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用于商用车柴油机的高低压组合式废气再循环
2020-03-19 06:59:47· 来源：汽车与新动力
干货 |原创汽车与新动力 昨天点击上方汽车与新动力可进行订阅哦！_______________为了能满足未来的废气排放法规，不仅要进一步降低CO2排放，而且还需进一步降低N
为了能满足未来的废气排放法规，不仅要进一步降低 CO 2排放，而且还需进一步降低 NO x排放。为了达到该目的，Mahle公司已开发出一种可用于商用车柴油机的系统，其对高低压废气再循环的组合实现充分利用，以此实现 NO x排放与EGR率之间的良好比率。
1 初始状况
目前在商用车领域，针对废气排放和燃油耗的优化措施已达到较高的技术水平,通过由柴油机氧化催化转化器（DOC）、柴油机颗粒捕集器（DPF）和选择性催化还原装置（SCR）组成的废气后处理系统，汽车的废气排放值已能满足欧6排放标准限值的要求。上述系统可通过SCR来实现，也可与高压EGR（HD-EGR）和不同的EGR率相组合。
但是，该方式会受到两方面的限制：一是提高涡轮增压器的效率会降低HD-EGR的压力差，二是明年欧盟和美国的氮氧化物（NOx ）排放限值会相应加严，从而需确保 NO x的原始排放值在1～2 g/（kW·h）之间。 除此之外，未来的废气排放策略需进一步考虑降低燃油耗，因为欧盟法规规定从2025年起应逐步降低商用车的CO2 排放。
在该框架条件下，Mahle公司目前正在研究再添加一个低压EGR（ND-EGR）系统的方案，因为这种系统能优化NOx排放与EGR率之间的比率关系，而且能与涡轮增压器的扫气压力差实现独立的工作状态。为了支持非稳态运行，除了ND-EGR之外还使用了能动态运行的HD-EGR。此外，研究工作的一部分是研究系统对汽车冷却循环回路和增压空气冷却器的影响。
2 组合式EGR系统的设计
在采用组合EGR的情况下，ND-EGR管路被添加到当前具有HD-EGR管路的欧6配置中。在最初结构中，ND-EGR管路具有一个废气背压阀和一个冷端的EGR阀（图1）。由于从SCR催化转化器之前对ND-EGR废气进行提取的，因而可采用无废气背压阀的结构。空气滤清器的压力差可用于支持废气入口端ND-EGR废气的流动，通过将废气的流动设计成压力损失（流量分配器、管道、热交换器和阀）较小的状态，就能实现无附加换气损失地运行，这在经改进的第二种结构中已得到了证实。
图1 带有低压和高压EGR管路的发动机示意图（LuFi=进气空气滤清器）
根据总EGR率和EGR的分配比率来确定两个热交换器的尺寸。ND-EGR管路采用较大的横截面积，以便能不受限制地进行试验，但是最终采取的策略则体现在实际投入批量生产的结构中，因此ND-EGR和HD-EGR的热交换器甚至可组合成一个单体式构件，只需布设一个冷却液进口，并安装在HD-EGR的热交换器位置附近，所需的安装空间与配置一个HD-EGR相似。
这种双热交换器采用基础发动机冷却液温度水平的冷却液来调节温度，此类方式可实际应用于批量生产，并且有助于避免在ND-EGR冷却器中产生冷凝物。
为了达到所需的EGR率，必须为较低的压力差优化EGR管路中的所有构件，因为这种系统是以较高的体积流量和与环境压力相近的压力水平而实现运行的，而且ND-EGR冷却器需呈现出良好的工作能力，以避免在高负荷时使压气机叶轮出现过高的温度。
在试验中使用的ND-EGR冷却器是以Mahle公司的新型小翼-管式结构为基础的，这种结构的冷却器能确保实现规定的压力降和工作能力，与HD-EGR标准冷却器相比其压力降可减少70%，而工作能力仅降低了12%，这相对比显著降低的压力降而言是一个可以接受的数值。
ND-EGR管路两端的压力差是由废气后处理系统出口和压气机进口的真空度产生的，并且在部分运行范围内需通过背压阀来调节。试验表明，在DPF附近和SCR催化转化器之前提取再循环废气的情况下可以取消背压阀，因此所使用的ND-EGR管路仅通过ND-EGR阀来调节，在阀全开的情况下总压力降仅略高于ND-EGR冷却器的压力降。
3 EGR率分配变化时的热力学
HD-EGR减少了废气涡轮增压器压气机和涡轮中的质量流量，而ND-EGR变化时质量流量几乎保持不变，视运行工况点的不同而具有不同的影响：在过量空气系数较低和用于输送HD-EGR废气压力差较小的情况下，与ND-EGR组合会获益匪浅，而在过量空气系数足够高的运行工况点ND-EGR会导致换气损失增大，因为空气质量流量无需保持得较大。从保持NOx排放不变的情况下欧洲稳态测试循环（ESC循环）A100运行工况点（图2）（译注：可参阅ESC循环标准所配置的测试工况点）的HD-EGR率和ND-EGR率分配的变化试验就可得知这种不同的影响，而所有其他发动机参数例如喷油始点和喷油压力等都保持不变，但是增压压力并不会一直保持不变，因为这种结构通常不带增压力调节阀，因此涡轮增压器总是以最佳工作状态运行。
图2 在保持 NO x=1.5 g/（kW·h）不变的情况下优化ND-EGR率和HD-EGR率之间的分配
基本策略是使用尽可能高的HD-EGR率（在可供使用的压力差情况下）再附加使用ND-EGR直至达到所期望的NOx排放值，在试验中这被称为HD-max组合策略。再从该点出发以逐步提高ND-EGR率，同时保持NOx排放值，并相应地降低HD-EGR率。试验中较高的ND-EGR率是在ND-EGR阀全开和不使用背压阀时方才达到的，这种策略被称为ND-max组合策略。限值主要取决于进口和出口管路中的压力以及热交换器的工作能力。
在A100运行工况点上，NOx=1.5 g/（kW·h）时的空燃比是较低的，此时可通过增大ND-EGR来提高空气流量。提高空气流量就相应改善了过量空气系数，因而通过增大ND-EGR就能改善燃油耗和碳烟排放（图3）。ND-EGR率较高的一个缺点是换气功有所增加，这在A100运行工况点上并不会造成显著影响。在发动机转速较高的情况下产生的影响是与此相反的。在C100运行工况点上，这种缺点在换气功上是具有一定优势的，以致于在ESC特性曲线场的C转速时HD-max策略呈现出最低的燃油耗。在中等发动机转速时，对燃油耗的影响得以适当校正，以致于可根据其他目标例如非稳态特性来选择EGR率。
图3 在保持 NO x=1.5g/（kW·h）不变的情况下优化ND-EGR率和HD-EGR率之间的分配
4 组合EGR运行的燃油耗和排放潜力
在这种试验研究中考察了3种不同的NOx原始排放目标值：5 g/（kW·h）、3 g/（kW·h）和1.5 g/（kW·h）（见图4），最高值与欧6排放目标的基本用途有关，而最低值适用于未来的规定。
图4 不同 NO x排放水平时ESC循环加权平均燃油耗(仅HD-EGR与组合EGR的比较)
在优化不同的NOx原始排放目标值的运行策略时（图5），有一个结果是始终不变的：HD-EGR在最佳燃油耗时的组合策略中的份额在大多数情况下是与对燃油耗最佳的单独采用HD-EGR 策略的EGR率相一致的，其原因在于这种比率对换气过程而言具有最佳效果。这适合于所有的NOx排放目标和大多数运行工况点。
图5 A50运行工况点不同 NO x排放水平时最佳燃油耗的EGR率
在发动机试验中，每一种策略都对所有的ESC运行工况点进行了相关试验。为了使这些策略能直接进行比较，通过比燃油耗、EGR率和NOx比排放值计算运行工况点的加权平均值，由此得到了每种策略的数据点（图4）。
与单独采用HD-EGR的策略相比，组合EGR系统使比燃油耗得到了显著的改善，特别是在NOx排放值较低的情况下。ESC循环的加权平均结果表明，组合EGR系统在NOx排放值为1.5 g/（kW·h）时的燃油耗处于如HD-EGR系统在NOx排放值为5 g/（kW·h）时的燃油耗相同的水平上。
对一种配置测量的偏差通常为1 g/（kW·h）。为了更好地进行比较，在规定的NOx排放值情况下直接连续地进行两种配置的试验，在图5中将其试验结果通过方括号联系起来。
5 用于组合EGR系统的非稳态调节策略
ND-EGR的优点是这种系统与涡轮增压器的运行工况点相对没有关系。对于非稳态运行这就意味着ND-EGR的流动长度比HD-EGR长，会使静止时间延长。为了回避该缺陷，将ND-EGR阀设置在靠近压气机的冷端，以此就能缩短响应时间。
组合EGR策略呈现出较高的总EGR率，因而良好的非稳态工作能力对于实际使用这种策略具有决定性的意义，因此借助于标准化负荷突变试验对非稳态标定进行试验和优化，基准是在NOx排放值为5 g/（kW·h）时的基本策略的非稳态性能，要在发动机转速为1 200 r/min时在2～3 s内输出最大扭矩。
与基本策略所应用的情况相似，在负荷突变期间关闭HD-EGR，但是其无法应用于ND-EGR，因为直至ND-EGR率出现反应之前负荷突变大多尚未产生影响，因此ND-EGR的操纵策略是在负荷突变开始时，ND-EGR阀就已切换到负荷突变后的额定值了。
ND-EGR间接会对非稳态性能产生有利的影响:因为其流量会随着增压压力的建立而增加,在负荷突变的下半段提高了降低NOx排放的效果,从而使该阶段的燃烧能随着较小的滞后现象而持续进行（图6）。非稳态运行以该方式通过快速响应的调节机构可维持调节（HD-EGR,燃烧重心位置等）功能。
图6 1 200 r/min时的负荷突变：燃烧重心位置、EGR干预和瞬态 NO x排放
对不同的加减负荷突变进行标定，达到了与基本策略相似的良好的非稳态性能，而且都具有良好的非稳态NOx排放值，特别是因采用了并不高的总ND-EGR率，图中没有表示出来的减负荷突变表现出非常良好的效果。非稳态的燃油耗状况标定进行得卓有成效，获得了稳定的曲线，过量空气系数并未低于约1.1的下限值。这里所示出的非稳态试验结果是在所选择的运行工况点借助于手工标定而得到的，并且全部标定必须都通过量产验证认可。
高低压两种管路中的EGR分配以及适中的ND-EGR率（在良好的组合策略中没有时间点会超过19%的）能获得可实现良好调节的非稳态性能。
6 与汽车冷却系统的相互作用
ND-EGR系统中的重要挑战之一是形成冷凝物。遗憾的是精确地确定积累的冷凝物而不影响发动机空气进气系统中的压力降几乎是不可能的，为此已开发了一种模拟计算方法，以便能研究发动机空气进气系统中形成的冷凝物。这种模拟计算与Mahle公司内部的1D模拟工具一起用于热交换器、冷却模块和整个系统的制作。EGR发动机中的冷凝物主要是由燃烧期间产生的水和环境中的湿空气共同形成的。
根据环境空气的温度和相对湿度的不同，发动机进气中的水分含量会有很大的变化。在低温和低空气湿度情况下水分相对较少，并明显低于再循环废气中的水分，而在空气温度和湿度较高的情况下进气中的水分就有一定用武之地了。
在系统中的不同部位都会形成冷凝物，甚至在HD-EGR发动机和不采用EGR的发动机中，在环境空气湿度较高的情况下会在增压空气冷却器中形成冷凝物。图7示出了在A50运行工况点时增压空气冷却器出口处的冷凝物数量与环境空气温度和相对湿度的关系。HD-EGR仅在特性曲线场的上部右边范围内，并且在环境空气相对湿度和温度较高的情况下才会形成冷凝物，但是当附加使用ND-EGR时这种状况就全变了，因废气中的水分高，除了在环境空气温度较高和相对湿度较低的情况下，几乎在整个特性曲线场范围内在增压空气冷却器中都会形成冷凝物。
图7 增压空气冷却器出口出的冷凝物数量（HD-EGR 和组合ND-HD-EGR，A50运行工况点，冷却液温度85℃）（译注：纵横坐标分别是环境空气的相对湿度和温度）
一旦冷却液温度低于水的露点，就会在HD-EGR冷却器处形成冷凝物，这主要是发动机暖机阶段期间的情况，并且会累积至一定的程度为止。这种冷凝物通常呈现较低的pH值（＜3），而且会导致发动机腐蚀和磨损。
在ND-EGR管路中，正如在 HD-EGR冷却器中的情况一样，仅会在发动机暖机阶段形成冷凝物。与HD-EGR冷却器相比，在ND-EGR冷却器中需尽量避免此类情况，以防止造成压气机叶轮的损坏。
冷凝物形成的另一个重要部位是靠近压气机进口的进气空气与ND-EGR混合的地方，同样也应避免在这个地方形成冷凝物，因为由此会造成压气机叶轮损坏。
在进气歧管中或增压空气与HD-EGR混合的地方仅在环境温度非常低的情况下才会存在形成冷凝物的风险，如果使用高功效的增压空气冷却器的话这种风险就会相应增大，而在ND-EGR与HD-EGR组合使用的情况下因在增压空气冷却器中会形成冷凝物，情况会随机发生变化。
图8示出了在环境空气温度20 ℃和相对湿度为50%的情况下，在A50 运行工况点，在HD-EGR发动机以及ND-EGR和HD-EGR发动机的空气进气系统中不同部位的冷凝曲线。
图8 在环境温度=20℃和环境相对湿度=50%时的冷凝情况
于该条件下，在冷却液温度低于58 ℃时，HD-EGR发动机的进气空气系统中仅会在HD-EGR冷却器内形成冷凝物，同样在增压空气与HD-EGR气体混合的部位也会形成少许冷凝物。随着冷却温度越来越高从而不会产生这种效果，并且从80 ℃起在进气歧管中就不会再形成更多的冷凝物了。
在ND-EGR与HD-EGR的组合系统中的情况就比较复杂。在ND-EGR冷却器中冷却液温度低于40 ℃时就会形成冷凝物而导致压气机叶轮损坏，因此在该条件下就无法使用ND-EGR。HD-EGR的冷凝物数量可通过改善EGR组合策略来得以降低，因为总EGR率的一部分已被转移到ND-EGR，由此改善了对发动机的酸腐蚀现象，因为ND-EGR气体在废气后处理系统中已得以充分净化。在温度较低的情况下，HD-EGR的进气接管中的冷凝物流动与组合EGR时的情况相似，一旦发动机已实现暖机，HD-EGR就会处于较为干燥的工作状态，但是组合EGR仍会继续呈现出一定的冷凝物流动过程。
不同的冷凝过程限制了在某些工况点上对ND-EGR的使用，这与发动机暖机阶段和较低的环境空气温度有关。为了确保所期望的NOx排放值，可应用两种策略：发动机暖机阶段提高HD-EGR率或者使用间接冷却系统。
前者可通过使用进气节气门和废气阀来实现，其本来就是用于废气温度管理的。还可附加使用一个可变涡轮几何截面（VTG）涡轮增压器。图8示出了这种策略的冷凝速率，这些数据是在环境空气温度20 ℃和相对湿度50%的情况下再次对A50运行工况点进行的模拟。在40 ℃冷却液温度之前仅使用HD-EGR，系统在较高的EGR率情况下运行，而且所有的冷凝物都来自于HD-EGR冷却器。在更高的冷却液温度情况下发动机即切换到使用组合EGR，当温度超过60 ℃时就不会再形成冷凝物了，但是增压空气冷却器仍会继续形成冷凝物。
间接冷却系统的优点之一是能调节进入增压空气冷却器的冷却液温度和冷却液数量，与直接冷却空气的方案相比，其改善了针对增压空气出口温度的调节过程。附加获得的这种自由度提供了针对下列方法的研究可行性：
（1）废气温度管理；
（2）加速发动机暖机阶段；
（3）减少了冷凝物的形成；
（4）低环境温度下的防冻。
7 结论和展望
使用组合EGR系统能获得较高的总EGR率，以此就能达到较低的NOx原始排放。通过有针对性地使用两种EGR管路，就能避免单独使用ND-EGR的弊端。试验研究表明，ND-EGR是对HD-EGR的理想补充，并且在中等的燃油耗和1%的额外费用情况下能获得较高的NOx排放降低率。通过两种EGR管路所获得的附加自由度对此作出了贡献，因此能将两种EGR系统的优点结合起来。1D换气模拟计算显示，EGR在HD和ND管路之间的分配以及使用最佳的涡轮增压器具有较好的节油潜力，这证实了选择涡轮增压器的试验结果，采用这种结构在ESC-A转速下已测得了0.5%的节油效果。
目前已针对非稳态性能开发出了与其基本工作能力相一致的设计方案，但是在NOx排放值明显较低的情况下。与基本策略相比，非稳态NOx排放峰值已得以优化，而且ND-EGR在非稳态运行中不会引起临界问题。
与单独使用HD-EGR不同，在标准环境条件下组合EGR会在增压空气冷却器中出现一定数量的冷凝物，但是在空气湿度较高（例如下雨时）情况下两种系统在增压空气冷却器的效果是相似的。通过设计通过发动机冷却液温度运行ND-EGR冷却器，在标准环境条件下涡轮增压器前则不会形成冷凝物。
总而言之，组合EGR系统是一种充满希望的方案，采用这种方案能在较高的燃油效率情况下满足未来商用车对NOx排放限值的要求。
作者：[德]S.SCHNEIDAR等
整理：范明强
：伍赛特
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