影响

图5为不同工况下EGR率对缸内压力的影响曲线。由图5可知，同一工况下缸压曲线变化趋势基本相似，在中低转速下呈单峰，高转速下呈双峰，燃烧形成的波峰值基本都在刚过上止点后出现，随着EGR率的增大，缸内压力峰值呈下降趋势。如图5a转速900 r/min、25%负荷工况点时，峰值下降了0.63 MPa。其原因是由于EGR废气的引入导致进气压力和进气量的降低，同时混合气中氧浓度降低而惰性气体分子数增多，对燃烧的阻滞作用增强，从而导致缸内的初始压力和压力峰值的下降。缸内压力在低转速工况下呈单峰状，燃烧形成的波峰值基本在刚过上止点后2°～8°出现。图5b为1 500 r/min、25%负荷工况点，可以看出缸内压力呈双峰分布，第1峰在上止点后2°左右，燃烧发生在上止点前，主要是由于活塞上行引起的压缩峰，随着EGR率的增加第1峰值逐渐减小。第2峰出现在上止点后8°左右，当活塞到达上止点后开始下行，下行引起缸内压力降低，但燃烧造成的压力升高幅度大于活塞下行引起的压力下降幅度，所以出现了第2峰。随着EGR率的增大，进入气缸的废气成分增多，缸内气体的比热容升高，导致滞燃期时间延长，最终使燃烧始点相应延迟。因此EGR的引入使缸内压力曲线整体向上止点后偏移。

图5　不同EGR率对缸压的影响Fig.5　Effects of different EGR rates on cylinder pressure

3.2　EGR率对油耗的影响

图6为900 r/min和1 500 r/min转速下，负荷分别为25%、50%、75%时油耗率随EGR率的变化曲线。由图6可知，在同等负荷下，随着EGR率增加，废气引入量的增多使得燃烧室内的燃烧恶化，燃烧不充分，故油耗基本与EGR率呈线性变化。小负荷时，由于空燃比大，进入气缸内的新鲜空气富余，废气的增多对燃油消耗率影响不大，因此燃油消耗率变化缓慢，如1 500 r/min转速、25%负荷时，当EGR率由0升至10.8%时，油耗率由257.5 g/(kW·h)上升至268.1 g/(kW·h)，增加了4.12%。而在高负荷区，由于EGR引入使空燃比严重降低，导致缸内局部混合气浓度过高，并发生缺氧状况，因此，随着EGR率的增加混合气浓度继续升高，最终导致缸内燃烧恶化。随着后燃加重，在活塞下行阶段仍有部分燃油燃烧，放热率峰值后移，使对外做功能力减弱，所以大负荷区扭矩下降幅度大于小负荷扭矩下降幅度，试验中为了弥补功率的损失，唯有通过加大喷油量来维持足够的功率输出，故燃油消耗率随着EGR率增加而升高。如1 500 r/min转速、75%负荷时，当EGR率由0上升至10.8%时，油耗率由200.4 g/(kW·h)上升至212.2 g/(kW·h)，增加了5.89%；在小负荷区由于扭矩损失较小，故耗油上升较大负荷区更加平缓。

图6　不同EGR率对油耗率的影响Fig.6　Effects of different EGR rates on fuel consumption rate

3.3　EGR率对NOx排放量的影响

图7为900 r/min和1 500 r/min转速下，负荷分别为25%、50%、75%时NOx排放量随EGR率的变化曲线。由图7可知， EGR废气的引入可以有效改善NOx的排放，特别在高负荷时效果更加明显。对比试验结果发现，当EGR率升高至8%左右时，NOx排放量均能降低25%左右。

在900 r/min转速、25%负荷时，随着EGR率的增加，NOx排放量开始呈下降趋势，从3.769 9×10-4下降至2.512×10-4；当EGR率从10.4%继续增加到11.6%时，NOx增加了1.01×10-5。主要原因是因为在低转速工况点时，随着EGR废气的引入，一方面降低缸内总体氧浓度，另一方面使得缸内温度上升，相应高温持续时间也增加，此时氧浓度下降的效果会被抵消，故在此时EGR对NOx产生负面效果，NOx排放量会略微升高。

图7　不同EGR率对NOx排放量的影响Fig.7　Effects of different EGR rates on NOx emission

当转速增加到1 500 r/min时，废气中的大量惰性气体开始凸显作用，阻碍燃烧的快速进行，缸内温度随之降低，由于NO的生成速度低于燃烧反应速度，故仅有少部分的NO产生于火焰的外沿区，并且随着转速的升高，高温持续时间缩短使NO达不到平衡含量，故NOx生成量随着废气量的增多而下降。如在1 500 r/min，75%负荷工况，当EGR率从0.6%变化到10.1%时，NOx从2.101×10-4降低到1.465×10-4，共下降了30.27%。

3.4　EGR率对烟度的影响

图8为900 r/min和1 500 r/min转速下，负荷分别为25%、50%、75%时烟度随EGR率的变化曲线。由图8可知，烟度的变化趋势与NOx排放量的变化趋势基本相反。小负荷时，烟度几乎不随着EGR率变化或变化很小。随着负荷的增加，烟度增大，同时随EGR率的增加，烟度的增幅也变大。同转速下，高烟度区向大负荷、高EGR率区域转移。变化的主要因素来源于空燃比和缸内局部的温度。

如900 r/min、25%负荷时，EGR率变化初期烟度排放值基本保持不变，当EGR率增至约9%时，烟度才明显上升，此后随着EGR率的不断增大，烟度基本呈指数曲线大幅度上升。随着EGR率不断增大，较之低负荷工况点，高负荷下烟度突变点也相应的提前，在900 r/min、75%负荷工况下，烟度在EGR率达到5.4%时发生突变，剧烈增加。这主要由于在相同转速下，负荷越高，空燃比越小，EGR率对空燃比的影响对缸内燃烧作用就越敏感，产生的效果就越突出，同时缸内温度的上升，加剧了二次燃烧，致使该工况下烟度排放提高。在高负荷下，EGR对烟度排放的负面影响越发明显，因此在高负荷工况点下，柴油机应控制EGR率避免过高。

图8　不同EGR率对烟度的影响Fig.8　Effects of different EGR rates on SOOT

4　最佳EGR率的确定

试验结果表明，不同EGR率对增压柴油机燃烧与排放改善效果是不同的。由于本试验条件的限制以及加工条件受限，导致在进排气混合的过程中，压力有一定损失，最高EGR率也被限制在15%，获得的数据点也有限。考虑到多目标灰色决策理论在解决少数据决策问题上的独特优势[17-20]，本文考虑引入多目标决策方法。

4.1　基本模型

灰色决策是灰色理论的重要组成部分[21]，传统多目标灰色决策模型的主要构成部分包括事件集、对策集、局势集、决策目标以及决策权重等。

(2)选取决策目标，每个决策目标都需要确定其效果测度，其中上限效果测度为

(1)

主要着限于衡量白化值偏离最大白化值的程度。

下限效果测度为

(2)

主要着限于白化值偏离下限的程度。

适中效果测度为

(3)

这3种测度分别适用于不同场合：希望局势越大越好，则可用上限效果测度；希望局势损失越小越好，则用下限效果测度，希望效果是某个指定值的附近，则用适中效果测度。

(3)根据每个决策目标的效果测度，求解局势集在k目标下一致效果测度矩阵

(4)

(5)

(6)

4.2　模型优化

由上述原理可以看出，决策目标和对应的目标权重在传统决策模型中占据主要因素。考虑到EGR率对柴油机动力性、经济性及排放性的综合影响，本文选取燃油消耗率、CO、NOx、烟度及缸内爆压作为决策目标，不同的决策目标代表着柴油机不同方面的性能，从而将不同性能之间的问题转换为决策目标权重问题。

通常，决策权重的分配都由决策者按照决策目标的重要程度予以赋值，虽然一定程度上可以充分发挥专业人士或专家的经验特长，但是，单纯依靠主观判断会使得最终的决策结果缺乏客观合理性。此外，不同于一般决策问题，最优EGR率的决策需要综合考虑柴油机动力性、经济性及排放性等因素，无论是单纯的主观赋值法还是客观赋权法，都无法满足EGR的实际特点。因此，本文考虑以最优EGR率的确定基本原则为优化背景，采用主客观综合赋权方法来实现决策模型的优化，并最终选择采用基于专家打分和灰关联分析的权重优化方法，从而更好地贴近EGR优化原则。

作为灰色系统理论中一个重要分支，灰色关联分析主要是通过动态过程发展态势的量化分析，完成对系统内序列几何关系的比较，求出参考数列与各比较数列之间的灰关联程度，与参考数列关联度越大的比较数列，与参考数列的关系越紧密。具体建模过程不再赘述，可参照文献[21-22]。

(1)EGR的主要目的在于有效降低NOx污染物的排放，考虑到不同工况EGR的不同运行特点，首先根据柴油机不同转速对决策目标NOx进行赋值：若柴油机处于低转速工况(n≤900 r/min)，NOx排放浓度较低，为了保证柴油机工作的稳定性和经济性，宜采取较低EGR率，因此令NOx权重η3=0.3。若柴油机处于高转速工况(n>1 200 r/min)，NOx排放浓度较高，为了有效降低柴油机排放污染物，宜采用较大EGR率，因此令NOx权重η3=0.5。若柴油机处于中等转速工况(900 r/min

(2)由于不同决策目标分别反映着柴油机不同方面的性能，因此各指标之间必然存在着一定的内在联系，笔者认为可以将这种关系看成一种特定的“灰关系”。在本研究中，主要考虑的因素是NOx的改善情况，其次再去权衡其他性能指标的影响，因此本文考虑引入灰关联分析来计算NOx与其他决策目标之间的灰关联系数，从而作为分配权重的依据。

将不同EGR率下对应的NOx排放量(包括原机)作为母序列；以其他4个评价指标对应的数值(包括原机值)作为子序列；求解其他4个决策指标与NOx指标之间的关联度，r′i(i=1,2,3,4)，进而得到它们之间的关联系数为

(7)

已知η3和ri，由ri(1-η3)求解其他4个决策目标权重值ηk(k=1,2,4,5)，并构成最终的优化权重ηk(k=1,2,3,4,5)。

(3)将优化权重ηk(k=1,2,3,4,5)返回到决策模型中，重新得到优化后决策结果。

该方法以不同工况EGR运行特点为出发点，根据不同转速下NOx排放量变化，通过专家打分来赋值NOx指标权重，再利用灰关联分析求解其他决策目标与NOx之间的紧密程度，从而求解所有决策目标的权重，再将优化后的权重向量代入决策模型中，对不同EGR率对应的性能程度进行综合评价。

4.3　评估及决策结果分析

任意选取试验中3个工况点，分别对应低、中、高转速工况。其中部分工况点试验数据详见表3。

表3　部分工况点试验数据Tab.3　Part of test data

(1)工况1

EGR率分别选取2.2%、4.6%、7.5%、8.8%和10.5%；不同EGR率下各指标参数的试验数据构成了效果样本矩阵为

其中，矩阵中行向量i代表依次代表燃油消耗率、CO排放量、NOx排放量、烟度和缸内爆压，列向量j代表不同EGR率。

首先，求得k目标下一致效果测度矩阵为

构建灰色关联序列：

母序列

X0=[1 093 1104.5 1002.6943.5890.65783.6]

子序列

X1=[236.3241.6242.7243.9246.9248.7]
X2=[316.57335.53366.7427.84503.62]
X3=[0.0450.0630.0880.0840.120.27]
X4=[7.254 57.210 87.139 37.016 76.956 8]

通过计算可得燃油消耗率、缸内爆压、烟度及CO与NOx的关联系数为

ri=[0.282 40.287 90.209 50.220 2]

因该工况属于低转速工况，因此η3=0.3，则可得到优化后综合权重向量ηk为

ηk=[0.197 70.201 50.300 00.146 60.154 2]

最后求得综合效果测度矩阵，并根据最优原则进行优劣排序

R=[0.904 60.876 10.884 40.848 20.824 7]

根据最优决策原则可知，该工况下不同EGR率对应的性能影响由大到小为2.2%、7.5%、4.6%、8.8%、10.5%，即该工况最佳EGR率为2.2%。

由结果可以看出，较低EGR率对应的综合评估值较高，随着EGR率的增大，相应的综合评估值下降较为明显，因此宜采用较小EGR率。分析其原因，当柴油机处于低速工况时，NOx排放量较低，为了保证充分的动力经济性，不宜采取EGR或者较低EGR率。

(2)工况2

同理可知，工况2属于中等转速工况，故η3=0.4，最终求解优化后权重为

ηk=[0.160 80.166 10.400 00.133 10.140 0]

最终的加权综合评估值

R=[0.828 40.821 90.833 20.842 50.810 2]

则该工况下不同EGR率对应的性能影响由大到小为：9.8%、6.8%、0.8%、3.1%、12.3%，该工况下最佳EGR率为9.8%。

由结果可以看出，当EGR率小于9.5%时，随着EGR率的增大，不同EGR率对应的综合评估值呈增大趋势，当EGR率增大至12.3%时，对应的综合评估值反而下降。原因为：当柴油机处于中等速度工况时，NOx排放量逐渐升高，较低EGR率已经无法满足降低NOx污染物的要求，因此应该适当增大EGR率，但是为了同时保证柴油机良好的加速性能，EGR率增大的不宜过大。

(3)工况3

工况3属于高转速工况，因此η3=0.5，最终求解优化后权重为

ηk=[0.138 90.140 90.500 00.104 90.115 2]

最终的加权综合评估值

R=[0.843 30.849 60.879 40.880 00.861 5]

则该工况下不同EGR率对应的性能影响由大到小为：8.3%、6.1%、10.8%、3.5%、1.2%，该工况对应的最佳EGR率为8.3%。

由结果可知，当EGR率小于3.5%时，不同EGR率对应的评估值比较接近，当EGR率大于3.5%时，综合评估值呈明显增大趋势，当 EGR率增至10.8%时，综合评估值呈现出下降趋势。分析其原因，当柴油机处于高速工况时，NOx排放量较高，必须采取较大EGR率才能有效降低NOx污染物，但是当EGR率过高时，过量EGR废气的引入可能会对柴油机动力性能造成损失，因此，在上述仿真结果中，过高EGR率对应的综合评估值反而下降。

对比分析工况2和工况3可以看出，当柴油机处于中、高速工况时，较高EGR率都获得了更高的评估值，而过高的EGR率的评估值反而下降，但是，区别于工况2，在工况3中较低EGR率获得的评估值最低，而工况2中则是过高EGR率获得评估值最低。分析其原因为：当柴油机处于中等速度工况时，为了保证柴油机的加速性能，通常不宜采用过高EGR率，因此，相比与过高EGR率，中低EGR率对应的评估值相对较高；而当柴油机处于高速工况时，降低排放的需求相对更高更严格，较低EGR率对柴油机的改善效果较差，因此对应的评估值也最小，而较高EGR率对柴油机的改善效果更佳，也就获得更高的评估值。

5　结论

(1)以TDB234V12型柴油机为研究对象，选定原机的额定工况点为设计点，计算出匹配柴油机的文丘里管结构，可以满足废气的引射要求，有效改善柴油机的排放性能。

(2)当柴油机按负荷特性稳定运行时，采用EGR循环，可以有效地降低NOx的排放量，特别是在高转速时效果更为明显，NOx的排放量随着EGR率的升高而明显降低，当EGR率升高到8%左右，NOx均能降低25%左右，而烟度及油耗等小幅增长。

(3)EGR率的增加导致燃烧始点和终点都有不同程度的延迟。低负荷时，油耗呈小幅度升高，同一转速下，油耗在高负荷工况点升高较低负荷明显；低负荷时EGR率对烟度的影响效果不大；当EGR率增大到9%左右时，随着EGR率的增加，烟度基本呈指数曲线上升；较之低负荷工况点，高负荷下烟度值突变点相应提前。

(4)基于灰关联分析优化的多目标灰色决策方法实现了不同EGR率性能综合评估。低转速工况宜采用较小EGR率，随着柴油机转速提升，较高EGR率取得更好的评估值，但是当转速过高时，过高的EGR率对应的评估值反而下降。该方法实现过程简单，有助于解决目前最佳EGR率确定过程中对主观判断的单一依赖，提高了决策结果的合理性，为EGR的优化研究提供了一种研究思路。

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