排气背压对有无EGR重型柴油机油耗的影响

摘 要：为了研究排气背压对有无废气再循环（EGR，Exhaust Gas Recirculation）重型柴油机油耗及排温等性能的影响，选取了1540r/min和320N.m的稳态工况分别对有EGR和无EGR的发动机进行了变排气背压试验。试验结果表明：排气背压每增加1kPa，无EGR的发动机油耗率增加0.49g/kWh;有EGR的发动机油耗率增加1.43g/kWh;排气背压对有EGR发动机的油耗率更敏感;低背压时，有EGR发动机的油耗率低于无EGR发动机，高背压时，有EGR发动机高于无EGR发动机。研究结果为重型柴油机排气系统结构设计和布置提供了理论指导。关键词：重型柴油机;EGR;排气背压;油耗率中图分类号：TK421+.5  文献标识号：A  文章编号：1671-7988（2019）03-125-03

Effect of exhaust back pressure on fuel consumption of the heavy diesel engine withEGR and without EGR

Qi Jinzhu¹， Wang Guoyang²， Tang Zhitao¹， Yu Tao¹

（ 1.School of Electromechanical and Automotive Engineering， Yantai University， Shandong Yantai 264005;2.School of Energy and Power Engineering， Shandong University， Shandong Ji’nan 250000 ）

Abstract： In order to obtain the exhaust back pressure to the influence of engine performance of fuel consumption and exhaust temperature etc with EGR and without EGR heavy-duty diesel engine. On engine test bench， selected the 1540 r/min and 320 N/m steady-state conditions respectively for the engine with EGR and without EGR related exhaust back pressure experiment. The experimental results showed： For each additional 1kPa of exhaust back pressure， the engine without EGR the fuel consumption increases by 0.49g/kWh; the engine with EGR the fuel consumption increases by 1.43g/kWh.The research content provides theoretical guidance for the design and layout of engine exhaust system with EGR and without EGR.Keywords： heavy-duty diesel engines; EGR; exhaust back pressure; fuel consumption rateCLC NO.： TK421+.5  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）03-125-03

前言

柴油機具有油耗低、低速扭矩大等优点，因而作为道路和非道路机械动力得到广泛应用^[1]，但是柴油机的颗粒物排放严重。必须加装DPF才能满足日趋严格的排放法规^[2]。随着PM在DPF中积累和一些排气系统设计的不合理，导致发动机排气背压增加，增压器性能下降，进而导致进气量减少^[3]。排气背压的增加反过来又会使发动机的燃烧恶化，油耗率升高^[4]。

国内外有很多学者对排气背压进行了相关的探索，但是这些研究都是针对汽油机和小型单缸柴油机的。对于有EGR和无EGR的重型柴油机的横向对比少见。所以有必要对此进行研究。

1 试验装置及方法

如图1所示，试验用一台电控高压共轨、增压中冷、带EGR的直列式柴油机，技术参数见表1。试验用油硫含量低于10mg/kg。通过调节蝶形阀产生稳定的背压，使用量程为30kPa 的压差传感器读取实时的压差，压力稳定以后测量180s左右，通过更换ECU来调节EGR阀的开闭。

2 试验结果与分析

2.1 排气背压对发动机油耗率的影响

无EGR发动机分段采样11个梯度（在4.48kPa-30.00kPa之间，以2.50kPa的步长采样）。有EGR发动机采样7次（以2.5步长在2.50kPa-17.50kPa之间取样）。因为有EGR发动机，随着排气背压的增加，ECU自动调节EGR率，导致排气背压不容易提升，即使背压阀开度很小时，背压增加也不明显，不利于采样。此时发动机运行变得极不稳定，为了防止损坏发动机，只采集了7次。

由图2可知，无EGR发动机，当背压从4.48kPa增加到29.99kPa，油耗率从244.28g/kWh增加到了256.85g/kWh，增长了5.15%，背压每增加1kPa，油耗率增加0.49g/kWh，由此可得经验公式为y=0.51x+241.33;有EGR发动机，当背压从2.38kPa增加到17.85kPa，油耗率从235.35g/kWh增加到257.40g/kWh，增长了9.37%。背压每增加1kPa，油耗率增加1.43g/kWh。

对油耗率的对比可以发现，在排气背压比较小（小于15kPa）时，和无EGR发动机相比，有EGR发动机的油耗率明显偏低。原因可能在于，在一定范围内，随着排气背压的增大，EGR率也增大，部分高温废气进入气缸参与燃烧，使缸内的温度升高。此时，温度升高对燃烧带来的益处超过了氧含量降低带来的恶化，使缸内的油气混合更加的均匀，燃烧也更加的充分，燃油经济性更好，所以此时油耗率偏低。随着排气背压的继续增大（超过15kPa），有EGR发动机的油耗率急剧增大，超过了无EGR发动机的油耗率。究其原因，一是带有EGR发动机随着排气背压的继续增加，相应的EGR率也会增大，更多的废气返回气缸。此时，温度升高对燃烧带来的益处已远远小于氧含量降低带来的恶化，导致缸内的燃烧状况急剧变差，油耗率明显增加。二是随着排气背压的增加，发动机排气受阻，更多的废气滞留缸内，导致残余废气系数增加，充气效率降低，氧含量降低。另外，此时增压器的动力也会减小，这样会使进气量减少。氧气量的不足反过来又加剧了发动机缸内燃烧的恶化，最后油耗率大大增加。

所以在排气背压比较低的时候对无EGR发动机油耗率影响较小，而在背压升高比较明显的时候，对有EGR发动机油耗率影响急剧增大。

2.2 排气背压对发动机进气流量的影响

由图3知，进气流量都随着排气背压的增大而减少，但是有EGR发动机减小的幅度比无EGR发动机要大很多，当无EGR发动机排气背压从4.48kPa增加到29.99kPa，进气流量从629.88kg/h减少到551.01kg/h，减少率为12.52%，排气背压每增加1kPa，进气流量减少3.09kg/h;而有EGR发动机排气背压从2.38kPa增加到17.85kPa，进气流量从454.97kg/h减少到302.14kg/h，减少率为33.59%，排气背压每增加1kPa，进气流量减少9.88kg/h。

上述现象的原因主要是由于排气背压对涡前压力和进气压力产生的影响，进而影响到了进气流量。

由图4可知：对于无EGR发动机，随着背压的增加发动机的排气受阻，涡轮旋转的阻力变大，涡前的压力也会增加。当排气背压从4.48kPa增加到29.99kPa时，无EGR发动机涡前压力从50.05kPa增加到了62.96kPa，增长率为24.67%，排气背压每增加1kPa，涡前压力增加0.49kPa;背压增加的幅度明显大于涡前压力增加的幅度，所以两者的差值减少，涡轮做功降低，进而导致进气流量减少。

而对于有EGR发动机，当排气背压从2.38kPa增加到17.85kPa，涡前压力反而从45.93kPa减少到了39.29kPa，减少率为14.45%，排气背压每增加1kPa，涡前压力减少0.43kPa。通过分析，可能是因为，就像前面提到的，随着背压的增大，EGR率增大，残余废气系数增大，缸内废气增多，进气流量减少，充量系数急剧减小。而此时，油耗量反而又增大，油气混合极度不均匀，导致缸内燃烧所产生的高温高压气体的温度、压力峰值降低。所以隨着排气背压的增加，涡前压力反而减小。又由于增压器的动力减小，阻力增大，所以两者的差值减小更多，进而使涡轮前后的压差减少，最终导致发动机进气流量减少。

图5是排气背压对进气压力的影响，由上面对涡前压力的分析可知，随着排气背压的增加，增压器的做功能力有所下降，所以导致了进气压力降低。所以较低压力的气体，单位体积所含有的新鲜空气量较少，所以发动机总的进气的量减少了，最终才导致了上面提到的进气流量的降低。

2.3 排气背压对排气温度的影响

由图6可知，无EGR发动机排气背压从4.48kPa增加到29.99kPa，排气温度从288℃升高到了354℃，升高率为23.00%，排气背压每增加1kPa，排气温度增加2.60℃;而有EGR发动机排气背压从2.38kPa增加到17.85kPa，排气温度从274.69℃升高到了392℃，升高率为42.66%，排气背压每增加1kPa，排气温度增加7.57℃。温度升高幅度明显比无EGR发动机高的多。

通过对排气温度的对比试验研究可以发现，带有EGR发动机的排气温度增加明显比无EGR发动机大很多，主要原因在于进气流量，由图3可知，由于有EGR发动机的排气背压增大时，进气流量减少的幅度比较大，又由图2可知在有EGR发动机的油耗量和无EGR发动机的油耗量相差不大的情况下，根据公式（1）可知，在产生的总热量接近，进气流量更小的情况之下，单位体积气体吸收的热量将会更多，所以排气温度升高的也会更加的明显。

其中，Q气体吸收的总热量，C空气的比热容，M空气的质量，最终温度T₂，初始温度T₁。通过对排气温度的对比试验研究发现，排气背压对有EGR发动机的排气温度产生的影响要远远大于无EGR发动机。

3 结论

通过试验对无EGR和有EGR发动机稳态工况下排气背压的研究，揭示了排气背压对发动机油耗，进气流量和排气温度等的影响规律。

（1）无EGR的发动机，排气背压每增加1kPa，油耗率增加0.49g/kWh;有EGR发动机，排气背压每增加1kPa，油耗增加1.43g/kWh。

（2）无EGR发动机，排气背压每增加1kPa，进气流量减少3.09kg/h;而有EGR发动机，排气背压每增加1kPa，进气流量减少9.88kg/h。

（3）无EGR发动机，排气背压每增加1kPa，排气温度增加2.60℃;而有EGR发动机，排气背压每增加1kPa，排气温度增加7.57℃。温度升高幅度明显比无EGR发动机高的多。排气背压对有EGR发动机的排气温度产生的影响远远大于无EGR发动机。试验研究对DPF的主动再生以及发动机的排气热管理有一定的指导意义。

参考文献

[1] 帅石金，唐韬，赵彦光，等.柴油车排放法规及后处理技术的现状与展望[J].汽车安全与节能学报，2012， 3（3）： 200-217.

[2] Johnson T V. Diesel Emission Control in Review[C]. SAE technical paper 2006-01-0030， 2006.

[3] 梁辰，崔毅，邓康耀等.排气背压对增压柴油机功率的影响分析及其改进方法[J].柴油机，2013，35（3）：16-20+24.

[4] 郭仲海.柴油机性能对排气背压的敏感性研究[J].内燃机，2010.（4）：47-49.

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