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内部EGR技术及其在小型挖掘机柴油机中的应用胡钟林边强2高博之高文志21山河智能装备股份仃限公司、2天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室摘要本文以某小型挖掘机柴油机为研究对象,分析了几种能够实现内部EGR的方法,提出采用双峰排气凸轮,即排气门在进气行程后期二次开启的方法来实现内部EGRo对排*小凸轮的升程、包角和位置进行了优化,分析了双峰排气凸轮对该柴油机的NOx排放、功率和油耗率的影响,并进行了柴油机EPA八工况法排放测量来验证优化的结果关键词内部EGR;双峰排气凸轮;NOx;中图分类号TK421+.5InternalEGRTechnologyandApplicationintheDieselEngineofaSmallExcavatorHuZhonglin1BianQiang3GaoBoGaoWenzhiISUNWARDINTELLIGENTEQUIPMENTCO..LTD.2StateKeyLaboratoryofEnginesTianjinUniversityAbstract:SeveralmethodsofachievinginternalEGRareanalyzedwiththedieselengineofasmallexcavatorastheresearchobject.Themethodthatdouble-peakexhaustcamwhichmaketheexhaustvalvesecondopenisadoptedtoachieveinternalEGRisputforward.Thestrokewrapangleandpositionofthelittlecamareoptimizedandtheeffectofdouble-peakexhaustcamonNOxemissionpowerandfuelconsumptionratioofthedieselengineisanalyzed.ThentheemissiontestingofthedieselengineunderEPAeightconditionsismadetoidentifytheoptimizationresult.Keywords:internalEGR.double-peakexhaustcam.NOxI、概述由「柴油发动机功率密度大、热效率高及燃油经济性好等特点,使其广泛应用于工程动力机械随着人们的环保意识加强,工程机械的排放法规日趋严格柴油机主要的排放物为NOx和微粒,其中影响NOx生成的要素包括柴油机燃烧时产生的高温、持续时间及燃烧的富因此任何能降低燃烧峰值温度、缩短高温持续时间的措施都有利于降低NOx的排放其中废气再循环技术(EGR)是最有效的方法之一⑵,EGR技木的基本原理是将部分排气引入进气管,以提高混合气中的废气成分,这样一来,废气对新气的稀释作用意味肴降低了氧浓度,破坏了富氧国家863计划课题资助课题编号
2009.^045103的条件另一方面,由于废气中含有的水蒸气和二氧化碳等三原子分子,比热容大,可以有效地降低气缸内的最高燃烧温度,破环高温的条件,从而达到降低NOx含量的目的EGR技术被认为是柴油机达到欧三以上排放标准不可缺少的项重要技术⑶目前废气再循环有外部与内部两种方式外部EGR是将发动机的部分排气从排气管引入进气管,通过改变进气汽体的成分,达到降低NOx的目的外部EGR需要有外部废气再循环管道及控制润,结构复杂,对原机改动较大,成本高内部EGR是利用进排气配气机构的特殊设计,使发动机气缸内的残余废气量增加,达到降低最高燃烧温度和减小NOx排放的目的,内部EGR只需对进排气凸轮轴进行改动就能实现内部EGR在结构上无外部连接管和EGR阀等附件,结构简单
2、内部EGR方案本文对内部EGR的研究是在•款小型挖掘机柴汕机上进行的,利用发动机一维数值模拟软件GT-POWER对该柴油机进行建模与内部EGR模拟,发动机的主要技木参数如表1所示表1柴油机主要技术参数Table1Technologyparametersofthedieselengine所建模型如图1所示,主要由进气系统、喷油系统、气缸、曲轴箱、排气系统等部分组成,模拟计算的工况为额定转速和最大扭矩工况Jtz—及油器堪气系统募j一=性谙择■系统图IGTPOWER模拟计算内部EGR模型图Fig1InternalEGRmodelsimulatedbyGT-POVVER本文分别进行了通过调整配气相位改变进门重叠角F采用双峰凸轮实现内部EGR进行了模拟分析,比较了两种方法的优缺点通过改变配气相位实现内部EGR既是调整排气门关闭角度,使排气门提前关闭,减小气门垣叠角或没有气门重叠角,减少废气的排出晶,使缸内残余废气增多,来实现内部EGR也可以使排气门晚关,增大气门重叠角,在进气阶段排气门没有关闭,在活塞向下运动产生的低压作川下把排气道中的废气吸回1气缸一小部分,实现内部EGR14o木文选择进气门开启角度为上止点前6°排气门关闭角度分别为上止点前6°、上止点后4°、14°、24°、34°、44°、54°、64°不同排气门关闭角度情况下内部EGR率的变化规律,得到如图2所示的曲线-64142434445464排气门关闭CA图2排气门关闭角度对EGR率的影响Fig2TheeffectofthecloseangleofexhaustvalveonEGRrate从图2中可以看出,排气门在上止点前关闭时或者排气门很晚关闭时,尤其在上止点后34以后关闭时,都有较大的EGR率当排气门早关时在上止点后14度曲轴转角前,随着转速降低,EGR率会降低,因为排气门关闭角度相同时,转速低时有较K的气门重叠时间,废气排气比较多,所以EGR率会降低,同理当排气门关闭角度很大时,转速低排气门开启时间较长,这时靠气缸内真空度废气返回气缸会较多,所以EGR率会增大排气门提前关闭时或者很晚关闭都能够实现内部EGR但都有一些不足,排气门过早关闭,当进气门开启时,缸内废气压力较大,对于非增压柴油机进气压力会小于缸内压力,此时废气会进入进气道内,使进气道温度变高,加热进气,降低进气充量排气门关闭角度很大时,排气行程中活塞运行至上止点时排气门还有较大的升程,对「压缩比很高的柴油机来说,排气门可能会碰到活塞,对于论文中分析的柴油机,当排气门在上止点后43°关闭时,在上止点位置时排气门就会碰到活塞采用双峰凸轮实现内部EGR就是在原凸轮基础上增加一个进气或排气小凸轮在进气凸轮上增加一个小凸轮,使进气门开启两次,即在排气行程中,使进气门有适当的开启角度和升程,此时活塞上行推出废气的同时把•小部分废气也推入进气管道内当进入在进气阶段,进气门再次开启把这一小部分废气再吸入气缸内,实现内部EGR图3所示即为双峰进气凸轮的气门升程和质量流量这种方法的不足就是把排气吸入进气道会使进气道的温度升高,加热进气,降低进气充量»--•rt«•2*•OM■240-1W-U0400eo120WO240曲)图3双峰进气凸轮对应的进排气门升程和进排气质量流量Fig3Double-peakintakevalvecorrespondingtointakeandexhaustvalvesliftsandmassflowrate在排气凸轮上增加一个小凸轮,使排气门开启两次,在进气行程中排气门再次开启一个适当角度和升程,在活塞下行产生的低压作用下把排气道中的废气吸回气缸•部分,实现内部EGR151图4所示为双峰排气凸轮气门升程和质量流量采用双峰排气凸轮,高温废气不会进入进气道,对进气充量影响很小,而且还可以降低排气背压,所以,本文采用双峰排气凸轮来实现内部EGR在原排气凸轮上增加一个小凸轮,使排气门二次开启,达到降低NOx排放的目的
3、排气小凸轮位置的确定排气小凸轮的升程、包角以及位置都对内部EGR有较大影响,在转速和配气相位相同的情况卜,小凸轮的升程和包角越大,从排气道中吸回气缸的废气量就越多,EGR率就越大,降低NOx的效果就越好,相应的功率就会降低,油耗率会增加,所以小凸轮的升程和包角应根据发动机的实际情况来设计,本文针对该柴油机设计的小凸轮的升程为
1.8mm工作段包角为38°凸轮转角,排气小凸轮的缓冲段角度不能太小,缓冲段的角度太小会产生较大的气门加速度和冲击力,会有异响产生并加速气门和凸轮的磨损,因此缓冲段的角度选为15°凸轮转角明排气小凸轮的位置首先不能离排气凸轮太近,离的太近会造成缓冲段冲突,会造成气门关闭不严等问题,也不能离排气凸轮太远,否则进气门关闭时,排气门没有关闭,造成较大的进气损失木文中排气凸轮和小凸轮之间位置的确定是通过模拟计算排气门两次开启最大升程之间的曲轴转角对EGR率、NOx、功率和油耗率的影响来确定的排气门两次开启最大升程之间曲轴转角变化如图5所示排气门第二次开启最大升程对应的曲轴转角由上止点后110°变化到•・“・・ennnw—■气门.•---■液■•200MO-U0-W-4004080U0UO200曲第转角C图4双峰排气凸轮对应的进排气门升程和进排气质量流量Fig4Double-peakexhaustvalvecorrespondingtointakeandexhaustvalvesliftsandmassflow170°图6和图7为排气门两次开启的不同角度对EGR率、NOx浓度、功率和油耗率的影响ratc图5排气门第二次开启角度的变化Fig5Thechangeofthesecondopenangleofexhaustvalve图6排气门二次开启的不同角度对EGR率和NOx浓度的影响Fig6TheinfluenceofthedifferentsecondopenanglesofexhaustvalveonEGRratioandNOx_—ttHS22OOrpn-•做却320rpn_ft^22OOrpm为率1320rpm26z.ww茶24424224O23S2362342102202302402502602702W焊气门两次开启匿大升程之间角度°CA7—s$4321092222221从表2中可.以看出,采用排气双峰凸轮对该柴油机进行优化后,在2200rpm时,NOx排放降低了
10.7%功率降低了
2.4%油耗率上升了
3.5%;在1320时,NOx排放降低了
17.9%功率降低了
2.9%油耗率上升了
4.3%
4、内部EGR的实验验证为了验证双峰排气凸轮的EGR效果,进行了发动机排放性能试验图8是该柴油机按EPA八工况法测量采用双峰排气凸轮前后NOx排放物对比,图
9、图1为采用双峰排气凸轮前后功率和油耗率的对比Z.M«5图7排气门二次开启的不同角度对功率和油耗率的影响Fig7Theinfluenceofthedifferentsecondopenanglesofexhaustvalveonpowerandfuelconsumptionratio综合图6和图7中2200rpm和1320rpm两个转速下排气门二次开启不同角度的影响,选定排气门两次开启最大升程之间角度为260°曲轴转角,排气凸轮和排气小凸轮最大升程之间为130°凸轮转角,此时柴油机在两个转速下均有较低的NOx排放,也有较低的油耗率表2为采用双峰排气凸轮对该柴油机进行优化后与初始时NOx排放、功率和油耗率的对比表2采用双峰排气凸轮优化前后的对比Table2Comparisonbetweenbeforeandafter图8采用双峰排气凸轮前后NOx排放量的对比Fig8ThecomparisonofNOxemissionbetweenbeforeandafterusingdouble-peakexhaustcamio2200rpm1320rpm图9采用双峰排气凸轮前后功率对比Fig9Thecomparisonofpowerbetweenbeforeandafterusingdouble-peakexhaustcamusingdouble-peakexhaustcam图10采用双峰排气凸轮前后油耗率的对比Fig10Thecomparisonoffuelconsumptionratiobetweenbeforeandafterusingdouble-peakexhaustcam从图8~10中可以看出,采用双峰排气凸轮后,八工况测得的NOx加权平均比排放量下降了
10.7%达到了欧IIIA标准,在2200rpm功率下降了
4.7%油耗率上升了
1.5%在1320rpm功率下降了
7.9%油耗率上升了
5.5%
5、结论通过模拟计算分析了几种内部EGR方法的效果,指出了各种方法的不足之处,并确定选择双峰排气凸轮方法,在原排气凸轮的基础上增加一个小凸轮的方法,使排气门在进气冲程后期二次开启,实现内部EGR能够有效的降低NOx排放分析了排气门二次开启时刻对发动机各项性能的影响,结果表明,排气门二次开启的时刻对EGR率、NOx、功率和油耗率都有一定的影响,需要根据实际情况进行选择对模拟计算的结果进行了实验验证,模拟与实验基本符合该小型挖掘机柴油机排放实验结果表明,采用双峰排气凸轮轴能够有效降低NOx排放,可使柴油机达到欧111A标准,但会使发动机的功率和油耗性能有些恶化参考文献II]张韦,舒哥群,沈颖刚等.EGR与进气富氧对直喷柴油机NO和碳烟拌放的影响[J].内燃机学报,20121:16-21|2]PradeepVShamiaRP.UseofhotEGRibrNOxcontrolinacompressionignitionenginefuelledwithbio-dieselfromJatrophaoil|J].RenewableEnergy.200732;1136715413]李娜张强,房克信李国祥.EGR在柴油机中的研究应用[J].车用发动机20022:23~26[4]谭建勋王志伟李伟等.内部EGR增压中冷柴油机排放性能试验研究[J].车用发动机,2011651-54|5]褚超美,高超,李虎强.基于内部EGR率控制的柴油机排气凸轮型线仿真设计研究[J].内燃机工程201112:44-47[6]朱红国谢辉,赵华.HCCI汽油机小包角凸轮型线设计及试验[JL小型内燃机与縻托车,2005341:15-18缸径X行程mmXmni90X100额定功率kw/rpm27/2200最大扭知N.m/rpm143/1320进气凸轮升程/mm6排气凸轮升程/mm6压缩比18NOx浓度ppm
964.
5334.
6861.
3274.5功率kw
26.
3820.
3825.
7619.79油耗率g/kw.h
227.
7233.
3235.
7243.3初始优化后转速rpm2200132022001320。