廢氣再循環(huán)率及可變壓縮比對PCCI柴油機

王浩

摘 要：預混壓燃（PCCI）柴油機的預混壓燃功能是通過調(diào)整進氣門關(guān)閉時刻和提前噴油角度實現(xiàn)的，其能有效的控制可溶性有機物的排放，在PCCI柴油機中，加入廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）能有效的控制一氧化氮的排放，降低壓縮比能夠顯著推遲缸內(nèi)著火時刻，強化油氣混合，同時降低氮氧化合物和干碳煙的排放，但油耗會提高，本文闡述了廢氣再循環(huán)率及可變壓縮比如何對PCCI柴油機燃燒和排放產(chǎn)生影響。

關(guān)鍵詞：PCCI；柴油機；廢氣再循環(huán)率；EGR；壓縮比

中圖分類號：TK427 文獻標識碼：A

柴油機作為運輸動力之一，具有良好的熱效率和燃油經(jīng)濟性，然而，同時碳氫化合物的排放和干碳煙的排放方面也帶來了很明顯的環(huán)境污染問題，因此節(jié)能減排成為了當代發(fā)動機研究發(fā)展的重要方向之一。通過提高發(fā)動機壓縮比可以加快發(fā)動機缸內(nèi)燃燒速度，從而提高發(fā)動機的功率扭矩輸出，降低燃油消耗率，減少碳氫化合物和一氧化碳排放等，與此同時，氮氧化合物將會增多，要有效降低發(fā)動機的排放則可采用廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)。因此，預混壓燃（PCCI）能夠有效的降低碳煙和碳氫化合物的排放，廢氣再循環(huán)率（EGR）及可變壓縮比則是影響PCCI柴油機燃燒和排放的主要原因。當今的排放法規(guī)對內(nèi)燃機技術(shù)提出了更嚴格的要求，如何在保持良好經(jīng)濟性的同時，降低顆粒物和氮氧化合物排放，實現(xiàn)高效、清潔燃燒已成為柴油機燃燒技術(shù)所面臨的共同難題與挑戰(zhàn)。

一、可變壓縮比（VCR）對PCCI柴油機燃燒和排放的影響

1 壓縮比計算

ε=Va/VC

ε表示壓縮比，Va表示活塞處于下止點時氣缸內(nèi)的最大容積，VC表示活塞處于上止點時氣缸內(nèi)的容積，即為燃燒室容積。

壓縮比是指發(fā)動機混合氣體被壓縮的程度，用壓縮前的氣缸總?cè)莘e與壓縮后的氣缸容積（即燃燒室容積）之比來表示。當壓縮比較高時，壓縮結(jié)束時所產(chǎn)生的氣缸壓力與溫度相對地提高，當接近壓縮上止點時，燃油分子能汽化得更完全，顆粒能更細密，混合氣混合質(zhì)量更好，在自燃瞬間更充分釋放出爆發(fā)能量，推動活塞下行來實現(xiàn)發(fā)動機的動力輸出。當壓縮比較低時，燃燒的時間會延長，增加發(fā)動機的溫度并消耗能量，發(fā)動機動力的輸出并未增加，因而，高的壓縮比對提高發(fā)動機性能有利。壓縮比的變化將對缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生影響，導致壓縮終點時的缸內(nèi)壓力的變化和混合氣溫度的變化。

2 可變壓縮比（VCR）對PCCI柴油機燃燒和排放的影響

可變壓縮比（VCR）是根據(jù)柴油機內(nèi)不同的負荷，采用提高或降低發(fā)動機的壓縮比方法，在低負荷時，通過提高壓縮比來增大發(fā)動機的溫度和平均有效壓力，進而使熱效率增大，增大壓縮比通過減小氣缸容積，增大壓縮沖程的最大缸內(nèi)壓力從而提高發(fā)動機的功率和扭矩等，但同時會使發(fā)動機的燃燒溫度過高，爆震傾向嚴重，排氣溫度過高。如果和其他技術(shù)相結(jié)合，則可以擴大壓縮比的使用范圍；在高負荷時，是降低壓縮比，降低柴油機的爆震傾向，可以有效降低發(fā)動機的爆震傾向，此時即可使用較高的壓縮比，一方面彌補由于的使用造成的功率損失，另一方面對于減少發(fā)動機油耗方面也可以有很好的效果。柴油機壓縮比變化的空間相對有限，然而通過可變壓縮比技術(shù)，可以使柴油機的經(jīng)濟性和排放性得到改善，如果和其他技術(shù)相結(jié)合，則可以擴大壓縮比的使用范圍，如在高負荷時采用廢氣再循環(huán)（EGR），能有效降低發(fā)動機的爆震傾向，此時可提高的壓縮比，能有效的彌補由于使用廢氣再循環(huán)（EGR）而造成的功率損失，進而減少發(fā)動機油耗方面。

可以根據(jù)發(fā)動機工況的不同適時改變壓縮比，從而獲得更好的動力性能或者爆震性能，提高發(fā)動機的穩(wěn)定性，可變壓縮比柴油機能提高發(fā)動機的平均有效壓力進而提高升功率，降低發(fā)動機的燃油消耗率，降低發(fā)動機的部分排放物的生成量，如氮氧化物、碳煙和碳氫化合物等，有效的提高燃料的能量利用率，增強發(fā)動機的燃料適應(yīng)性?？勺儔嚎s比發(fā)動機減少摩擦損失和時間損失，盡管冷卻損失和漏氣帶來的損失增加，可以抵消在同樣的壓縮比下，較高的壓縮比與可變壓縮比（VCR）發(fā)動機的活塞運動特點相結(jié)合可以提高燃燒的穩(wěn)定性，從而可以擴大廢氣再循環(huán)（EGR）極限，最終達到減少油耗與排放的目的，并滿足更嚴格的排放法規(guī)要求。

二、廢氣再循環(huán)（EGR）率對PCCI柴油機燃燒和排放的影響

1 EGR率計算

mA表示新進氣質(zhì)量，mE表示循環(huán)廢氣質(zhì)量。

廢氣再循環(huán)（EGR）率通常是指再循環(huán)廢氣的百分比，是重新進入氣缸中廢氣的質(zhì)量與進入氣缸總的混合氣質(zhì)量的比值。廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)則主要通過惰性氣體在燃燒室內(nèi)對燃燒的抑制作用，來影響燃燒速率、燃燒溫度以及氧濃度產(chǎn)生，進而對發(fā)動機的排放和各項性能產(chǎn)生作用。不同壓縮比下廢氣再循環(huán)（EGR）率對發(fā)動機HC、CO、NOX排放的影響如圖1所示。

2 廢氣再循環(huán)（EGR）率對PCCI柴油機燃燒和排放的影響

廢氣再循環(huán)（EGR）在柴油機中還可以有效降低發(fā)動機的爆震傾向，在低負荷情況下可以通過降低泵氣損失來降低燃油消耗率，但廢氣再循環(huán)（EGR）率過大則會使燃燒惡化，大大降低發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。由于不同的廢氣再循環(huán)（EGR）率下，進入氣缸中廢氣多少的不同，會使發(fā)動機的動力性、燃油經(jīng)濟性及其他性能表現(xiàn)有所變化，當發(fā)動機排氣煙度隨廢氣再循環(huán)率增加而增加。廢氣再循環(huán)系統(tǒng)會使殘余廢氣系數(shù)增加，使更多殘余廢氣進入發(fā)動機循環(huán)，同時采用廢氣再循環(huán)系統(tǒng)也會導致的進氣節(jié)流，造成進氣限力增加，新鮮充量減少，導致缸內(nèi)混合氣的過量空氣系數(shù)降低，煙度增加。當在中高負荷時，柴油機過量空氣系數(shù)遠低于無廢氣再循環(huán)系統(tǒng)柴油機，煙度增加的幅度較大；在低負荷時，柴油機過量空氣系數(shù)較大，廢氣再循環(huán)對過量空氣系數(shù)的影響相對減弱，煙度惡化的趨勢也相對較小，隨著廢氣的引入，氮氧化合物排放降低，但煙度排放值升高，大負荷工況時煙度惡化更明顯。

廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)分為冷廢氣再循環(huán)和熱廢氣再循環(huán)，冷廢氣再循環(huán)為排氣經(jīng)過冷卻循環(huán)之后進入進氣管道與新鮮空氣混合，而后進入燃燒室的循環(huán)。熱廢氣再循環(huán)未經(jīng)冷卻循環(huán)而直接與新鮮空氣混合然后進入氣缸燃燒的循環(huán)。冷廢氣再循環(huán)促使進氣的密度提高，進而提高了發(fā)動機的容積效率，同時溫度的降低可以進一步降低燃燒溫度，從而降低的排放，但與熱廢氣再循環(huán)相比排放和循環(huán)波動增加。冷廢氣再循環(huán)能有效降低汽油機的爆震傾向。冷卻再循環(huán)廢氣溫度較低，熱效率有所下降，但同時增加大了進氣密度，提高了發(fā)動機的容積效率。在循環(huán)波動方面，由于冷廢氣再循環(huán)使混合氣溫度較低，使混合氣不均勻，在燃燒時候會出現(xiàn)局部的燃燒惡化，從而使燃燒產(chǎn)物中一氧化碳和氮氧化合物含量增多，并隨著廢氣量的增多，在燃燒時候就會出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定，火焰?zhèn)鞑プ儎虞^大，對排放產(chǎn)生巨大影響，隨著廢氣再循環(huán)率的提高，排放大幅下降。

熱廢氣再循環(huán)過程中，熱廢氣仍然具有很高的溫度，在與新鮮空氣進行混合的時候擴散較快，廢氣的加熱效果和燃燒溫度的提高促進了混合氣的燃燒，更容易與新鮮空氣均勻混合，燃燒溫度相對較高。燃燒時循環(huán)波動比冷時要低，可以提高缸內(nèi)的層流火焰速度。因此，熱廢氣再循環(huán)的一氧化碳和碳氫化合物相對較少，而排放則有所上升。熱廢氣再循環(huán)可以利用廢氣的余熱對新鮮混合氣進行加熱，從而提高的混合氣的蒸發(fā)和霧化效果，在一定程度上促進了混合氣的燃燒，提高了發(fā)動機的熱效率。隨著廢氣再循環(huán)率的增加，會在一定程度上使柴油機的滯燃期、燃燒持續(xù)期變短，燃燒溫度、熱效率均有所下降，在一定程度上促進了混合氣的燃燒，提高了發(fā)動機的熱效率。

結(jié)論

廢氣再循環(huán)主要是靠降低缸內(nèi)的層流火焰速度來使循環(huán)波動增大，對平均流動速度和湍流強度影響作用小，而壓縮比對三者都有影響，壓縮比的增大會提高層流火焰速度、湍流強度和平均流動速度，從而可以降低發(fā)動機的循環(huán)波動。在相同的壓縮比下，由于廢氣中惰性氣體的作用，隨著EGR比率的增大，混合氣稀釋而使缸內(nèi)氧氣濃度降低，缸內(nèi)燃燒受到抑制，缸內(nèi)溫度降低。從而在燃燒過程中使氮氧化物生成量隨EGR比率的增大大幅下降。因而廢氣再循環(huán)率及可變壓縮比協(xié)同作用對預混壓燃（PCCI）柴油機燃燒和排放的影響，能合理的組織燃燒過程，以使柴油機的經(jīng)濟性和排放性得到有效改善，并滿足更嚴格的排放法規(guī)要求。

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