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EGR阀升程规律对重型柴油机瞬态工况排放特性的影响

更新时间:2016-07-05

柴油机具有燃油消耗低、扭矩输出高及可靠性高等优点,在交通运输、农业机械及工程机械领域得到了广泛的应用,但柴油机有害排放物极大地制约了柴油机的发展。日益严格的排放法规对柴油机排放控制提出了更高的技术要求,因此依靠发动机机内净化和机外后处理技术共同实现排放达标已越来越成为共识[1-2]。机内净化氮氧化物(NOx)的废气再循环技术(exhaust gas recycling, EGR)与机外净化微粒的微粒捕集器(Diesel Particulate Filter, DPF)的结合是目前比较主流的柴油机排放控制技术路线[3-5]。但使用EGR会对柴油机燃烧以及炭烟排放产生不良影响,因此,合理优化各工况下的EGR阀控制策略是采用EGR技术的关键。

实际道路工况下,车用柴油机大部分时间都处于瞬态工况,稳态标定的最佳性能不可能长时间持续,因此,针对瞬态工况柴油机性能与排放特性的研究更能适应未来发展需求。在ETC测试循环中,恒转速变扭矩(constant speed increased torque,CSIT)和恒扭矩变转速(constant torque increased speed,CTIS)是典型瞬态工况,在此工况下,EGR在NOx和炭烟排放控制中的矛盾也比较突出[6]。本研究主要目的是在柴油机CSIT与CTIS瞬变过程中探究EGR阀升程规律对柴油机排放特性的影响,为优化柴油机瞬态工况排放提供技术参考。

滑坡形成的力学机制为:动力来源为重力和裂隙水压力(图16、图17),活动机制为滑移-拉裂[3],对此,前人进行了大量的研究[10-13]。简要归结起来,本病害的起动过程如下:

1 试验设计

1.1 试验样机及燃料

试验样机为配备EGR的某高压共轨增压中冷重型柴油机,具体技术参数见表1。试验燃料为国Ⅴ柴油,其理化指标见表2。

表1 柴油机主要技术参数

发动机类型直列6缸缸径/mm126行程/mm155排量/L11.6压缩比17∶1标定功率/kW274标定转速/r·min-12100最大扭矩/N·m1525最大扭矩转速/r·min-11200~1500

表2 柴油主要理化指标

密度(20℃)/kg·m-3821.9运动黏度(20℃)/mm2·s-14.5十六烷值52.3闪点(闭口)/℃92.0凝点/℃-45.0碳质量分数/%86.1氢质量分数/%13.8氧质量分数/%0.4硫质量分数/%<1低热值/MJ·kg-143.9

1.2 试验设备

柴油机试验台架基于AVL-PUMA自动测控台架进行设计和搭建(见图1)。其主要仪器设备和测试系统包括:AVL-ATA404电力测功机、AVL-439烟度仪、AVL-735油耗仪、ECU标定工具ETAS、AVL-i60气体测试仪及AVL-PEUS多组分仪等(见表3)。其中AVL-i60和AVL-PEUS多组分气体分析仪的采样频率设置为10 Hz。

图1 试验台架布置示意

表3 试验用主要测试设备

试验设备测试参数测试目的AVL⁃735油耗仪燃油消耗率/g·(kW·h)-1柴油机基本性能指标AVL⁃i60(气体测试仪)NOx体积分数/10-6柴油机重要的排放物AVL⁃PEUS(多组分分析仪)NO体积分数/10-6NO2体积分数/10-6NOx的主要组成成分AVL⁃439烟度仪瞬态烟度国Ⅲ以上法规要求

本研究中发动机的标定使用的是基于CCP(CAN Calibration Protocol)的ETAS INCA软件。INCA主要提供一个工作平台进行实时监控,并且测量发动机的运行数据,可通过接口模块ES590向ECU开发板发送控制参数对瞬态试验中EGR阀开度进行控制。

1.3 试验工况

分别在恒定扭矩相同转速增加率与恒定转速相同扭矩增加率下, 研究EGR阀升程规律对瞬态工况排放特性的影响。通过稳态正交试验已经确定了柴油机瞬变过程前后工况点的EGR阀开度,关键是如何设计中间的升程规律。通过试验设计方法DOE(Design of Experiment),将前后工况点(A,B)标注于坐标系中(见图2),列举工况A与B之间可随时间随机走过的点,通过排列组合连接成不同EGR阀升程规律曲线。升程规律基本可分为3类:线性升程、上凸型升程以及下凹型升程。

农业面源污染控制技术体系构建是一项复杂的系统工程,需要充分考虑库区自然生态和社会经济差异、农户生活生产方式和环境意识差异和对生活质量要求等因素;要遵循因地制宜的原则,结合库区生态环境特点和农业面源污染发生特征,以“水、土、热、气、肥”5要素的综合控制为主线,来构建农业面源污染控制技术体系。

图2 EGR阀过渡工况可选路径点

EGR阀升程规律选择示意见图3。在恒转速变扭矩工况,柴油机工况由1 295 r/min,387 N·m通过5 s恒转速变扭矩瞬变到1 295 r/min,1 160 N·m。EGR阀与柴油机同时开始瞬变,瞬变前后EGR阀的开度从70%降低到25%。升程规律见图3a,其中升程1是简单线性过渡;升程2、升程3与升程1相比,EGR阀开度变化速率更大,且依次降低,总体呈现下凹状。升程4、升程5与升程1相比,EGR阀开度推迟瞬变,变化率高于升程1,总体呈现上凸状。

图3 EGR阀升程规律选择示意

在恒扭矩变转速工况,柴油机工况由1 295 r/min,1 145 N·m通过3 s恒扭矩变转速瞬变到1 590 r/min,1 145 N·m,EGR阀与柴油机同时开始瞬变,瞬变前后EGR阀的开度从32%升高到50%。升程规律见图3b,其中升程A是简单线性过渡;升程B、升程C总体呈现上凸状;升程D、升程E总体呈现下凹状。

2 试验结果和分析

2.1 EGR阀升程规律对NOx排放的影响

参考文献

图4 恒转速变扭矩工况EGR阀升程规律对柴油机NOx排放的影响

少年近视率居世界第一?听起来惊人,其实,我国青少年不断升高的近视率早已让家长担忧。2015年北京大学中国健康发展研究中心李玲团队发布的《国民视觉健康报告》显示,我国高中生和大学生近视患病率均超过70%。教育部的统计数据也显示,我国学生视力不良低龄化趋势明显,小学生近视10年翻一倍。再看看我们周边,戴近视眼镜的孩子越来越多,可以确定我国青少年近视率居世界第一,是一个不争的事实。

由图4a可知,下凹型升程2、升程3的NOx排放出现了明显的峰值,其他升程均出现明显谷值。对于升程2、升程3,EGR阀开度变化速率从瞬变开始就高于线性升程1,EGR阀开度迅速减小使废气回流量降低,提高了缸内的进气量,混合气体总热容降低且随负荷增加缸内喷油量增大,缸内燃烧温度上升,基本符合NOx高温富氧生成条件[7-9],因此,缸内产生的NOx会突增。升程2的EGR阀开度过渡完成用时少于升程3,其NOx峰值相比升程3升高了20.10%。升程4、升程5与升程1相比,最大的不同是在瞬变始点其EGR阀开度保持不变,一段时间后才开始变化。因此在瞬变开始时,缸内新鲜空气进气量较稳态时大幅降低,而随负荷增大缸内喷油量增加,导致缸内空燃比下降,造成了NOx排放的降低。升程5EGR 阀延迟变化时间比升程4长,其NOx谷值相比升程4降低了14.4%。

由图4b可知,NO不论是排放水平还是整体趋势上与NOx排放均有极高的统一性。通过对比分析发现,升程2的NO排放峰值明显,升程3几乎看不出峰值,其余升程NO排放均出现谷值。其中升程5谷值最小,相比于升程2峰值,NO排放下降58.19%。

准确称取(5.00±0.01) g待测样品,加入50 mL超纯水,匀浆均质2 min,超声5 min,室温下静置30 min。取均质液于12000 r/min下4 ℃离心15 min,吸取上层清液,沉淀,再次用30 mL超纯水溶解,重复上述步骤,合并上清液。静置后取下层水溶液50 mL定容至100 mL待测。

由图4c可知,与NO相比,NO2的排放水平要低很多,该工况所有升程的NO2排放峰值均没超过20×10-6,对NOx整体的排放数量级与趋势没有造成明显的影响。NO与NO2的比例在1∶9到1∶10之间。

[4] 李腾腾,王凤滨,钟绍华.重型柴油机达到国Ⅳ标准的技术路线比对[J].商用车与发动机,2010(3):20-23.

从图5a可知,各升程规律下NOx的排放规律一致,瞬变开始后NOx排放先减后增,最后趋于稳定。不同EGR阀升程规律下谷值明显不同,与线性升程A相比,升程B、升程C的谷值降低了15.27%和9.16%,升程D、升程E的谷值高于升程A9.08%和9.73%。由图3b可知,升程B、升程C的相同点是在瞬变工况开始时EGR阀变化速率高于线性升程A。EGR阀开度快速增大使废气回流量增加,缸内氧浓度进一步降低,抑制了NOx的产生,因此EGR阀过渡时间最短的升程B的NOx谷值最低。升程D、升程E在瞬变开始时EGR阀没有立刻响应,EGR阀开度的延迟变化使瞬变始点缸内的废气回流低于线性升程,因此缸内氧浓度较高。而1 145 N·m属于中高负荷,缸内燃烧温度较高,缸内的氧含量决定了NOx排放量。而升程E的EGR阀开度变化延迟时间最长,故NOx排放最高。

由图5b可知,NO的排放水平与NOx基本一致。其中,升程B、升程C的NOx谷值分别比升程A低9.8%,8.4%;升程D、升程E的谷值分别较升程A高5.63%和8.12%。

图5 恒扭矩变转速工况EGR阀升程规律对柴油机NOx排放的影响

由图5c可知,所有升程下NO2排放值均低于20×10-6。柴油机NO2排放水平很低,其排放规律对NOx排放的整体规律不会造成很大影响。

2.2 EGR阀升程规律对烟度的影响

图6示出柴油机不同EGR阀升程规律下消光系数的变化曲线,该参量可以表征柴油机的烟度水平[10]

由图6a可知,恒转速变扭矩工况下,所有EGR阀升程规律下烟度变化趋势相同,均呈先增后减随后趋于稳定的趋势。升程2、升程3的烟度峰值与线性升程1相比下降了51.5%和55.73%,升程4、升程5的烟度峰值比升程1高了7.7%和35.1%。在增负荷过程中,随喷油量增加缸内温度也逐步上升,缸内空燃比成为影响炭烟生成的重要因素[11-13]。升程2、升程3EGR阀开度快速减小使得缸内废气回流量减少,提升了缸内的进气量,优化了缸内的空燃比,因此与线性升程相比,这两种升程下烟度有了大幅下降。同理,升程4、升程5EGR阀开度推迟变化使缸内进气量比线性变化时更加不足,燃烧质量也比其他升程要差,因此烟度劣于线性升程。

图6 EGR阀升程规律对柴油机消光系数的影响

由图6b可知,恒扭矩变转速工况下,各升程规律下柴油机消光系数的变化趋势一致,均是在瞬变过程中出现一个峰值,之后再回到稳态的水平。升程B、升程C的烟度峰值比线性升程A高88.81%,48.64%,升程D、升程E的烟度峰值比升程A低0.2%和10.4%。该过渡工况属于中高负荷,缸内燃烧温度较高,烟度与缸内的含氧量密切相关。升程B、升程C在瞬变工况开始时EGR阀变化速率高于线性升程A,废气回流量增加使缸内氧浓度进一步降低,导致炭烟排放增加。升程D、升程E的EGR阀保持小开度的时间较长,缸内氧含量比其他升程更高,因此烟度峰值更低。

图7示出柴油机EGR阀升程规律对燃油消耗率的影响。

2.3 EGR阀升程规律对燃油消耗率的影响

“我可……这是什么鬼天气,你看,还下起雪来了,你不是专门选这样的天气来的吧。”田铭没好气地说。本来刚才他想对范青青说他不是她失恋的备胎的,无奈风把雪吹进了他的嘴里。

采用改进的30节点系统验证本文提出的最优分时电价双层模型的有效性,相应的发电机、支路和节点参数见文献[17]。假设不同节点上常规负荷符合相同的图3所示的日负荷系数变化曲线,相应的参考值可以在文献[17]中找到。系统的拓扑结构如图4所示。系统有5个代理商,代理商规模和位置见表1。

由图7a可知,恒转速变扭矩工况下,所有升程下柴油机燃油消耗率瞬变过程中的变化趋势都是先降后升,最后趋于稳定。这是因为从小负荷向大负荷过渡时,瞬变始点缸内EGR废气回流加热了缸内气体,改善燃油雾化质量导致油耗降低;而随着负荷增大到一定程度,废气回流反而降低了缸内进气量,燃烧恶化,因此燃油消耗率逐渐上升[14-15]。不同升程规律下柴油机燃油消耗率差异较小,升程2、升程3的燃油消耗率谷值比线性升程1低3.24%和5.02%,升程4、升程5的燃油消耗率谷值比线性升程1高4.03%和5.16%。

图7 EGR阀升程规律对柴油机燃油消耗率的影响

大寻访一路走来,我注意到很多印刷厂都安装有北人的设备,虽出厂年份不一,但其质量均有口皆碑。不禁好奇,这是一家怎样的企业,可以获得如此多的赞誉。待到走进北人智能装备科技有限公司,现场所见所闻,以及与董事长陈邦设的一番深入交流,确让我们亲身领略了国内印刷装备领军企业的风姿与底蕴。

在分析排放的同时也要关注不同EGR阀升程规律对瞬态工况柴油燃油消耗率的影响。如果瞬态过程某一 EGR 阀升程规律导致柴油机燃油消耗率恶化明显,就必须考虑采取当前路径的合理性。

由图7b可知,恒扭矩变转速工况下,所有的升程规律下燃油消耗率均出现一个谷值,且不同升程下谷值没有明显的差异。导致这种现象的主要原因是,随着柴油机的转速升高,瞬态过程中增压器迟滞影响明显减小,柴油机的充气增加,优化了缸内燃烧[14-15]。计算分析后发现,升程B、升程C的燃油消耗率谷值比升程A高1.95%和1.34%,升程D、升程E的燃油消耗率谷值相比升程A低1.83%和0.84%。与升程A相比,所有升程下燃油消耗率谷值的最大差值仅为3.8 g/(kW·h)。

3 结论

a) 恒转速变扭矩工况下,在初始变化率高的下凹型升程瞬变过程中,柴油机NOx排放量明显增加并出现峰值,而线性升程与上凸型升程下NOx排放曲线出现明显波谷,NOx排放最大降幅达到55.3%;恒扭矩变转速工况下,所有升程规律下NOx排放均呈现先减后增随后趋于稳定趋势,初始变化率高的上凸型升程排放谷值要低于线性升程与下凹型升程,最大降幅达到23.07%;两种瞬态工况下,NO与NOx排放规律基本一致,而EGR阀升程规律对NO2排放影响甚微;

b) 不同EGR阀升程规律下两种瞬态工况的烟度变化规律相同,呈先增后减最后趋于稳定的趋势,且下凹型升程的烟度峰值较低;

[5][7] Rex W. Tillerson, Remarks on “Defining Our Relationship With India for the Next Century”, Center for Strategic and International Studies, Washington DC, October 18, 2017, https://www.state.gov/secretary/remarks/2017/10/274913.htm.

c) 不同EGR阀升程规律下两种瞬态工况的燃油消耗率变化规律相同,均呈先减后增最后趋于稳定的趋势,且波谷十分接近,这说明EGR阀升程规律对燃油经济性影响不大,且所选路径在合理范围内。

近期,省委书记娄勤俭在全省宣传思想工作会议上强调,“要着力增强江苏文化影响力,努力构筑思想文化引领高地、道德风尚建设高地、文艺精品创作高地,推动宣传思想工作走在前列,为全省高质量发展提供坚强有力的思想保证和精神支撑”。近年来,靖江市以培育和践行社会主义核心价值观为主线,以涵养文明为导向,在全市广泛开展“文明养成”“文明守望”“文明熏陶”系列教育活动,着力提升市民文明素质和社会文明程度,让创建全国文明城市的过程,成为践行靖江品格的过程,成为提振靖江精神的过程,成为升华靖江文明的过程,为共建美好家园提供强大精神动力和道德滋养。

图4示出恒转速变扭矩工况柴油机EGR阀升程规律对NOx排放的影响。

清初传记散文中遗民形象书写的道德范式—以清初遗民徐枋传记为例……………………………………杨旭辉(158)

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图5示出恒扭矩变转速工况柴油机EGR阀升程规律对NOx排放的影响。

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本研究显示,治疗组术后总有效率为100%。术后残留血肿吸收时间明显缩短,且无复发,脑组织复张率也明显高于对照组。而对照组术后血肿残留消失时间长,脑复张相对较差,并有3例复发。由此可见,老年人慢性硬膜下血肿钻孔引流术后血辅助高压氧治疗,可缩短治疗时间并减少血肿残留,促进脑组织复张,降低术后血肿复发,减轻老年患者痛苦和减少费用,值得临床应用。

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例如,在讲解新的知识点的时候,老师可以将学生分为高中低三层。对于相对低层的学生,给他们讲述相对容易接受的基础知识,在面对不会的问题时要细心耐心地讲解,引导学生思考并解决问题。对于中层的学生要适当地对知识进行扩展,在面对问题时要让学生自己进行独立思考,在小组内进行交流,老师不要一味地进行讲解,对不明白的地方教师可以适时点拨、指导。对于相对高层次的学生,要适当引导他们进行创新性的思考,相同的问题让他们用不同的方法进行解读,老师起到一个引导的作用就好,让学生发挥出最大的自主性。

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楼狄明,文杰,孔德立,谭丕强,胡志远
《车用发动机》 2018年第2期
《车用发动机》2018年第2期文献

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