EGR 對柴油機(jī)低溫燃燒影響的試驗(yàn)及仿真研究

王云超魯志遠(yuǎn)劉占強(qiáng)馬帥營周碩趙衛(wèi)平（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

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EGR 對柴油機(jī)低溫燃燒影響的試驗(yàn)及仿真研究

王云超1，2魯志遠(yuǎn)1，2劉占強(qiáng)1，2馬帥營1，2周碩1，2趙衛(wèi)平1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

結(jié)合發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)及數(shù)值仿真技術(shù)研究了EGR對四缸柴油機(jī)低溫燃燒的影響規(guī)律及作用機(jī)理。選定NEDC循環(huán)測試中的三個代表工況進(jìn)行研究的結(jié)果表明：隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的增加，所能達(dá)到的EGR率降低，且EGR對排放影響的敏感性增大；1 800 r/min-25.4 N·m工況點(diǎn)，EGR率高于43%時，可實(shí)現(xiàn)NOx和Soot排放同時降低的低溫燃燒；而2 000 r/min-82.7 N·m和2 400 r/ min-127.2 N·m工況點(diǎn)，在受限的EGR率條件下，NOx與Soot排放呈現(xiàn)trade-off關(guān)系。HC和CO排放隨EGR率的增加基本呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。綜合分析EGR對燃燒、性能、排放的影響，并考慮到研究所用四缸發(fā)動機(jī)所能達(dá)到的最高EGR率，三個工況點(diǎn)的試驗(yàn)EGR率優(yōu)化值依次為：43%、26%、22%。

EGR低溫燃燒柴油機(jī)排放

引言

柴油機(jī)以其高熱效率、強(qiáng)勁動力等優(yōu)勢在工程機(jī)械及汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)柴油機(jī)屬于燃料噴霧擴(kuò)散燃燒，由于非均質(zhì)燃燒的固有特性，存在NOx和Soot排放之間的trade-off關(guān)系。而采用后處理技術(shù)解決NOx和Soot排放問題，則會帶來成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低等多方面的問題，因此探尋新型高效清潔燃燒方式成為了柴油機(jī)滿足未來嚴(yán)格排放法規(guī)的重要途徑。

低溫燃燒（LTC，Low Temperature Combustion）通過對燃燒路徑中混合氣濃度和溫度的控制，避開NOx和Soot的生成區(qū)域，達(dá)到同時降低NOx和Soot排放的目的，被公認(rèn)為一種極有前途的新型燃燒方式，近年來在國內(nèi)外受到廣泛關(guān)注［1］。在實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)低溫燃燒的過程中，能否獲得足夠高的EGR率是關(guān)鍵［2］。目前諸多關(guān)于柴油機(jī)低溫燃燒的研究主要在單缸機(jī)試驗(yàn)臺架上進(jìn)行，配置有外接壓氣機(jī)構(gòu)成的模擬增壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)及控制過程相對容易，而在多缸機(jī)上因涉及到增壓器的增壓器能力、EGR加熱進(jìn)氣的作用等問題，在產(chǎn)品開發(fā)過程中，為獲得足夠高的EGR率并用于控制燃燒過程及排放顯得更為困難，須做專門的研究。

本研究將在一臺四缸柴油機(jī)試驗(yàn)臺架上探索不同負(fù)荷、轉(zhuǎn)速下所能達(dá)到的最高EGR率及EGR對燃燒、排放影響的基本規(guī)律，并利用Fire軟件對低溫燃燒中EGR的作用機(jī)理進(jìn)行仿真分析，為低溫燃燒技術(shù)的進(jìn)一步深入研究及產(chǎn)品發(fā)動機(jī)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1　試驗(yàn)裝置及研究方法

試驗(yàn)發(fā)動機(jī)為增壓中冷、電控高壓共軌柴油機(jī)，其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1　發(fā)動機(jī)參數(shù)

試驗(yàn)臺架配備有AVL電力測功機(jī)、冷卻水及燃油恒溫系統(tǒng)。油耗由AVL735S油耗儀測量；缸壓信號通過AVL GH13P缸壓傳感器采集，由AVL-Indicom燃燒分析儀處理和計(jì)算；煙度由AVL415S全自動濾紙式煙度計(jì)測量；氣體排放由HORIBA MEXA-7500DEGR排放分析儀測量。試驗(yàn)臺架如圖1所示。

根據(jù)整車NEDC（New European Driving Cycle）循環(huán)測試方法，計(jì)算出發(fā)動機(jī)對應(yīng)的測試工況點(diǎn)，考慮不同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷及引入EGR能力的不同，選擇其中三個工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究。三個試驗(yàn)工況點(diǎn)參數(shù)如表2所示。

圖1　試驗(yàn)臺架

表2　工況點(diǎn)參數(shù)

在各工況點(diǎn)的試驗(yàn)過程中，調(diào)節(jié)EGR率從0開始逐漸增加，直至增壓器接近喘振區(qū)間，同時調(diào)整相關(guān)標(biāo)定參數(shù)（主噴油量、主噴正時、預(yù)噴油量、預(yù)噴與主噴間隔、增壓壓力及軌壓等），以優(yōu)化不同EGR率下的性能、燃燒及排放特性。

為揭示EGR對柴油機(jī)燃燒、性能及排放影響的作用機(jī)理，利用3D-CFD軟件Fire對三個試驗(yàn)工況點(diǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算，其初始條件由AVL-boost計(jì)算得出，一維整機(jī)Boost模型如圖2所示，利用Fire建立的包含進(jìn)排氣道、氣門、活塞等進(jìn)排氣相關(guān)組件全模型如圖3所示。

圖2　　一維整機(jī)Boost模型

圖3　CFD全模型

圖4　EGR對缸壓及放熱率的影響

圖5　EGR對進(jìn)氣溫度的影響

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

EGR主要通過以下幾種效應(yīng)影響柴油機(jī)的性能、燃燒及排放［3］：

一是熱效應(yīng)，EGR由于含有多原子分子成分，使缸內(nèi)混合氣的熱容值增大，降低缸內(nèi)溫度；

二是稀釋效應(yīng)，引入EGR后進(jìn)氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)降低；

三是化學(xué)效應(yīng)，進(jìn)氣成分改變導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒過程中化學(xué)反應(yīng)發(fā)生改變。

另外，EGR也將致使進(jìn)氣溫度升高。

下文圖中列出的三個代表工況點(diǎn)下EGR率覆蓋了其所能達(dá)到的EGR率值范圍。由于增壓器喘振的限制，各工況點(diǎn)所能達(dá)到的最高EGR率隨著轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的升高而降低。

2.1EGR對燃燒、性能的影響

EGR對缸壓及放熱率的影響如圖4所示。相同工況下，隨著EGR率的增加，缸內(nèi)溫度降低，放熱速率減慢，燃燒相位推遲，最高缸壓、放熱率峰值降低。且隨著轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的升高，EGR對燃燒始點(diǎn)的影響作用減弱。

但在圖4a）中，1 800 r/min工況點(diǎn)在43%、50% EGR率所對應(yīng)的放熱率峰值反而高于0%、18%EGR率。這是因?yàn)橐环矫鍱GR的稀釋效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，有推遲燃燒相位、減緩放熱速率的作用，但另一方面，高EGR對進(jìn)氣的加熱作用增強(qiáng)，使進(jìn)氣溫度升高（見圖5），有提前燃燒相位、加快放熱速率的作用。另外，燃燒相位推遲后，為保持輸出扭矩不變，增加了噴油量，且從此時缸內(nèi)當(dāng)量比（見圖6）可知缸內(nèi)氧氣充足，最終導(dǎo)致放熱峰值的升高。

EGR對進(jìn)氣溫度、當(dāng)量比的影響如圖5、6所示。隨著EGR率的增加，進(jìn)氣溫度升高，當(dāng)量比增大。且隨轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的升高，進(jìn)氣溫度升高速率加快，EGR加熱進(jìn)氣的作用增強(qiáng)。

EGR率對燃油消耗率的影響如圖7所示。燃油消耗率隨著EGR率的增加而升高。低EGR率時，EGR的稀釋效應(yīng)等影響較小，當(dāng)量比的增加幅度較小，且EGR的加熱進(jìn)氣作用促進(jìn)了燃油的霧化、蒸發(fā)及燃燒，致使燃油消耗率變化不大。隨著EGR率的增加，當(dāng)量比大幅升高，缸內(nèi)溫度降低，燃燒效率降低，燃燒相位推遲，燃燒等容度降低，燃油消耗率升高。且隨著轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的降低，燃燒效率降低，傳熱損失增加，導(dǎo)致燃油消耗率大幅升高。

圖6　EGR對當(dāng)量比的影響

圖7　EGR對燃油消耗率的影響

2.2EGR對排放特性的影響

圖8　EGR對NOx排放的影響

EGR對NOx排放的影響如圖8所示。隨著EGR率的增加，NOx排放降低。這是因?yàn)镋GR的稀釋效應(yīng)使缸內(nèi)氧氣濃度降低，且EGR的熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)使缸內(nèi)溫度降低，抑制了NOx生成的正向反應(yīng)。另外，隨著轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的升高，NOx對EGR率的敏感性增強(qiáng)，致使2 000、2 400 r/min的NOx排放隨著EGR率的增加而下降趨勢更加明顯，這將增加高速、高負(fù)荷下NOx排放的控制難度。

EGR對Soot排放的影響如圖9所示。隨著EGR率的增加，Soot排放基本呈現(xiàn)升高的趨勢。而1800r/ min的EGR率≥43%時，Soot排放略有下降。這些現(xiàn)象均體現(xiàn)出了典型的柴油機(jī)低溫燃燒特性［4］。即Soot最終排放量是其生成與氧化過程競爭的結(jié)果，隨著EGR率的提高，當(dāng)量比提高，缸內(nèi)溫度降低，Soot的生成量大于氧化量，Soot排放升高達(dá)到峰值，隨著EGR率的進(jìn)一步增加，缸內(nèi)溫度繼續(xù)降低，Soot的生成量大幅降低，最終導(dǎo)致Soot排放量的減少。而圖中2000、2400r/min對應(yīng)的Soot排放沒有出現(xiàn)下降趨勢是因?yàn)檫@兩個轉(zhuǎn)速下所能達(dá)到的EGR率受限所致。

圖9　EGR對Soot排放的影響

EGR對HC排放的影響如圖10所示。1800r/min 的HC排放隨著EGR率的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。這是因?yàn)榈虴GR率時，EGR的稀釋效應(yīng)等對當(dāng)量比和缸內(nèi)溫度影響較小，而EGR的加熱進(jìn)氣的作用使進(jìn)氣溫度升高，促進(jìn)了燃油的霧化、蒸發(fā)及燃燒，HC被及時氧化，HC排放降低。隨著EGR率的增加，缸內(nèi)溫度繼續(xù)降低，當(dāng)量比升高，缸內(nèi)局部缺氧加劇，燃燒惡化，HC生成量增加，HC排放升高。而由于最高EGR率受限，2000、2400r/min的HC排放隨EGR率的增加呈現(xiàn)下降的趨勢，并未繼續(xù)升高。

圖10　EGR對HC排放的影響

EGR對CO排放的影響如圖11所示。與HC排放相似，CO排放隨著EGR率增加基本呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。這是因?yàn)榈虴GR率時，EGR的加熱進(jìn)氣的作用使進(jìn)氣溫度升高，促進(jìn)了燃油的霧化、蒸發(fā)及燃燒，缸內(nèi)氧氣充足，CO被及時氧化，致使CO排放降低。隨著EGR率的增加，當(dāng)量比增大，缸內(nèi)溫度降低，致使CO生成量增加，且CO無法被氧化，致使CO排放大幅升高。三個工況點(diǎn)的CO排放隨著EGR率增加變化幅度相差較大，這是因?yàn)镃O是化學(xué)動力學(xué)產(chǎn)物，與缸內(nèi)溫度有較好的一致性，1 800 r/min 的EGR率較低時，當(dāng)量比較小，EGR的加熱進(jìn)氣的作用較小，致使CO排放降低趨勢不明顯，2 000、2 400r/min的負(fù)荷升高，CO排放隨著EGR率的增加而變化更敏感。

圖11　EGR對CO排放的影響

綜合上述EGR對燃燒、性能及排放特性的影響分析，考慮NOx及Soot排放的折衷、HC、CO排放及油耗，選擇的EGR率的優(yōu)化值不宜過高，三個試驗(yàn)工況點(diǎn)的EGR率的優(yōu)化值依次為：43%、26%、22%。

3　模擬計(jì)算結(jié)果分析

為進(jìn)一步分析EGR對燃燒、排放特性的影響機(jī)理，采用Fire軟件對三個試驗(yàn)工況點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)值仿真，表3、4、5分別列出了三個工況點(diǎn)在EGR率優(yōu)化值的主放熱階段對應(yīng)的當(dāng)量比、缸內(nèi)溫度、HC及CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)切片圖。

根據(jù)Kazuhiro Akihama等研究的NOx、Soot、當(dāng)量比、溫度間的函數(shù)關(guān)系［5］及Kitamura等繪制的NOx和Soot生成的Φ-T圖［6］可知：NOx生成區(qū)主要分布在當(dāng)量比＜2和燃燒溫度＞2 200 K的位置；Soot生成區(qū)主要分布在當(dāng)量比＞2和燃燒溫度在1 800～2 000 K的位置［7］。如果燃燒溫度≤1 650 K，無論當(dāng)量比如何變化，都可以完全避開NOx和Soot排放生成區(qū)，柴油低溫燃燒概念正是基于此提出的。

表3中1 800r/min的當(dāng)量比較小且缸內(nèi)溫度較低，遠(yuǎn)離NOx和Soot生成區(qū)，NOx和Soot排放較低。而表4、5中，2 000、2 400 r/min工況點(diǎn)的負(fù)荷增大，噴油量增加，部分區(qū)域的當(dāng)量比＞2，EGR加熱進(jìn)氣的作用增強(qiáng)，使缸內(nèi)大部分區(qū)域溫度處于1 800～2 000 K，導(dǎo)致NOx排放較低和Soot排放較高。

表3　1800r/min-43%EGR率計(jì)算結(jié)果

表4　2000 r/min-26%EGR率計(jì)算結(jié)果

表5　2400 r/min-22%EGR率計(jì)算結(jié)果

根據(jù)美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室對低溫燃燒HC及CO生成機(jī)理試驗(yàn)研究［8］可知：高當(dāng)量比且燃燒溫度過高區(qū)域可致使高CO和HC排放生成；低當(dāng)量比且燃燒溫度較高條件下HC更容易被氧化；低當(dāng)量比且燃燒溫度較低條件下也可致使高CO排放生成［9］。

如表3所示，1 800 r/min時，低當(dāng)量比且缸內(nèi)溫度較高的區(qū)域，HC和CO被氧化，致使HC和CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，而當(dāng)量比和缸內(nèi)溫度更低的區(qū)域，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。如表4、5中所示，2 000、2 400 r/min時，高當(dāng)量比且缸內(nèi)溫度較高的區(qū)域，HC和CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。因此HC和CO排放最終折算成比排放后的變化趨勢如圖10、11所示。

4　結(jié)論

1）由于受增壓器增壓壓力、喘振的限制及EGR對進(jìn)氣加熱的作用，隨著轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的升高，所能達(dá)到的最高EGR率降低。因此，增壓器匹配、如何控制進(jìn)氣溫度以提高各工況點(diǎn)所能達(dá)到的EGR率能力，從而降低高負(fù)荷下EGR率的控制難度，是多缸柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)低溫燃燒的關(guān)鍵。

2）1 800 r/min時，隨著EGR率的增加，NOx排放大幅降低，Soot排放呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。當(dāng)EGR率≥43%時，實(shí)現(xiàn)NOx和Soot排放同時降低的低溫燃燒特性。而2 000、2 400 r/min時，所能達(dá)到的最高EGR率受限，隨著EGR率的增加，NOx對EGR率的敏感性加強(qiáng)，NOx排放下降幅度增大，Soot排放明顯升高，NOx與Soot排放呈現(xiàn)trade-off關(guān)系。

3）隨著EGR率的增加，HC和CO排放基本呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢；隨著轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的升高，所能達(dá)到的EGR率降低，HC和CO排放隨EGR率增加而變化的幅度不同。

4）綜合EGR對多缸柴油機(jī)低溫燃燒影響的分析，本研究中所選發(fā)動機(jī)在NEDC循環(huán)測試中的三個代表工況點(diǎn)（1 800 r/min-25.4 N·m、2 000 r/min-82.7 N·m、2 400 r/min-127.2 N·m）優(yōu)化的EGR率試驗(yàn)值依次為：43%、26%、22%。

1Yao Minfa，Zhang Quanchang，Liu Haifeng，et al．Diesel engine combustion control：Medium or eeavy EGR［C］．SAE Pa-per 2010-01-1125

2蘇萬華.高密度-低溫柴油機(jī)燃燒理論與技術(shù)的研究與進(jìn)展［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2008，26（S）：1-8

3趙昌普，李小氈，張軍，等.EGR的熱效應(yīng)和稀釋效應(yīng)對柴油機(jī)燃燒和排放的影響［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2014，20 （1）：31-37

4張全長，堯命發(fā)，鄭尊清，等.廢氣再循環(huán)對柴油機(jī)氮氧化物和顆粒排放影響的試驗(yàn)研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2012，30（4）：310-315

5Ciajolo，A.，D′Anna，A.，Barbella，R.，et al.The effect of temperature on soot inception in premixed ethylene flames ［J］.Symposium（International）on Combustion，1996，26 （2）：2327-2333

6Kitamura T，Ito T，Senda J，et al.Mechanisim of smokeless diesel combustion with oxygenated fuels based on the dependency of the equivalence ratio and temperature on soot particle formation［J］.InternationalJournal of Engine Research，2002，3（4）：223-247

7龔英利.基于EGR和低溫燃燒概念的柴油機(jī)燃燒過程研究［D］.天津：天津大學(xué)，2009

8FY 2008 Progress report for Advanced combustion engine technologies［R］.2008

9田徑.基于EGR耦合多段噴射實(shí)現(xiàn)超低排放研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2010

Experimental and Simulation Study on Influence of EGR on the Diesel Low Temperature Combustion

Wang Yunchao1，2，Lu Zhiyuan1，2，Liu Zhanqiang1，2，Ma Shuaiying1，2，Zhou Shuo1，2，Zhao Weiping1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Company Limited（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Study on the influence law and action mechanism of EGR on the diesel low temperature combustion of four cylinder based on the engine bench test numerical simulation technology was carried out. The results of the selected three representative working conditions on NEDC cycle test show：with the increase of engine speed and load，the achieving EGR rate is reduced，and the sensitivity of EGR on the emissions influence is increasing；when the EGR rate exceeds approximately 43%at 1 800 r/min-25.4 Nm，which can realize the low temperature of both NOxand Soot emissions reduced；under the condition of limited EGR rate，NOxand Soot emissions present the trade-off relations at 2 000 r/min-82.7 Nm and 2 400 r/min-127.2 Nm.With the increase of EGR rate，HC and CO emissions basically present first decreasing then rising trends.Comprehensively analyzing the influence of EGR on combustion，performance and emission，and considering the highest EGR rate of the four-cylinder engine achieved on the study，the sequencing optimal values of EGR rate of three working condition points are 43%，26%，and 22%.

EGR，Low temperature combustion，Diesel engine，Emission

TK421+.26

A

2095-8234（2015）06-0031-07

王云超（1990-），男，工程師，主要研究方向?yàn)镋GR系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

（2015-06-23）