富氧燃燒對(duì)柴油機(jī)工作特性影響的試驗(yàn)研究*

周俊瑾　沈穎剛　徐波峰（-文山壯族苗族自治州技工學(xué)校云南文山663309 -昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

富氧燃燒對(duì)柴油機(jī)工作特性影響的試驗(yàn)研究*

周俊瑾1沈穎剛2徐波峰2
（1-文山壯族苗族自治州技工學(xué)校云南文山663309 2-昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

在一臺(tái)增壓柴油機(jī)上進(jìn)行了富氧進(jìn)氣的試驗(yàn)研究，并在此基礎(chǔ)上采用EGR技術(shù)，研究不同進(jìn)氣氧濃度下EGR率對(duì)柴油機(jī)排放特性的影響，以期改善柴油機(jī)NOx和碳煙的權(quán)衡關(guān)系。研究表明：富氧進(jìn)氣柴油機(jī)在同一進(jìn)氣氧濃度下，其有效燃油消耗率隨著負(fù)荷的增加而明顯減?。煌回?fù)荷時(shí)有效燃油消耗率隨著氧濃度的升高而稍有降低。在富氧燃燒的基礎(chǔ)上，引入EGR可以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的煙度和NOx排放的同時(shí)降低，其關(guān)鍵是在一定的工況點(diǎn)匹配與之相適合的EGR率。當(dāng)2 200 r/min全負(fù)荷工況下，進(jìn)氣氧濃度21%與EGR率20%組合、氧濃度22%與EGR率50%組合，煙度和NOx排放降低比例分別達(dá)到20.0%和14.8%、6.7%和19.2%。

增壓柴油機(jī)富氧進(jìn)氣煙度NOx

引言

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度大，熱效率高及燃油經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)［1］，使其廣泛地應(yīng)用在載重汽車(chē)、農(nóng)用機(jī)械、工程機(jī)械、內(nèi)燃機(jī)車(chē)及船舶艦艇等領(lǐng)域。傳統(tǒng)柴油機(jī)的NOx和碳煙（Soot）排放控制方法相互矛盾［2］。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于內(nèi)燃機(jī)富氧燃燒的相關(guān)研究表明，通過(guò)采用比空氣中氧含量高的富氧空氣助燃，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，是一項(xiàng)具有廣闊應(yīng)用前景的高效節(jié)能技術(shù)［3-4］。由于富氧燃燒使得缸內(nèi)燃燒更加完全，對(duì)于CO、HC及微粒（PM）的排放控制也有較好的效果；但由于氧體積分?jǐn)?shù)的提升使燃燒溫度升高，會(huì)導(dǎo)致一定程度的NOx排放惡化［5］。本文針對(duì)一臺(tái)加裝富氧裝置的直列增壓柴油機(jī)，用實(shí)驗(yàn)方法研究了在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣氧濃度對(duì)柴油機(jī)排放和性能的影響；同時(shí)在此基礎(chǔ)上，采用廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)，通過(guò)CO2的高比熱容吸熱作用抑制燃燒室內(nèi)的局部高溫［6］，進(jìn)行富氧狀態(tài)下不同EGR率對(duì)柴油機(jī)排放特性影響的試驗(yàn)研究，旨在實(shí)現(xiàn)NOx和碳煙的同時(shí)降低。

1　試驗(yàn)裝置與方法

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)中所用儀器設(shè)備主要有AVL電渦流測(cè)功機(jī)、AVL DIGAS 4000 Light五組分汽車(chē)排放分析儀、佛山分析儀有限公司的煙度計(jì)等設(shè)備。根據(jù)富氧燃燒和EGR技術(shù)結(jié)合來(lái)控制柴油機(jī)排放的特性，特別是增壓中冷柴油機(jī)由于其進(jìn)氣管平均壓力高于排氣管平均壓力，廢氣不能自動(dòng)從排氣管流向進(jìn)氣管，故需要專門(mén)設(shè)計(jì)一套氧氣供給系統(tǒng)和EGR循環(huán)系統(tǒng)，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)富氧進(jìn)氣濃度和所需EGR率的可控和靈活調(diào)節(jié)，試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)與總布置見(jiàn)圖1。

圖1　試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)與布置圖

在測(cè)試過(guò)程中，富氧進(jìn)氣濃度由安裝在進(jìn)氣管上的氧氣檢測(cè)儀來(lái)直接測(cè)試，氧濃度大小表示氧氣所占進(jìn)氣中的體積百分比，即：

式中，m為氧氣檢測(cè)儀的讀數(shù)，表示體積比。本文選用測(cè)量CO2來(lái)計(jì)算外部EGR率，根據(jù)測(cè)試CO2所占進(jìn)氣的體積百分比和排氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)之比來(lái)表示，EGR率計(jì)算公式為：

式中（CO2）intake表示經(jīng)過(guò)EGR廢氣稀釋后進(jìn)氣中CO2的體積百分比；（CO2）exhaust表示排氣中CO2的體積百分比。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1進(jìn)氣氧濃度的影響

本文中采用佛山全自動(dòng)煙度計(jì)測(cè)量煙度，并以所測(cè)取的煙度來(lái)表示柴油機(jī)的微粒排放。試驗(yàn)時(shí)，柴油機(jī)參數(shù)不作任何改動(dòng)，供油提前角為12.5°CA；選取轉(zhuǎn)速為1 600 r/min和2 200 r/min，在不同負(fù)荷（25%、50%、75%和100%）下測(cè)試進(jìn)氣氧濃度（21%、22%、23%和24%）對(duì)柴油機(jī)性能與排放特性的影響規(guī)律。

2.1.1富氧進(jìn)氣對(duì)柴油機(jī)排放特性的影響

圖2是轉(zhuǎn)速分別為1 600 r/min和2 200 r/min，在不同負(fù)荷（25%、50%、75%和100%）下測(cè)試的柴油機(jī)煙度隨著進(jìn)氣氧濃度變化的特性曲線圖。

圖2　不同負(fù)荷下進(jìn)氣氧濃度對(duì)煙度的影響

從圖2中的曲線變化可以知道，同一工況時(shí)，柴油機(jī)的煙度隨進(jìn)氣氧濃度的增加而大幅度減小。1 600 r/min最大減小幅度達(dá)到63.6%（負(fù)荷為50%），2 200 r/min最大減小幅度達(dá)到68.8%（負(fù)荷為100%），煙度降低效果十分明顯。這主要因?yàn)殡S著進(jìn)氣氧濃度的升高，使得缸內(nèi)氧含量增加，促進(jìn)缸內(nèi)燃料與空氣的混合，加快燃燒速率，提高燃燒溫度，缸內(nèi)高溫過(guò)濃局部區(qū)域減少，使燃燒更加充分；同時(shí)燃燒后期氧化強(qiáng)度增大，有利于降低煙度的排放。

圖3是轉(zhuǎn)速分別為1 600 r/min和2 200 r/min，在不同負(fù)荷（25%、50%、75%和100%）下測(cè)試的柴油機(jī)NOx排放隨著進(jìn)氣氧濃度變化的特性曲線圖。

圖3　不同負(fù)荷下進(jìn)氣氧濃度對(duì)NOx的影響

由圖3可知，同一工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放隨著進(jìn)氣氧濃度增加而急劇上升。1 600 r/min、25%負(fù)荷時(shí)最大上升幅度達(dá)到202.6%（氧濃度從21%增加至24%），2 200 r/min、25%負(fù)荷最大上升幅度達(dá)到185.3%（氧濃度從21%增加至24%）；在同一進(jìn)氣氧濃度下，發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放隨著負(fù)荷的不斷增大而上升，上升趨勢(shì)比較明顯，1 600 r/min時(shí)增加幅度達(dá)到48.3%，2 200 r/min時(shí)增加幅度達(dá)到209.5%。

根據(jù)擴(kuò)展的澤爾多維奇機(jī)理，影響柴油機(jī)NOx的形成主要有高溫、富氧及高溫滯留時(shí)間3個(gè)因素［7］。進(jìn)氣氧濃度對(duì)NOx的影響主要表現(xiàn)在兩方面：1）進(jìn)氣氧濃度的大小影響燃料與氧氣混合形成可燃混合氣的速度，影響燃燒反應(yīng)速率的快慢，進(jìn)而影響缸內(nèi)平均溫度；2）氧氣作為NOx生成的原料之一，進(jìn)氣氧濃度越高，NOx生成原料越豐富，相同的條件下越利于NOx的生成。

2.1.2富氧進(jìn)氣對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的影響

圖4是1 600 r/min和2 200 r/min轉(zhuǎn)速下，在不同進(jìn)氣氧濃度下，有效燃油消耗率隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大而變化的特性曲線圖。

圖4　不同負(fù)荷下進(jìn)氣氧濃度對(duì)有效燃油消耗率的影響

從圖4可以看出，在1 600 r/min和2 200 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，同一進(jìn)氣氧濃度下，有效燃油消耗率（比油耗）隨著負(fù)荷的增加而減小，減小的變化幅度十分明顯。最大減小幅度出現(xiàn)在進(jìn)氣氧濃度為23%時(shí)，降低比例可達(dá)25.0%和29.8%。同一負(fù)荷時(shí)，有效燃油消耗率隨著氧濃度的升高而降低，但其降低幅度不大。

燃料燃燒的化學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜，為便于說(shuō)明問(wèn)題，將燃料燃燒的化學(xué)反應(yīng)簡(jiǎn)化成如下反應(yīng)式［8］：

式中α、β、γ為計(jì)量系數(shù)，相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率公式為

從化學(xué)反應(yīng)式來(lái)看，富氧進(jìn)氣使氣缸內(nèi)氣體（工質(zhì)）的氧濃度增加，燃料的化學(xué)反應(yīng)速率加快，促進(jìn)了燃料燃燒，從而燃料利用率得以提高。但是，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)是增壓柴油機(jī)，其原有的渦輪增壓作用大大提高了柴油機(jī)的空氣進(jìn)氣量，即提高了原機(jī)的進(jìn)氣密度，一定程度上也增加了缸內(nèi)的氧氣濃度，故原機(jī)的經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)得到了很好的改善。所以，同一負(fù)荷時(shí)，有效燃油消耗率隨著氧濃度的升高而降低，但降低幅度不大，進(jìn)氣氧濃度由21%升高到24%時(shí)，2 200 r/min、100%負(fù)荷最佳降低效果能夠達(dá)到3.3 g/（kW·h）。此外，在進(jìn)氣氧濃度增大到一定程度時(shí)，在個(gè)別工況出現(xiàn)了比油耗稍有回升的現(xiàn)象，其原因是富氧進(jìn)氣使燃燒滯燃期縮短，不利于混合氣的形成，燃燒惡化，影響了燃料燃燒，故而在個(gè)別工況比油耗稍有回升。

2.2EGR對(duì)富氧進(jìn)氣柴油機(jī)的影響

從上節(jié)分析可知，富氧進(jìn)氣能有效降低柴油機(jī)的碳煙排放，但同時(shí)NOx排放也急劇升高。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，但EGR率高意味著新鮮空氣量減少，缸內(nèi)燃燒會(huì)惡化，導(dǎo)致碳煙排放增加。基于前節(jié)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min和2 200 r/min，在不同負(fù)荷（25%、50%、75%和100%）下測(cè)試進(jìn)氣氧濃度對(duì)柴油機(jī)性能與排放特性影響的研究。本節(jié)將EGR與富氧技術(shù)結(jié)合，以2 200 r/min轉(zhuǎn)速，75%和100%負(fù)荷為基點(diǎn)，通過(guò)不同進(jìn)氣氧濃度（21%、22%、23%和24%）下不同EGR率（20%、35%、45%和50%）對(duì)柴油機(jī)排放特性的影響研究，探索進(jìn)氣氧濃度與EGR率的最佳組合，以期改善柴油機(jī)NOx和碳煙的權(quán)衡關(guān)系。

圖5是負(fù)荷分別為75%和100%，在不同進(jìn)氣氧濃度（21%、22%、23%和24%）下測(cè)試的柴油機(jī)煙度隨著EGR率變化的特性曲線圖。

圖5　不同進(jìn)氣氧濃度下EGR率對(duì)煙度排放的影響

從圖5中可以看出，在相同進(jìn)氣氧濃度時(shí)，柴油機(jī)的煙度隨著EGR率的增加而明顯增大，這是由于EGR稀釋了新鮮空氣充量，導(dǎo)致燃燒惡化，碳煙排放增多。當(dāng)EGR率相同時(shí)，柴油機(jī)的煙度隨著進(jìn)氣氧濃度的增大而明顯降低。在同一EGR率下，當(dāng)進(jìn)氣氧濃度由21%至24%變化，2 200 r/min、75%負(fù)荷工況下，在EGR率為20%時(shí)，煙度最大降低比例達(dá)到50.0%；在EGR率為45%處，煙度最大的降低比例達(dá)到76.2%。與原機(jī)相比，在不同富氧進(jìn)氣和EGR率的組合下，其大部分組合均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原機(jī)的煙度，在富氧進(jìn)氣為24%和EGR為20%的組合情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)在2 200 r/min全負(fù)荷工況出現(xiàn)了煙度降低的最大幅度，在原機(jī)的基礎(chǔ)上降低了80.0%。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是多方面因素作用的結(jié)果，第一是由于富氧進(jìn)氣提高了缸內(nèi)氧含量，彌補(bǔ)了由使用EGR帶來(lái)的稀釋進(jìn)氣新鮮充量的效果，特別在富氧進(jìn)氣的濃度在22%以上，氧氣發(fā)揮了更大作用，有利于碳煙的氧化；同時(shí)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)比熱容增大，有效降低了最高燃燒溫度與壓力，有利于煙度降低。此外，EGR系統(tǒng)中包括排氣穩(wěn)壓罐、中冷、混合穩(wěn)壓罐等系統(tǒng)，使引出的廢氣中含有的碳煙微粒等已經(jīng)基本沉淀和冷凝，有利于煙度降低。

圖6是負(fù)荷分別為75%和100%，在不同進(jìn)氣氧濃度（21%、22%、23%和24%）下測(cè)試的柴油機(jī)NOx排放隨著EGR率變化的特性曲線圖。

由圖6可知，在同一EGR率下，柴油機(jī)的NOx排放隨進(jìn)氣氧濃度的增加而升高。在相同進(jìn)氣氧濃度下，NOx排放隨著EGR率的增加而降低。2 200r/min、75%負(fù)荷工況下，在進(jìn)氣氧濃度為21%處出現(xiàn)NOx排放的最大降低幅度達(dá)到52.5%；2 200 r/min的全負(fù)荷工況下，在進(jìn)氣氧濃度為24%處出現(xiàn)NOx排放的最大降低幅度達(dá)到38.4%。與原機(jī)相比，在不同進(jìn)氣氧濃度與EGR率的組合下，NOx排放在部分組合下遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原機(jī)，特別是在較低氧濃度和高EGR率范圍工況內(nèi)。例如在2 200 r/min、75%負(fù)荷工況，EGR率為50%處NOx排放最大降低幅度達(dá)到55.2%；進(jìn)氣氧濃度為22%時(shí)，在2 200 r/min、75%負(fù)荷工況下，EGR率為50%處其N(xiāo)Ox排放最大降低幅度達(dá)到24.8%。

圖6　不同進(jìn)氣氧濃度下EGR率對(duì)NOx排放的影響

此外，隨著EGR率增加，稀釋了混合氣，有效降低最高燃燒溫度與壓力，減少了NOx排放。同時(shí)，由于直接引入發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣來(lái)進(jìn)行EGR，并未采取措施來(lái)降低EGR中的NOx含量，故NOx排放只在部分工況點(diǎn)優(yōu)于原機(jī)。

在富氧進(jìn)氣的基礎(chǔ)上引入EGR來(lái)同時(shí)降低柴油機(jī)煙度和NOx排放的關(guān)鍵是一定工況下，進(jìn)氣氧濃度與EGR率的最佳組合匹配。通過(guò)上述對(duì)2 200 r/min、75%和全負(fù)荷工況點(diǎn)的煙度和NOx排放的試驗(yàn)，綜合考慮，可以得到一定工況點(diǎn)下柴油機(jī)使用不同的富氧進(jìn)氣濃度和EGR率的最佳組合。以2 200 r/min全負(fù)荷時(shí)為例，當(dāng)進(jìn)氣氧濃度21%與EGR率20%組合、氧濃度22%與EGR率50%組合，實(shí)現(xiàn)了煙度和NOx排放同時(shí)降低的最佳組合，煙度和NOx排放降低比例分別為20.0%和14.8%、6.7%和19.2%。

3　結(jié)論

1）單一使用富氧進(jìn)氣能大幅度降低煙度，但同時(shí)也急劇提高了柴油機(jī)NOx排放，因此在富氧進(jìn)氣的基礎(chǔ)上，需要采取必要的措施來(lái)降低NOx。

2）富氧進(jìn)氣柴油機(jī)在同一進(jìn)氣氧濃度下，其有效燃油消耗率隨著負(fù)荷的增加而明顯減?。煌回?fù)荷時(shí)有效燃油消耗率隨著氧濃度的升高而稍有降低，這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)渦輪增壓作用提高了原機(jī)的進(jìn)氣密度，一定程度增加了缸內(nèi)的氧氣濃度，故原機(jī)的經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)得到了很好的改善。

3）在富氧燃燒的基礎(chǔ)上，引入EGR可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的煙度和NOx排放的降低，其關(guān)鍵是在一定的工況點(diǎn)匹配與之相適合的EGR率。當(dāng)2 200 r/min全負(fù)荷工況下，進(jìn)氣氧濃度21%與EGR率20%組合、氧濃度22%與EGR率50%組合，煙度和NOx排放降低比例分別達(dá)到20.0%和14.8%、6.7%和19.2%。

1張韋，舒歌群，沈穎剛，等.EGR與進(jìn)氣富氧對(duì)直噴柴油機(jī)NO和碳煙排放的影響［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2012，30（1）：16-21

2Zhang W，Chen Z，Li W，et al.Influence of EGR and oxygenenriched air on diesel engine NO-Smoke emission and combustion characteristic［J］.Applied Energy，2013，107：304-314

3Perez P L，Boehman A L.Performance of a single-cylinder diesel engine using oxygen-enriched intake air at simulated high-altitudeconditions［J］.AerospaceScienceand Technology，2010，14（2）：83-94

4Byun H，Hong B，Lee B.The effect of oxygen enriched air obtained by gas separation membranes from the emission gas of diesel engines［J］.Desalination，2006，193（1）：73-81

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6Ladammatos N，Abdelhalim S M，Zhao H，et al.The dilution，chemical and thermal effects of exhaust gas recirculation on diesel engine emissions-Part 3：Effect of water vapour［C］. SAE Paper 971659

7安曉輝，劉波瀾，張付軍，等.基于氧濃度的EGR對(duì)柴油機(jī)性能影響的仿真［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2013，31（2）：115-119

8蔣德明.內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放學(xué)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2001

An Experimental Study on the Influence of Oxygen-enriched Combustion on the Working
Characteristics of Diesel Engine

Zhou Junjin1，Shen Yinggang2，Xu Bofeng2
1-The Vestibule School in Wenshan State（Wenshan，Yunnan，663309，China）2-Yunnan Key Laboratory of Internal Combustion Engine，Kunming University of Science and Technology

There is an experimental investigation of intake oxygen enrichment on a turbocharged diesel engine，using EGR technology studying the influence of the EGR ratio under different intake oxygen concentration on diesel emission performance，in order to improve the trade-off relation between the NOx and soot.The research shows that，under the same inlet oxygen concentration，the effective specific fuel consumption obviously decreases with the increase of load；and the effective specific fuel consumption slightly declines with the increase of oxygen concentration under the same load.Based on the intake oxygen enrichment，using EGR can both achieve the decrease of soot and NOx emission，the significant point is the fit EGR ratio under certain operating point.Under full charge with 2200r/min，oxygen concentration and EGR ratio are 21%and 20%，22%and 50%，while the emission reduction ratio of soot and NOx are 20.0% and 14.8%，6.7%and 19.2%.

Turbocharged diesel engine，Intake oxygen enrichment，Smoke，NOx

TK421.2

A

2095-8234（2016）04-0015-05

2016-04-25）

國(guó)家自然科學(xué)基金（51366007）。

周俊瑾（1978-），男，助理講師，主要研究方向?yàn)槠?chē)應(yīng)用技術(shù)。