EGR對(duì)富氧進(jìn)氣增壓柴油機(jī)缸內(nèi)過(guò)程的影響*

倪志?！≈煳南肌∩蚍f剛

（1-云南省交通科學(xué)院云南昆明6500112-昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

EGR對(duì)富氧進(jìn)氣增壓柴油機(jī)缸內(nèi)過(guò)程的影響*

倪志海1朱文霞2沈穎剛2

（1-云南省交通科學(xué)院云南昆明6500112-昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

運(yùn)用EGR與富氧進(jìn)氣技術(shù)在一臺(tái)增壓柴油機(jī)上進(jìn)行了缸內(nèi)過(guò)程的試驗(yàn)研究，研究了不同EGR率和富氧進(jìn)氣濃度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中缸內(nèi)最高燃燒壓力和最高壓力升高率的影響。研究結(jié)果表明，在同一工況相同進(jìn)氣氧濃度下，最高燃燒壓力隨EGR率增加而降低，最高壓力升高率卻明顯升高，但發(fā)動(dòng)機(jī)仍能保持平穩(wěn)運(yùn)行；在同一工況相同EGR率時(shí)，隨著進(jìn)氣氧濃度不斷升高，最高燃燒壓力、最高壓力升高率與原機(jī)基本相當(dāng)。

柴油機(jī)EGR富氧進(jìn)氣缸內(nèi)過(guò)程

引言

隨著全球環(huán)境污染的日益加重和世界石油資源的短缺，柴油機(jī)在節(jié)能減排方面面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。內(nèi)燃機(jī)的燃燒過(guò)程是發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的中心環(huán)節(jié)，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能，受到研究者的特別關(guān)注［1］。

廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)被認(rèn)為是降低柴油機(jī)NOx排放的一種有效措施［2］，它是將一部分廢氣引入進(jìn)氣管與新鮮空氣混合后進(jìn)入氣缸內(nèi)以抑制燃燒速率與溫度，從而抑制NOx的生成，達(dá)到綜合控制排放的目的［3-4］。富氧燃燒技術(shù)是采用比空氣中氧含量高的富氧空氣助燃，氧富余，可以顯著提高燃燒效率和火焰溫度，從而改善燃燒和排放性能，但會(huì)導(dǎo)致NOx排放升高［5-6］。因此從發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)方面考慮，各國(guó)都在試圖尋找一種有效的途徑來(lái)提高柴油機(jī)功率，降低燃油消耗，減少排氣污染［7］。本文針對(duì)柴油機(jī)的工作特點(diǎn)，采用EGR與富氧進(jìn)氣同時(shí)使用的控制方法，對(duì)增壓柴油機(jī)缸內(nèi)過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1　試驗(yàn)裝置和系統(tǒng)

1.1試驗(yàn)裝置

本研究試驗(yàn)在天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)所選用的樣機(jī)是4100QBZL-2柴油機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)中所采用具體設(shè)備的特征參數(shù)與設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)家見(jiàn)表2。

表2　試驗(yàn)中主要的測(cè)試設(shè)備與型號(hào)

1.2試驗(yàn)系統(tǒng)

在試驗(yàn)過(guò)程中，針對(duì)本實(shí)驗(yàn)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一套氧氣供給系統(tǒng)和EGR引入系統(tǒng)，采用缸內(nèi)壓力傳感器測(cè)量缸內(nèi)壓力，壓力測(cè)量所需的上止點(diǎn)信號(hào)和轉(zhuǎn)角信號(hào)由與曲軸相聯(lián)的編碼器提供，測(cè)得的電壓信號(hào)經(jīng)電荷放大器輸入數(shù)據(jù)采集儀，試驗(yàn)裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。測(cè)量缸內(nèi)壓力時(shí)需作特殊處理，因?yàn)闇y(cè)試缸內(nèi)壓力時(shí)缸內(nèi)傳感器處于高溫高壓狀態(tài)，既要保持傳感器的靈敏度和測(cè)試準(zhǔn)確性，又要保持氣缸的密封狀態(tài)，故本實(shí)驗(yàn)采用打孔和螺紋緊固來(lái)解決。打孔和加工螺紋時(shí)從缸蓋頂面開(kāi)始直到缸蓋底面，其徑向尺寸與容納傳感器的銅套相匹配（銅套自主依據(jù)傳感器尺寸設(shè)計(jì)，使用銅套是為了使用螺紋緊固），并要求傳感器端面在安裝時(shí)與缸蓋底面相平齊，見(jiàn)圖2。

圖1　試驗(yàn)裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖2　壓力傳感器安裝圖

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文在富氧進(jìn)氣的基礎(chǔ)上，采用廢氣再循環(huán)（EGR）的方法來(lái)進(jìn)一步研究柴油機(jī)的缸內(nèi)過(guò)程。EGR率用CO2所占進(jìn)氣體積百分比和排氣中的CO2體積百分比之比來(lái)表示，EGR率計(jì)算公式為：

式中（CO2）intake是引入EGR后進(jìn)氣中CO2的體積百分比；（CO2）exhaust是排氣中CO2的體積百分比。

2.1燃燒壓力分析

內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)部實(shí)際進(jìn)行的工作循環(huán)是非常復(fù)雜的，為獲得正確反映氣缸內(nèi)部情況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通常利用不同形式的示功器或內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)觀(guān)察或記錄相對(duì)于不同活塞位置或曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力的變化，所得的結(jié)果即為P/φ示功圖［8］。

圖3a）和b）是1 600 r/min、75%負(fù)荷下進(jìn)氣氧濃度分別為21%和23%時(shí)不同EGR率的示功圖對(duì)比。

圖3　不同進(jìn)氣氧濃度下EGR率對(duì)缸內(nèi)壓力的影響

由圖3可知，同一工況相同進(jìn)氣氧濃度下，缸內(nèi)最高燃燒壓力隨著EGR率的增加而降低，并且壓力峰值時(shí)刻隨EGR率的增大而滯后，著火時(shí)刻也相應(yīng)地延遲。當(dāng)EGR率從20%至55%變化時(shí)，在1600r/min、75%負(fù)荷時(shí)，不同進(jìn)氣氧濃度（21%和23%）下，其最高燃燒壓力最大降低幅度均為0.5 MPa。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是引入EGR后，進(jìn)氣中的CO2和水蒸汽等三原子分子氣體增加，缸內(nèi)工質(zhì)（缸內(nèi)混合氣）的比熱容增大。同時(shí)，隨著EGR率的不斷增加，CO2等惰性氣體增多，稀釋了混合氣，抑制了燃料的混合和燃燒，降低了燃燒速度和溫度，從而有效降低了最高燃燒溫度與壓力，導(dǎo)致著火時(shí)刻延遲。

圖4是1 600 r/min、100%負(fù)荷下在EGR率20%時(shí)缸內(nèi)壓力隨進(jìn)氣氧濃度增加而變化的特性曲線(xiàn)圖。表3為1 600 r/min、100%負(fù)荷下不同進(jìn)氣氧濃度的缸內(nèi)壓力峰值與原機(jī)相比較的降低量。

從圖4中看出，在相同EGR率20%時(shí)，隨著進(jìn)氣氧濃度的增大，缸內(nèi)壓力與原機(jī)基本相當(dāng)。在1 600 r/min、100%負(fù)荷、EGR率20%工況點(diǎn)的最高燃燒壓力與原機(jī)也基本相當(dāng)，其最大變化幅度發(fā)生在21%進(jìn)氣氧濃度時(shí)，下降最大幅度僅約為0.17 MPa，具體見(jiàn)表3。

圖4　不同進(jìn)氣氧濃度對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)壓力的影響（EGR20%）

表3　不同氧氣濃度下缸內(nèi)最高壓力與原機(jī)相比較（1 600 r/min、100%負(fù)荷）

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是在同一EGR率時(shí)，由于進(jìn)氣氧濃度不斷增加，有利于氧氣與燃油的混合，促進(jìn)燃料充分燃燒。特別是在大負(fù)荷（全負(fù)荷）時(shí)，氣缸內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)較小，利用富氧技術(shù)可以改善混合氣的形成和燃燒，提高了缸內(nèi)最高燃燒溫度與壓力。但由于EGR率的使用，對(duì)混合氣形成不利，降低了燃燒的最高溫度與壓力，特別是使用了較高EGR率時(shí)，緩和了燃燒速度，所以，二者能夠相互彌補(bǔ)，使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)最高燃燒壓力與原機(jī)基本相當(dāng)。

2.2壓力升高率分析

柴油機(jī)是典型的壓燃式內(nèi)燃機(jī)，在其工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滯燃期內(nèi)噴入氣缸的燃料在著火前已經(jīng)蒸發(fā)并與空氣混合，即預(yù)混燃燒。這部分混合氣的燃燒數(shù)量決定了燃燒過(guò)程中缸內(nèi)最高燃燒壓力和最大壓力升高率，即預(yù)混合燃燒量越多，放熱量越多，放熱速率越快，相對(duì)應(yīng)的燃燒壓力與溫度就越高，導(dǎo)致壓力升高率較大［9］。根據(jù)柴油機(jī)急燃期燃燒特點(diǎn)，一般用平均壓力升高率來(lái)表示壓力升高的急劇程度。壓力升高率表示為，其計(jì)算公式為：

其中，Pt1為開(kāi)始著火燃燒點(diǎn)，即壓力開(kāi)始急劇升高的始點(diǎn)壓力；Pt2為壓力急劇升高的終點(diǎn)壓力。

壓力升高率是表征急燃期缸內(nèi)壓力升高的急劇程度。發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力升高率過(guò)大過(guò)小都會(huì)影響柴油機(jī)正常工作。當(dāng)柴油機(jī)壓力升高率過(guò)大時(shí)，柴油機(jī)工作比較粗暴，運(yùn)動(dòng)零件受到很大的沖擊負(fù)荷，發(fā)動(dòng)機(jī)壽命就要縮短；壓力升高率過(guò)小時(shí)，不能保證柴油機(jī)所需要的壓縮溫度與壓力，使得柴油機(jī)性能惡化。為了保證柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，平均壓力升高率不宜超過(guò)0.6 MPa/°CA［8］。

當(dāng)柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)富氧進(jìn)氣時(shí)，燃料與氧氣得到很好的混合，加快了燃油在缸內(nèi)的物理和化學(xué)準(zhǔn)備過(guò)程，快速形成了適宜著火的均質(zhì)混合氣，縮短了滯燃期，導(dǎo)致在預(yù)混燃燒階段形成的均質(zhì)混合氣數(shù)量相對(duì)減少，影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的最大壓力升高率，使得柴油機(jī)最大壓力升高率隨著進(jìn)氣氧濃度的增大而減小。但是引入EGR后，其壓力升高率發(fā)生了變化，具體變化見(jiàn)以下分析。

圖5是1 600 r/min、75%負(fù)荷工況下進(jìn)氣氧濃度分別為21%和23%時(shí)，不同EGR率對(duì)柴油機(jī)壓力升高率的影響。

圖5　不同進(jìn)氣氧濃度下EGR率對(duì)缸內(nèi)壓力升高率的影響

從圖5可以看出，同一工況相同進(jìn)氣氧濃度下，柴油機(jī)的最高壓力升高率隨著EGR率的增加而顯著升高，其滯燃期隨著EGR率的增加而增大。在1 600 r/min、75%負(fù)荷下，進(jìn)氣氧濃度為21%和23%時(shí)，EGR率由20%增加到55%，滯燃期延長(zhǎng)約為8° CA。同時(shí)在EGR率為55%時(shí)，不同氧濃度（21%和 23%）下的最高壓力升高率均達(dá)到0.7MPa/°CA左右，而此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)仍能保持平穩(wěn)運(yùn)行。

其主要原因是隨著EGR率的增大，稀釋了混合氣；同時(shí)CO2等惰性氣體的增加，抑制了燃料的混合和燃燒，混合氣準(zhǔn)備著火時(shí)間延長(zhǎng)，則滯燃期延長(zhǎng)，導(dǎo)致最高壓力升高率提高。但是由于同時(shí)采用富氧進(jìn)氣，所以即使在高EGR率的一定范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)仍能保持正常的工作運(yùn)行。

圖6為1 600 r/min、100%負(fù)荷下EGR率20%時(shí)壓力升高率隨進(jìn)氣氧濃度變化的特性曲線(xiàn)圖。表4為1 600 r/min、100%負(fù)荷下不同進(jìn)氣氧濃度的壓力升高率峰值與原機(jī)壓力升高率峰值相比較的降低量。

圖6　不同進(jìn)氣氧濃度對(duì)柴油機(jī)壓力升高率的影（EGR20%）

從圖6可以看出，在相同EGR率時(shí)，隨著進(jìn)氣氧濃度的升高，壓力升高率與原機(jī)基本相當(dāng)，其著火時(shí)刻亦與原機(jī)大致相同，其最大變化幅度不到1°CA。在1 600 r/min、100%負(fù)荷、EGR率為20%時(shí)，其最高壓力升高率與原機(jī)也基本相當(dāng)，其最高壓力升高率的最大降低幅度在進(jìn)氣氧濃度為24%時(shí)，大約為0.06 MPa/°CA，具體見(jiàn)表4。

其主要原因是由于進(jìn)氣氧濃度的增加和20% EGR率加入的相互作用，使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)最高壓力升高率與原機(jī)基本相當(dāng)，著火時(shí)刻與原機(jī)大致相同。

表4　不同氧氣濃度下缸內(nèi)最高壓力升高率與原機(jī)相比較（1 600 r/min-100%負(fù)荷）

3　結(jié)論

1）EGR與富氧進(jìn)氣同時(shí)在增壓柴油機(jī)上使用時(shí)，同一工況下相同進(jìn)氣氧濃度時(shí)，缸內(nèi)最高燃燒壓力隨著EGR率的增加而降低，而最高壓力升高率卻隨EGR率增加而明顯升高。且隨著EGR率增大，其壓力峰值出現(xiàn)時(shí)刻滯后，著火時(shí)刻延遲。

2）EGR與富氧進(jìn)氣同時(shí)在增壓柴油機(jī)上使用時(shí)，在相同EGR率時(shí)，隨著進(jìn)氣氧濃度的升高，最高燃燒壓力和壓力升高率與原機(jī)基本相當(dāng)，其著火時(shí)刻與原機(jī)大致相同。

3）在1 600 r/min、75%負(fù)荷下，EGR率為55%時(shí)，不同進(jìn)氣氧濃度（21%和23%）的壓力升高率峰值均達(dá)到0.7 MPa/°CA左右，但發(fā)動(dòng)機(jī)仍能保持平穩(wěn)運(yùn)行。

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Influence of EGR on In-Cylinder Process for a Turbocharged Diesel Engine of Oxygen-Enriched Intake Air

Ni Zhihai1，Zhu Wenxia2，Shen Yinggang2
1-Yunnan Transportation Research Institute（Kunming，Yunnan，650011，China）2-Key Laboratory of Internal Combustion Engine of Yunnan Province，Kunming University of Science and Technology

A turbocharged diesel engine was used to conduct experimental study of in-cylinder working process by implementing EGR and oxygen-enriched intake air simultaneously.Moreover，maximum combustion pressure and maximum pressure rise rate were studied by combinations of different EGR rate and different intake oxygen concentration on combustion process of cylinder.The results showed that the growing rate of EGR could reduce maximum combustion pressure，but increase maximum pressure rise rate and ensure the engine working under a safety and reliable condition under the same test condition；intake oxygen concentration could keep that maximum combustion pressure and maximum pressure rise rate were the same as the base engine under the same operation condition.

Diesel engine，EGR，Oxygen-enriched intake air，In-cylinder process

TK421+.27

A

2095-8234（2016）03-0016-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51366007）。

倪志海（1966-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槠?chē)應(yīng)用。

2016-03-21）