EGR對(duì)柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃的影響

朱贊， 潘玉萍， 楊升， 宛仕棖， 黃豪中

(1. 廣西玉柴機(jī)器股份有限公司， 廣西 玉林 537005； 2. 廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004)

EGR對(duì)柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃的影響

朱贊1， 潘玉萍2， 楊升2， 宛仕棖2， 黃豪中2

(1. 廣西玉柴機(jī)器股份有限公司， 廣西 玉林 537005； 2. 廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004)

在一臺(tái)由柴油機(jī)加裝天然氣供給系統(tǒng)改裝而成的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，分別研究了EGR率和過(guò)量空氣系數(shù)(φa)隨噴油提前角變化對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。結(jié)果表明：當(dāng)EGR率為0時(shí)，φa過(guò)大導(dǎo)致熱效率降低。增大噴油提前角使著火提前，燃燒得以改善，最大壓力升高率和最高燃燒壓力提高，熱值折合燃料消耗率降低。噴油提前角一定時(shí)，最大壓力升高率、最高燃燒壓力隨EGR率的增大先升高后降低， 熱值折合燃料消耗率先降低后升高，EGR率為20%時(shí)熱值折合燃料消耗率達(dá)到最低值。采用EGR技術(shù)能有效降低NOx排放，但HC，CO，CH4和炭煙排放隨著EGR率的增大而增大；增大噴油提前角使缸內(nèi)柴油預(yù)混燃燒比例增加，HC，CO，CH4和炭煙排放降低。因此，采用EGR時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加噴油提前角。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)； 廢氣再循環(huán)； 稀薄燃燒； 過(guò)量空氣系數(shù)； 噴油提前角

柴油引燃預(yù)混天然氣是指在雙燃料模式下，天然氣作為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的主要燃料與空氣混合后進(jìn)入燃燒室，活塞接近上止點(diǎn)時(shí)微量柴油經(jīng)由噴油器噴入后自著火引燃混合氣體。相比于傳統(tǒng)柴油機(jī)，柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的氮氧化物(NOx)、顆粒物(PM)和二氧化碳(CO2)排放量有所降低[1-3]，但一氧化碳(CO)和總碳?xì)浠衔?THC)的排放增加，而THC中大部分是未燃甲烷(MHC)[4]。因此，當(dāng)務(wù)之急是進(jìn)一步改善雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性以及CO和MHC的排放。

自著火正時(shí)控制是HCCI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究重點(diǎn)之一，而通過(guò)廢氣再循環(huán)(EGR)和改變過(guò)量空氣系數(shù)(φa)可以間接地控制燃燒相位和燃燒持續(xù)期。Fathi等[5]通過(guò)改變EGR率，研究天然氣-柴油雙燃料HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在效率和排放上的最佳燃燒相位，研究顯示，應(yīng)用EGR之后，經(jīng)濟(jì)性提升，NOx排放降低，但HC和CO排放增加。Jafarmadar等[6]在一臺(tái)天然氣-柴油雙燃料HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)上，保持柴油量不變，研究不同EGR率對(duì)燃燒的影響。結(jié)果表明：當(dāng)EGR率從0%增加到30%時(shí)，效率從48.9%降低至28.7%，燃燒不完全；因氧濃度降低，混合燃料的累計(jì)熱損失從10.1%降低至5.64%。Srinivasan[7]等研究了天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)引入熱EGR在低負(fù)荷時(shí)對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，指示平均有效壓力的循環(huán)變動(dòng)率隨著熱EGR率的增加而降低，當(dāng)噴油定時(shí)為60°BTDC時(shí)，循環(huán)變動(dòng)由EGR率為0%時(shí)的30%降低至EGR率為21%時(shí)的5%。Wei[8]等在此基礎(chǔ)上提出，雖然天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的有效壓力和傳統(tǒng)柴油機(jī)相比較高，有利于噴油的提前及火焰的傳播，但是在低負(fù)荷時(shí)，需要提高進(jìn)氣溫度或者引入熱EGR來(lái)增強(qiáng)燃燒穩(wěn)定性。林志強(qiáng)等[9]對(duì)柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)的濃限和稀限進(jìn)行了研究，通過(guò)試驗(yàn)得出結(jié)論：天然氣與空氣混合的過(guò)量空氣系數(shù)存在的最佳范圍為1.4～2.0，超出該濃限，NOx排放將會(huì)超出排放法規(guī)的限制。宋建桐等[10]研究壓縮天然氣在柴油機(jī)上的應(yīng)用，結(jié)果顯示：不同轉(zhuǎn)速下，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的降低，功率增大，有效燃油消耗率降低，NOx增加，HC和CO的排放在φa>1.6時(shí)增加，而在φa<1.6時(shí)減少。余小草等[11]在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上研究3種不同稀釋方式對(duì)NOx排放的影響，結(jié)果表明：采用空氣與EGR雙重稀釋的方式能夠有效拓展天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的稀釋極限，并且在經(jīng)濟(jì)性保持不變的情況下大幅降低NOx排放，最大降幅為48%。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，保留了較好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，排放性也有所改善，兼具DIESEL和OTTO循環(huán)燃燒的特點(diǎn)，但是燃燒過(guò)程較為復(fù)雜[12-14]。目前，對(duì)于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的研究較少，而EGR和φa對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒排放的影響非常重要，因此，本研究從折合熱效率、折合燃料消耗率、排溫、壓力升高率、最高燃燒壓力以及NOx，HC，CO和CH4比排放量等方面分析低負(fù)荷下EGR和φa對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，并探究隨噴油提前角的變化，二者對(duì)燃燒及排放的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用6缸增壓中冷柴油機(jī)，型式為立式、直列、水冷、四沖程，在原機(jī)上加裝天然氣供給系統(tǒng)，在燃油供給不變的情況下設(shè)計(jì)天然氣管路，并對(duì)ECU進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，使得天然氣進(jìn)氣能夠準(zhǔn)確控制。發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)首先以純柴油的模式起動(dòng)，此時(shí)總開(kāi)關(guān)閥處于斷開(kāi)狀態(tài)，天然氣中斷，當(dāng)柴油壓縮著火后，天然氣開(kāi)始通入，與空氣混合后進(jìn)入氣缸燃燒。引燃柴油由原機(jī)ECU進(jìn)行控制，天然氣進(jìn)氣量由天然氣供給系統(tǒng)進(jìn)行控制。試驗(yàn)裝置及測(cè)量?jī)x器見(jiàn)圖1。

1—空氣流量計(jì)；2—空氣濾清器； 3—增壓器； 4—EGR閥； 5—中冷器； 6—電子節(jié)氣門(mén)； 7—混合器； 8—雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)； 9—水溫傳感器； 10—氧傳感器；11—缸壓傳感器； 12—電荷放大器； 13—油軌總成； 14—油泵； 15—濾清器； 16—油箱； 17—ECU； 18—測(cè)功機(jī)； 19—計(jì)算機(jī)； 20—Horiba MEXA-7100DEGR排放分析儀； 21—AVL 415SE煙度計(jì)； 22—CNG氣罐； 23—高壓電磁閥； 24—高壓減壓器； 25—低壓濾清器； 26—?dú)廛壙偝蓤D1 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用外部EGR，EGR率通過(guò)調(diào)節(jié)EGR閥來(lái)控制。由于引入的廢氣溫度較高，通過(guò)中冷器對(duì)其降溫，同時(shí)預(yù)熱新鮮空氣。EGR率通過(guò)測(cè)量進(jìn)氣中CO2體積分?jǐn)?shù)與排氣中CO2體積分?jǐn)?shù)來(lái)計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：φint為進(jìn)氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)；φexh為排氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)。

為了更好地比較雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)柴油機(jī)的燃油消耗率和熱效率，本研究引入折合燃料消耗率和折合熱效率的概念，通過(guò)能量轉(zhuǎn)化折合成純柴油時(shí)的消耗量和熱效率。

折合燃燒消耗量mdual：

(2)

熱值折合燃料消耗率bdual：

(3)

式中：mdual，mdiesel，mCNG分別為雙燃料、柴油和天然氣的消耗量；HuCNG和Hudiesel分別為天然氣和柴油的低熱值，HuCNG/Hudiesel=1.15。

此外，過(guò)量空氣系數(shù)φa定義如下：

(4)

式中：mair是空氣質(zhì)量流量；ldiesel和lCNG分別是柴油和天然氣的化學(xué)計(jì)量空燃比。

試驗(yàn)時(shí)，在轉(zhuǎn)速為1 720 r/min、扭矩為370 N·m(相當(dāng)于33%的負(fù)荷)、柴油引燃量為0.178 g/cyc的條件下，進(jìn)行噴油提前角、EGR率和φa對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響的分析研究。其中，噴油提前角在5°～22°BTDC范圍內(nèi)變化，φa在EGR率為0時(shí)取1.6和1.95， EGR率在φa為1.3時(shí)分別取10%，20%，30%，40%進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 EGR率和φa對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響

圖2示出了EGR率和φa對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)熱值折合燃料消耗率的影響。由圖可以看出，當(dāng)EGR率為0時(shí)，φa越大，熱值折合燃料消耗率越大。這是因?yàn)樵谛∝?fù)荷工況下，φa較大時(shí)缸內(nèi)混合氣較稀，引燃柴油點(diǎn)燃預(yù)混合氣后無(wú)法形成正常的火焰?zhèn)鞑ィ姨烊粴獾幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俾瘦^低，導(dǎo)致不完全燃燒。為保證輸出功率，必須增大天然氣的噴氣量，因而熱值折合燃料消耗率較高。隨著噴油提前角的增大，混合質(zhì)量變好，著火時(shí)間提前，燃燒得以改善，故熱值折合燃料消耗率下降。由圖可見(jiàn)，隨著EGR率的增大，熱值折合燃料消耗率先降低后升高，在EGR率為20%時(shí)達(dá)到最小值。這是由于EGR率的增大使缸內(nèi)廢氣增加，需要增大節(jié)氣門(mén)開(kāi)度以保證缸內(nèi)空氣量不變，增大節(jié)氣門(mén)開(kāi)度能夠有效降低泵氣損失，同時(shí)，EGR率增大導(dǎo)致循環(huán)變動(dòng)增大，燃燒穩(wěn)定性下降，綜合以上兩方面影響可得出，存在一個(gè)最優(yōu)EGR率使熱值折合燃料消耗率最低。當(dāng)EGR率過(guò)高時(shí)，混合氣氧濃度減小，燃燒溫度降低，導(dǎo)致燃燒不完全，熱值折合燃料消耗率增大。

圖2 EGR率和φa對(duì)熱值折合燃料消耗率的影響

圖3與圖4分別示出了EGR率和φa對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)最大壓力升高率和最高燃燒壓力的影響。由圖可知，EGR率和φa對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒有著重要影響。從圖中可以看出，最高燃燒壓力的變化趨勢(shì)與最大壓力升高率的變化趨勢(shì)大致相同。當(dāng)EGR率為0時(shí)，φa越大，最大壓力升高率越小，最高燃燒壓力也越小。這是因?yàn)棣誥較大時(shí)，混合氣較稀，燃燒速率降低，最大壓力升高率和最高燃燒壓力隨之降低。隨著噴油提前角的增大，柴油著火滯燃期延長(zhǎng)，缸內(nèi)柴油預(yù)混燃燒比例增加，因而最大壓力升高率和最高燃燒壓力均呈上升趨勢(shì)。噴油提前角較小時(shí)，不同EGR率的最大壓力升高率差距較大，隨著噴油提前角的增大，這一差距逐漸減小。當(dāng)噴油提前角一定時(shí)，隨EGR率增大，最大壓力升高率和最高燃燒壓力先升高后降低，在20%時(shí)達(dá)到最大值。這是因?yàn)镋GR率較小時(shí)，θCA50對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角逐漸靠近上止點(diǎn)，當(dāng)EGR率為20%時(shí)，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角在上止點(diǎn)附近，最大壓力升高率和最高燃燒壓力最高。隨著EGR率的增大，缸內(nèi)的CO2，N2等高比熱容氣體濃度增大，氧濃度減小，燃燒速度變慢，放熱率下降，θCA50對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角逐漸靠后，最大壓力升高率和最高燃燒壓力降低。

圖3 不同EGR率和φa下的最大壓力升高率

圖4 不同EGR率和φa下的最高燃燒壓力

2.2 EGR率和φa對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響

圖5示出了EGR率和φa對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)NOx比排放量的影響。由圖可以看出，EGR率為0時(shí)，φa越大，NOx比排放量越低；隨著噴油提前角的增大，NOx比排放量增大。這是因?yàn)殡S著φa增大，缸內(nèi)混合氣變稀，燃燒溫度降低，不利于NOx生成，因此NOx比排放量降低。增大噴油提前角將延長(zhǎng)燃?xì)庠诟邷刂袦舻臅r(shí)間，同時(shí)，缸內(nèi)燃燒溫度升高，兩者共同作用導(dǎo)致NOx的比排放量進(jìn)一步增加。當(dāng)增大EGR率時(shí)，EGR的稀釋作用和高比熱容導(dǎo)致缸內(nèi)氧濃度減少，燃燒溫度降低，NOx比排放量急劇減小，但是隨著噴油提前角的增大逐漸增大。

圖5 不同EGR率和φa下的NOx比排放量

圖6至圖8分別示出了EGR率和φa對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)HC，CO和CH4比排放量的影響。由圖可知，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)HC，CO和CH4比排放量的趨勢(shì)大致相同。在EGR為0時(shí)，φa越大，HC，CO和CH4比排放量也越大。隨著噴油提前角的增大，HC，CO和CH4比排放量逐漸減小。當(dāng)噴油提前角一定時(shí)，EGR率越大，HC，CO和CH4比排放量也越大。EGR率一定時(shí)，隨著噴油提前角的增加，HC，CO和CH4比排放量均呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著φa增大，缸內(nèi)混合氣變稀，燃燒不充分使得HC的生成量大幅上升。增大噴油提前角能夠使燃燒提前、混合氣燃燒更充分，HC，CO和CH4比排放量減少。EGR率增大時(shí)，廢氣相對(duì)過(guò)多會(huì)使得火焰中心形成與火焰?zhèn)鞑ナ茏?，同時(shí)缸內(nèi)燃燒溫度低，致使HC和CO排放量增大。EGR率增大，則著火滯燃期延長(zhǎng)，燃燒溫度下降，混合氣燃燒不充分，使得CH4的排放增多。

圖6 不同EGR率和φa下的HC比排放量

圖7 不同EGR率和φa下的CO比排放量

圖8 不同EGR率和φa下的CH4比排放量

圖9示出了EGR率和φa對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)煙度的影響?？梢钥闯觯珽GR率為0，φa為1.6和1.95時(shí)，煙度大致相同，約為0.05 FSN。當(dāng)噴油提前角一定時(shí)，隨著EGR率的增大，煙度值增大；隨著噴油提前角的增大，煙度值呈下降趨勢(shì)。柴油機(jī)排放的顆粒是燃料在高溫缺氧的環(huán)境下經(jīng)過(guò)裂解脫氫后的產(chǎn)物，在燃燒過(guò)程中非均相燃燒形成碳核，隨著EGR率增大，混合氣中氧氣濃度減小，高溫缺氧條件下導(dǎo)致炭煙生成量增多，煙度值升高。當(dāng)有EGR時(shí)，增加噴油提前角可以降低炭煙排放。

圖9 不同EGR率和φa下的煙度

3 結(jié)論

a) 當(dāng)EGR率為0時(shí)，隨φa的增大，熱值折合燃料消耗率增大，最大壓力升高率和最高燃燒壓力減小，NOx比排放量減少，而HC，CO和CH4比排放量增加，炭煙排放變化不大；

b) EGR率一定時(shí)，隨噴油提前角的增大，熱值折合燃料消耗率降低，最大壓力升高率和最高燃燒壓力升高，NOx比排放量增大，HC，CO和CH4比排放量和炭煙排放減?。?/p>

c) 噴油提前角一定時(shí)，隨EGR率的增大，最大壓力升高率和最高燃燒壓力先升高后降低，熱值折合燃料消耗率先降低后升高，NOx比排放量減小，HC，CO和CH4比排放量和炭煙排放增大；噴油提前角較小，EGR率為20%時(shí)，最大壓力升高率和最高燃燒壓力最大，熱值折合燃料消耗率最?。?/p>

d) 采用EGR技術(shù)可以有效降低柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放，但會(huì)帶來(lái)HC，CO和CH4排放的增加；試驗(yàn)表明，采用EGR時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)許用壓力范圍內(nèi)，應(yīng)適當(dāng)增大噴油提前角，以達(dá)到同時(shí)降低NOx，HC，CO，CH4和炭煙排放的目的。

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[編輯： 姜曉博]

Effects of EGR on Lean Burn of Diesel-natural Gas Dual Fuel Engine

ZHU Zan1, PAN Yuping2, YANG Sheng2, WAN Shicheng2, HUANG Haozhong2

(1. Guangxi Yuchai Machinery Co., Ltd., Yulin 537005, China;2. College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

The changes of EGR rate and excess air coefficient with injection advance angle were researched on a retrofitted dual fuel engine by mounting the natural gas system to diesel engine. The results show that the large excess air coefficient will lead to the low heat efficiency when the EGR rate is zero. The increasing of injection advance angle can advance the ignition, improve the combustion, raise the maximum pressure rise rate and the maximum combustion pressure and drop the fuel consumption equivalent to calorific value. For a constant injection advance angle, the maximum pressure rise rate and the maximum combustion pressure first increase and then decrease and the fuel consumption equivalent to calorie value changes conversely with the increase of EGR rate. The equivalent fuel consumption reaches the minimum value when the EGR rate is 20%. EGR can reduce NOxemission effectively, but will increase HC, CO, CH4and soot emission. Increasing the injection advance angle can increase the proportion of in-cylinder premixed combustion and thereby reduce those four emissions. Accordingly, increasing the injection advance angle should be considered when using EGR.

duel fuel engine; EGR; lean burn； excess air coefficient; injection advance angle

2016-07-18；

2016-11-09

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃(桂科攻1598007-44)；廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014GXNSFGA118005)

朱贊(1984—)，男，博士，主要研究方向?yàn)樘烊粴獍l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放控制；dieselzhu@163.com。

黃豪中(1976—)，男，教授，博士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放控制；hhz421@gxu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.009

TK421.5

B

1001-2222(2017)01-0049-05