【技术科普】非道路国三柴油机的新型技术路线：傻瓜式D-EGR

【技术科普】非道路国三柴油机的新型技术路线：傻瓜式D-EGR【专家来信】众所周知，柴油机减排的重点和难点是氧化物（NOx）和颗粒（Pt）,尤其是NOx与Pt间的权衡，以及NOx与柴油机燃油耗^。）间的权衡。我国车用柴油机的排放已经进入国四（部分城市国五甚至国六）阶段，在柴油机的节能减排上已积累一定经验。如降低柴油机的Pt，需适当提高燃油系统的喷射压力。由于非道路柴油机运用范围的特殊性，车用柴油机部分节能减排的经验可以运用到非道路国三，全盘采用车用国四方案并不适合，如降低柴油机NOx，我国车用柴油机通常采用的SCR路线，而非道路柴油机添加尿素并不方便。今天笔者向大家介绍一种新型的、适用于非道路的排放技术路线---D-EGR。D-EGR是指内燃机的部分气缸（或部分排气道）废气经EGR冷却器直接进入进气管。傻瓜式D-EGR解决了EGR柴油机EGR率控制难题，并对NOx控制具有很好的鲁棒性、一致性。我国现有的燃油系统（包括燃油的品质）可以完全满足非道路国三柴油机颗粒限值要求。采用傻瓜式D-EGR装置，虽然柴油机燃油耗提高1%左右，但NOx排放可以更好的满足非道路国三柴油机限值要求。D-EGR柴油机，是根据国内燃油系统量身定制的非道路国三柴油机。“十三五”期间，国家提出的“一带一路”发展战略，推进了亚欧非国家和地区交通、能源等基础设施建设；提出的拓展和实施国内重大公共设施和基础设施工程、推广农业现代化、以及城市和社会主义新农村城镇化建设，都将为内燃机产品提供一个非常广阔的市场。在这个非常广阔的市场中，傻瓜式D-EGR柴油机实现非道路国三柴油机节能减排“直道超车”。1、非道路国三柴油机限值与车用柴油机限值对比非道路国三柴油机NOx的限值（最大功率PmaxN75）较车用国四限值稍宽松，Pt的限值较车用国二宽松较多。NOx+HC、Pt具体限值见下表。注1：车用国四限值NOx、HC是分开单独限制。注2：为简化NOx分析：本文所指非道路国三柴油机，功率范围是75WPmax<560。本文的分析结果同样可用于功率范围是37<Pmax<75和Pmax>560的柴油机，对D-EGR率相应减小即可。国家对非道路柴油机节能减排的要求和相应的法规的出台，促进了非道路柴油机整体水平的提高，为柴油机可持续发展和提高国际竞争力打下了坚实的基础。2、车用柴油机燃油系统的技术进步，解决了非道路国三柴油机Pt的难题。根据AVL公司RolfDreisbach的研究：增压中冷柴油机，燃油系统的喷射压力达900-100062「，柴油机颗粒排放物可以满足车用柴油机国二限值（Pt【车用EURO2（国二）排放燃油系统要求】我国车用燃油系统的发展，机械燃油系统、电控燃油系统（单体泵、共轨），均可满足喷射压力达1000-1200bar的要求。3、降低非道路国三柴油机NOx的二条技术路线：SCR、EGR3.1SCR路线SCR路线，柴油机不牺牲燃油经济性，增加SCR增加后处理。此路线，欧洲较多采用又称欧洲路线。同时，SCR路线排放达标成本较高。由于中国非道路用柴油机使用地域非常广泛，特别是一些偏僻的地方，添加尿素很不方便。SCR路线在中国非道路国三柴油机中采用较少。3.2EGR路线EGR路线，是将一小部分燃烧废气从排气管引入进气管与新鲜充量混合，降低柴油机的最高燃烧温度和燃料燃烧时的氧气浓度，从而降低NOx，对燃油经济性有一定牺牲。该路线在美国使用较多,又称美国路线。柴油机在保证空燃比的情况下，EGR率越高，NOx-FuelConsumptionTrade-off向左下方移动。RICARD公司AndrewNicol研究的在不同的EGR条件下NOx-FuelConsumptionTrade-off。【不同EGR条件下:NOx-FuelConsumptionTrade-off】EGR技术难点是EGR的导入和EGR率的控制。根据RICARDO公司AndrewNicol研究。柴油机满负荷，EGR率在10-18%，NOx排放物可达3.0~3.5g/kW.h。【NOx-EGRRateTrade-off】4、D-EGR的历史4.1日本IHI发明D-EGR1998年石川岛播磨重工业株式会社（IHI）发明了D-EGR原型（图4）。在原型图中，有两个气缸是D-EGR气缸。此时，柴油机可大幅降低NOx。但该发明有较大的排气脉冲，造成柴油机在进气过程中，每个气缸进入的废气量严重不均匀，使柴油机部分气缸的碳烟较高，从而使该发明的实用价值不高。【IHI柴油机D-EGR示意图】4.2美国SwRI申报了改进的D-EGR系列发明关于D-EGR节能减排方案，美国西南研究院（SwRI）进行了较多研究，并申报了一系列有关D-EGR的改进发明。下图是SwRI的D-EGR（汽油机）方案的示意图。【SwRI汽油机D-EGR示意图】5、D-EGR的再创新，傻瓜式D-EGRD-EGR的不足是每缸进入的废气量不均匀，严重影响柴油机的碳烟排放。在D-EGR气缸与进气管之间增加稳压装置（创新点），图6、图7在原有D=EGR的基础上，增加了稳压箱（StabilizingBox）。稳压装置的容积越大，D-EGR气缸的排气脉冲就越小，如稳压装置的容积等于柴油机的总排量。所谓傻瓜式EGR，即在柴油机转速、负荷变化时，EGR率无需调整、基本保持不变。5.1傻瓜式六缸D-EGR示意图图6的第6缸气缸是D-EGR气缸，EGR率是16.7%。【傻瓜式六缸柴油机D-EGR示意图】5.2傻瓜式四缸D-EGR示意图图7的第4缸的一半气缸是D-EGR气缸，EGR率在12.5%左右。【傻瓜式四缸柴油机D-EGR示意图】6、傻瓜式D-EGR的特点6.1NOx满足非道路国三限值，燃油耗增加1%左右AVL公司WolfgangCartellieri等试验研究，满足欧4的ESC循环工况的NOx限值（图8），高压EGR柴油机燃油耗增加5%左右;低压EGR柴油机燃油耗增加1.5%左右。由CAE模型分析可知，D-EGR的泵气损失明显低于高压EGR、低压EGR。初步分析，傻瓜式D-EGR柴油机满足非道路国三NOx限值，燃油耗将提高1%左右。【EGR系统节能潜力】6.2傻瓜式D-EGR对EGR率控制，与增压系统的增压压力建立无任何关系无论是WGT增压器、还是VNT增压器，D-EGR对增压系统效率的影响非常小。即傻瓜式D-EGR，可以把EGR对柴油机功率的减小降到最低。6.3傻瓜式D-EGR柴油机，无空气流量计、无节气门、无EGR阀。傻瓜式D-EGR装置，D-EGR气缸确定了EGR率；非道路国三无OBD要求，即无需空气流量计、无需节气门，最大限度的降低了进气系统的阻力。傻瓜式D-EGR装置的稳压箱(StabilizingBox)，确保柴油机每缸进入的废气量趋向一致，即无需EGR阀。傻瓜式EGR降低了车用EGR系统复杂性、提高了EGR系统可靠性，并降低非道路柴油机排放升级成本。6.4傻瓜式EGR，对燃油系统、燃油品质要求低傻瓜式D-EGR，对于非道路国三排放标准，对燃油系统的要求降到最低(机械燃油系统，也可轻松满足国三排放限值)。燃油系统是机械泵或电控单体泵，对燃油品质的要求也降到最低。傻瓜式