EGR 冷却减少直喷式柴油机NOx 排放的可行性验证技术.pdf

EGR 冷却 减少直喷式柴油机 NOx 排放的可行性验证技术 EGR 冷却 减少直喷式柴油机 NOx 排放的可行性验证技术 David PAJA Carlos PEREZ VALEO 发动机冷却系统公司 摘要 目前正在大力开发的新一代发动机具有废气排放少 节约燃油 驱动性能卓越三大特点 如 何在减少 NOx 排放量的同时不明显增加油耗和颗粒物排放 成为直喷式柴油发动机 高压 共轨 领域中最为关注的问题 冷却废气再循环系统就能够很好地满足这一要求 早在 1999 年 EGR 冷却器开始生产前 VALEO 就已验证了此项新产品的几个标准 热性能 耐气体和冷 却液重要温度变化性 耐气体腐蚀和微粒污染性 本文将闸述演示方法和部分试验结论 1 前言 在减少柴油机 NOx 排放 提高效率和性能的研究过程中 工程师们必须解决的最大难题之一 就是对 NOx 排放的控制 柴油机汽缸在高温燃烧时会释放出一氧化氮 NO 和二氧化氮 NO2 统称为氮氧化物 NOx 以及其它污染物 如一氧化碳 CO 未燃烧碳氢化合物 HC 和 微粒 而氮氧化物又是光化烟雾 地面臭氧形成和酸雨的一个重要促成因素 虽然以前对原机的改进已经大大减少了氮氧化物的排放 但如果为了满足当前及今后更为严 格的强制性环保要求而又不明显增加柴油机油耗 势必要使用其它技术 目前有两种解决方 案 机外后处理技术 在发动机下游处理废气 减小污染物浓度 缸内技术 修改燃烧参数 从源头减少污染物的生成量 废气再循环 EGR 技术是目前减少车用柴油机 NOx 排放的首选 由于柴油机排放的废气是 一种惰性气体 已经过燃烧 因此是非反应型气体 进气与再循环废气混合后将减少混合 气体的含氧量 同时减小热容 这将降低最高燃烧温度和 NOx 的形成量 而进气与惰性气体 混合就意味着为燃烧过程提供的氧气减少 从而会增加微粒排放量 但如果将再循环废气冷 却 增加 EGR 密度 就能最大程度地降低进气与废气之间的容量冲突 冷却 EGR 的效应见图 1 使用 EGR 冷却系统 不使用 EGR 冷却系统 微粒排放量 EGR 率 图 1 冷却和非冷却 EGR 系统的 NOx 微粒排放曲线比较 2 EGR 冷却原理 一般在 EGR 回路中安装一个液 气热交换器对再循环废气进行冷却 图 2 图 2 EGR 回路 整套冷却 EGR 回路由冷却器 连接管和 EGR 阀门 控制通过系统的气体流量 组成 系统通 常固定在进气管或发动机本体上 为了满足欧洲排放标准 发动机制造商必须按欧洲 ECE EUDC 循环的要求对发动机进行各项 标定 目前冷却 EGR 系统的特性只由 EGR 阀门的控制技术决定 由于对准确控制提出了越来 越高的要求 系统开始越来越多地使用电动 EGR 阀门 第二代冷却 EGR 系统对冷却器的效率 进行了调整 实现了对气体流量和温度的单独控制 因此是 EURO IV 和 EURO V 发动机的理 想选择 3 EGR 冷却器验证 EGR 冷却器实际上是第一台车用废气 发动机冷却液交换器 由于缺乏经验以及 EGR 冷却器 本身可能有潜在的缺陷 因此必须制订一个大规模的验证方案 其中包括与最终顾客密切配 合进行一系列发动机试验 下面将介绍验证中的一些关键问题 3 1 EGR 冷却器技术规范和工作条件 顾客对 EGR 冷却器的要求大致可以总结为以下几点 热效率高 充分挖掘这种技术的降低 NOx 排放潜力 尽量降低压降 由于目前的 EGR 回路是无源线路 所以必须通过周密的设计 使回路在 中等压头条件下获得最佳的气体流量 简化包装和发动机布局 这是出于在极为拥挤的环境中安装系统的需求 耐腐蚀 由于冷却器的温度相对较低 正常运行中当温度低于硫酸露点 酸液会凝结在 EGR 冷却器气侧内表面 抗压和抗振 振动问题尤为复杂 耐高温气体和较大的热冲击 需要周密设计 试验验证和正确地选用材料 尽量降低污染造成的性能下降 排放达标不是指新装的系统 而是指车辆使用周期结束 时系统必须达到排放标准 美国目前对车辆在整个使用周期的排放都有严格的法律控 制 这种作法很可能也在欧洲强制实行 3 1 热验证 为了确保排放的废气达标 新发动机必须经过长期的标定过程 对于共轨喷射系统 需要设 置的主要废气排放参数包括 燃油喷射时间 喷射压力和引燃喷射油量 如果发动机配有 EGR 系统 还需要优化 EGR 率 可以使用数模模型评估几何参数对系统液体动力特性的影响 3 然而 由于目前尚处于试验阶段以及取决于标定发动机 发动机制造商仍需继续研究车 辆 NOx 排放与 EGR 系统热工水力特性之间的关系 而供应商只负责尽量接近实际运行点执行 系统的这一特性 第一代冷却器可以将 EGR 冷却器安装在发动机试验台上 直接测量主要参数 但在接近实际 工作条件时 我们发现这种方法的诸多缺点 难于稳定和控制冷却液 质量流量和温度 因污染造成性能不稳定 成本高 不适合日常验证 因此 很快制定了第二个简化方案 在发动机下游的车辆排气管上安装一个试验装置 在冷 却器上游安装滤网以减轻污染 用一个合适的旁路阀控制 EGR 质量流量 并用特殊设计的节 流板测量容积流量 然后通过适当修正转换为质量流量 我们还特别注意考虑废气离开交换 器时的温度不均匀性 图 3 所示为装置简图 滤网 冷却液 废气 EGR 冷却器 图 3 EGR 冷却器热特性试验装置 我们很快发现与废气侧 通常 150 C 相比冷却液侧的温差极小 3 C 5 C 所以必须废气 侧才能准确测量散热 这种方法具有很好的重复性 热性能误差小于 2 废气压力误差小 于 0 5 mbar 用同样的装置 4进行的辅助性试验表明废气的脉动频率 即斯德鲁哈尔数 对热性能不产生 任何影响 事实上 由于流量的不稳定性 发动机的实际传热要高于理论稳态值 可用换热 增强系数 CAF 量化这一差异 该系数取决于雷诺数 雷诺数较小时系数约为 2 雷诺数 大于 12000 时 系数极限值为 1 正是由于具有这种特性 以及 在同一温度下 干净废气与空气的物理性质之间差异不大 使得以干净热空气作为工作流体的试验台能够完全展示 EGR 系统的特性 因此根据试验结果 就能很容易推断出发动机的实际情况 我们已设计出一种装置 能够准确控制和测量空气质量流量 精确地对闭式回路和常规的冷 却液回路进行温度控制 该装置目前正在调试阶段 初步测量显示用这两种技术测得的热性 能偏差最大不超过 5 3 2 热冲击 冷却器在极端温度和流量变化情况下的特性是开发过程中的主要问题 我们采用了下列验证 方法 2 1 识别发动机瞬态工况 2 在这些重要状态下 分别在 13 个不同位置测量冷却器的壁温 两面 3 评估每种条件的严重等级 以与冷却液和废气接触的部件平均温差为依据 4 制定一个验证试验 将冷 热冷却液交替流过冷却器废气侧 达到发动机实际运行状态 下的平均温差 5 用这些代表性试验验证冷却器 表 1 所示为识别的发电机临界状态及其主要参数清单 工况 气体进口温度 液体冷却液进口温度温差 在最高废气温度下交 替开 关 EGR 阀门 520 C 95 C 38 C 从最大发动机功率迅 速返回惰走 520 C 86 C 42 C 冷态起动至 EGR 最大 工况 340 C 40 C 3 C 冷却液流量低 废气 流量最大 340 C 94 C 12 C 表 1 可能的重要热冲击状态 最大平均温差范围 38 C 42 C 热冲击标准确定后 我们制定了验证试验 用冷 热冷却液 30 C 140 C 交替代替废气 用恒定流量 100 l min 的 20 C 水代替冷却液 在这种情况下 交换器冷 热部件之间的平 均温差为 69 C 比发动机外壳内的实际温度大约高出 25 C 此外 虽然冷却器达到的绝对 温度较低 但由于金属壁与冷却液之间的传热性好 验证试验中发动机内的温度变化较快 因此我们可以说该项验证试验能够代表并且相应地达到和模拟发动机的热冲击条件 3 3 振动 以前对冷却 EGR 系统因振动疲劳而发生机械故障的可能性估计不足 造成这种危险的几个因 素有 排列顺序与重要性无关 冷却 EGR 系统由几个部件组成 质量与惯量各不相同 部件之间有时连接刚性不够 一 些部件 如 EGR 管 可能会较长 系统直接或通过连接件 进气管 排气管 涡轮增压器 固定在发动机本体上 发动机 的振动被直接传输至系统 冷却 EGR 系统近来才被加装在封装紧凑的发动机上 设计系统布局和固定点时 通常会 受到封装条件的限制 目前已经开发出了与 VALEO 对其它发动机冷却部件采用的验证方法相似的验证技术 包括以 下几个步骤 1 发动机试验台加速度测量 在所有典型的发动机工况下 分别在发动机和 EGR 系统的几 个点收集数据 2 处理以前的试验数据 其目的是获得振荡器的耐久性试验规范 用 2 到 3 个连续轴在规 定时间范围内的功率谱密度形式表示 这种方法通过采用相应的疲劳损坏标准 可将发 动机常规的 1000 小时耐久试验缩短为 100 小时的随机 PSD 试验 通过使用安全系数保 证该规范的质量 3 试验实施 要特别注意模拟会影响结果的几个环境因素 辅助部件 固定方法 拧紧力 矩 开始疲劳验证之前 首先在试验台上测量系统的第一固有频率 为了确保系统的耐用性 首 先确定 EGR 系统第一固有频率的最小频率阈值 一般在 250Hz 左右 然后对系统进行重新 设计 直到满足这一规范 现在 许多这样的工作都是通过数字模拟来完成的 3 4 腐蚀性 这可能是研究初期验证最为复杂的问题 虽然我们具有非冷却 EGR 系统的腐蚀性经验 但冷 却器下游的低温对材料有严格的要求 其它文献中已详细地阐述了潜在的腐蚀机制 2 但对 EGR 冷却器的影响却还有待测评 目前已进行了两种试验 发动机试验台 将 EGR 冷却器置于最小污染条件下 以使冷却器壁上出现酸液凝结 野外试验 对一些装有冷却 EGR 的车辆进行野外试验 在各种运行条件下的试验行程共 计 1 000 000km 通过与我们的用户达成协议 将一些部件返回 VALEO 进行详细分析 对试验冷却器进行了详细的金相分析 仔细检查母材与填充金属因降雨试验引起的微结构变 化 异质性和腐蚀敏感性 3 5 污染 虽然柴油机的微粒污染是众所周知的现象 但对于 EGR 冷却器结构的影响 更为重要的是 在典型的工作周期中对冷却器热性能和整个系统 NOx 降低效率的影响还有待进一步研究 为此我们已进行了几项试验 1 2 以评估 ALEO EGR 冷却器污染情况 其中包括 静态 单负荷点 发动机试验台试验 发动机带不同负荷试验 循环发动机试验台试验 包括最大预期污染循环 以及典型的排放调节循环 野外试验 同前面的野外试验 主要试验结果 1 因污染造成的最大传热损失为 20 在静态试验 具体负荷点 中观察到渐近型污染特 性 循环试验 瞬变条件 中观察到 EGR 冷却器的自清洁过程 2 运行约 5 小时后 有微粒堆积和传热性能降低现象 在任何一个静态负荷点试验几小时 后冷却器未出现进一步污染 3 未观察到 EGR 冷却器管被完全堵塞 4 全套 EGR 系统的整体 NOx 降低效率降低了 5 10 这一数值对于当前的应用是可以接 受的 4 展望 EGR 冷却技术的未来 EGR 冷却技术与现有的各种技术方案相比性价比较高 所以 EGR 冷却技术已成为解决 EURO III 和 EURO IV 柴油机 NOx 排放问题的通用方案 目前我们正在着手设计满足更高环保要求 EURO V 及以上 的冷却 EGR 系统 虽然这些发动机的技术选择还有待确定 但系统技术 更为先进 具有调热功能 响应快速必将是发动机设计者未来的首选 5 结束语 VALEO 已在其现有的领域里针对载客应用对 EGR 冷却器进行了大量的验证 这一开发过程的 最终结果 是使我们生产的产品坚固耐用 满足顾客对当前直喷式柴油机的需求 VALEO 从 1999 年 4 月开始投产这种冷却器 第一年的生产质量结果显示这种产品具有卓越的性能质 量 零缺陷报