內(nèi)外EGR和噴油壓力對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒的影響

張翔宇，鄭尊清，李研芳，祝宇軒，高英英，堯命發(fā)

(1.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)，天津 300400；2.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，天津 300072)

內(nèi)外EGR和噴油壓力對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒的影響

張翔宇1,2，鄭尊清2，李研芳1，祝宇軒2，高英英1，堯命發(fā)2

(1.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)，天津 300400；2.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，天津 300072)

在1臺(tái)裝有電液可變氣門的單缸柴油機(jī)上，通過改變內(nèi)外EGR策略和噴油壓力，對(duì)柴油機(jī)小負(fù)荷工況下低溫燃燒的燃燒特性和排放特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。內(nèi)部EGR通過排氣門兩次開啟實(shí)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和噴油量分別固定為1 500 r/min和20 mg/cycle。研究結(jié)果表明，通過高EGR率控制可以實(shí)現(xiàn)超低NOx排放，其中采用高噴油壓力可以降低內(nèi)部EGR的炭煙排放，而采用低噴油壓力可以降低外部中冷EGR的HC和CO排放。在內(nèi)外EGR耦合控制策略中，提高內(nèi)部EGR比例可以降低HC和CO排放，但改善效果逐漸減弱，同時(shí)為了抑制炭煙排放，需要結(jié)合更高噴油壓力，而提高外部中冷EGR比例可以獲得較高熱效率。

柴油機(jī)；廢氣再循環(huán)；噴油壓力；低溫燃燒

相比傳統(tǒng)燃燒，柴油機(jī)低溫燃燒可以獲得極低的NOx和soot排放，已在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛研究[1-3]。在小負(fù)荷工況，低溫燃燒存在CO和HC排放過高、燃油經(jīng)濟(jì)性惡化問題[4-6]，同時(shí)較低的排氣溫度也不利于采用后處理技術(shù)[7-9]。研究表明[10-13]，采用內(nèi)部EGR策略可以有效降低小負(fù)荷工況下的不完全燃燒損失并獲得較高熱效率和排氣溫度，但隨著負(fù)荷升高，內(nèi)部EGR策略下soot排放急劇增加，需要采用外部中冷EGR策略來抑制soot排放。但同時(shí)文獻(xiàn)[14]也指出，在某一特定工況(平均指示壓力約為0.3 MPa)，單純采用內(nèi)部或外部中冷EGR策略難以同時(shí)獲得較低soot，CO和HC排放。因此有必要在特定負(fù)荷工況下針對(duì)兩種EGR之間的過渡策略，即內(nèi)外EGR耦合策略進(jìn)行進(jìn)一步研究。

噴油策略是柴油低溫燃燒過程控制的另一個(gè)主要技術(shù)途徑，可以通過形成合理的混合氣分層來進(jìn)一步優(yōu)化燃燒過程，控制有害物排放[15-16]，但關(guān)于內(nèi)部EGR耦合噴油壓力以及內(nèi)外EGR耦合噴油壓力對(duì)低溫燃燒影響的試驗(yàn)研究鮮有報(bào)道。因此在小負(fù)荷工況下研究了內(nèi)外EGR策略和噴油壓力對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒的影響，探索了小負(fù)荷工況下實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)高效清潔燃燒的控制方法。

1 試驗(yàn)裝置和研究方法

圖1示出本研究所用的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，主要包括經(jīng)過改造的單缸試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功機(jī)、高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)、模擬進(jìn)氣增壓系統(tǒng)、外部中冷廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)、進(jìn)氣溫度控制系統(tǒng)、缸內(nèi)壓力采集及分析系統(tǒng)、電液可變氣門控制系統(tǒng)和尾氣排放測(cè)試儀器等部分。缸內(nèi)壓力采集和分析采用了一套自制的數(shù)據(jù)采集和燃燒分析系統(tǒng)完成，缸內(nèi)壓力采樣間隔設(shè)為0.5°曲軸轉(zhuǎn)角，采集循環(huán)數(shù)設(shè)為50；發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣測(cè)量采用了Horiba MEXA-7100DEGR排氣分析儀以及AVL 415S煙度計(jì)；利用一套自制的電液可變氣門控制系統(tǒng)使排氣門在進(jìn)氣過程中額外開啟一次，從而一部分發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣從排氣管倒吸回缸內(nèi)形成內(nèi)部EGR。利用MEXA排氣分析儀可測(cè)出外部中冷EGR流量以及過量空氣系數(shù)φa，利用空氣流量計(jì)可以測(cè)出新鮮空氣流量，采用GT-Power軟件通過對(duì)比模擬外部中冷EGR流量、新鮮空氣量、過量空氣系數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際所測(cè)值，即可以分別算出外部中冷EGR率、內(nèi)部EGR率以及總EGR率[11,14]。EGR率計(jì)算公式如下：

式中：mEx-EGR為引入缸內(nèi)的外部中冷EGR質(zhì)量；mIn-EGR為引入缸內(nèi)的內(nèi)部EGR質(zhì)量；mfresh為引入缸內(nèi)的新鮮空氣質(zhì)量；mresidual為缸內(nèi)初始?xì)堄鄰U氣質(zhì)量。試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)以及試驗(yàn)參數(shù)見表1。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架示意

缸徑/mm105行程/mm125連桿長(zhǎng)度/mm210幾何壓縮比16∶1轉(zhuǎn)速/r·min-11500±2循環(huán)噴油量/mg·cycle-120±0．2進(jìn)氣壓力/MPa0．13±0．001進(jìn)氣溫度/℃40±1θCA50(ATDC)/(°)4±0．5排氣門關(guān)閉時(shí)刻(ATDC)/(°)-342

試驗(yàn)中IMEP由壓縮和膨脹2個(gè)工作循環(huán)算出，試驗(yàn)過程中的測(cè)量誤差見表2。

表2 試驗(yàn)過程測(cè)量誤差

2 研究結(jié)果與分析

2.1內(nèi)外EGR下噴油壓力對(duì)燃燒和性能的影響

圖2示出不同EGR策略和噴油壓力下滯燃期隨EGR率的變化趨勢(shì)。EGR率為0時(shí)，提高噴油壓力改善了燃油霧化質(zhì)量，有利于形成易著火的混合氣濃度區(qū)域，滯燃期逐漸縮短但變化幅度逐漸減小。對(duì)于外部中冷EGR策略，不同噴油壓力下的滯燃期都隨著EGR率增加而逐漸延長(zhǎng)，且彼此之間的差異無顯著變化。與此類似，對(duì)于內(nèi)部EGR策略，不同噴油壓力下的滯燃期也隨著EGR率增加而逐漸延長(zhǎng)，且彼此之間的差異無顯著變化，但由于引入高溫廢氣對(duì)混合氣進(jìn)行加熱，導(dǎo)致其滯燃期隨內(nèi)部EGR率的增加幅度明顯低于中冷EGR策略。

圖2 滯燃期隨EGR率的變化趨勢(shì)

圖3示出不同EGR策略和噴油壓力下燃燒持續(xù)期隨EGR率的變化趨勢(shì)。隨著噴油壓力的提高，內(nèi)部或外部中冷EGR策略下的燃燒持續(xù)期都逐漸縮短；而隨著EGR率增大，各噴油壓力下的燃燒持續(xù)期都逐漸延長(zhǎng)。但同時(shí)可發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部EGR策略下的燃燒持續(xù)期增加幅度比外部中冷EGR策略更為明顯，特別是當(dāng)EGR率超過50%時(shí)，即使內(nèi)部EGR策略采用150 MPa噴油壓力，其燃燒持續(xù)期也比外部中冷EGR策略采用40 MPa噴油壓力下的燃燒持續(xù)期要長(zhǎng)。

圖3 燃燒持續(xù)期隨EGR率的變化趨勢(shì)

圖4示出不同EGR策略和噴油壓力下指示熱效率隨EGR率的變化趨勢(shì)。在外部中冷EGR或內(nèi)部EGR策略下，噴油壓力對(duì)指示熱效率的影響不明顯，而EGR策略對(duì)缸內(nèi)燃燒的差異是導(dǎo)致熱效率隨EGR率變化出現(xiàn)較大區(qū)別的最主要影響因素。相比內(nèi)部EGR策略，外部中冷EGR策略由于較低的傳熱損失[13]以及較短的燃燒持續(xù)期，在高EGR率下可以獲得更高的指示熱效率。

圖4 指示熱效率隨EGR率的變化趨勢(shì)

2.2內(nèi)外EGR下噴油壓力對(duì)排放的影響

圖5示出不同EGR策略和噴油壓力下NOx排放隨EGR率的變化趨勢(shì)。在EGR率為0%時(shí)，提高噴油壓力加快了燃燒反應(yīng)速率，提高了缸內(nèi)燃燒溫度，促使NOx排放增加。隨著EGR率增加，廢氣中稀釋效應(yīng)對(duì)燃燒過程占主導(dǎo)作用，燃燒速度得到有效抑制，NOx排放迅速降低，噴油壓力以及EGR策略對(duì)NOx變化趨勢(shì)影響作用逐漸減弱，當(dāng)EGR率大于50%時(shí)，各策略下NOx排放幾乎相當(dāng)。

圖5 NOx排放隨EGR率的變化趨勢(shì)

圖6示出不同氣門策略和噴油壓力下煙度與NOx的折中關(guān)系。中冷EGR策略下滯燃期較長(zhǎng)，即使在低NOx排放區(qū)間(低于0.4 g/(kW·h))，60～80 MPa噴油壓力下仍保持較低煙度(低于0.06 FSN)；而內(nèi)部EGR策略由于引入廢氣混合的不均勻以及較低的過量空氣系數(shù)，隨著NOx排放逐漸降低，需要逐步采用更高噴油壓力來促進(jìn)混合，降低局部過濃區(qū)，抑制炭煙排放。例如保持NOx排放為0.4 g/(kW·h)附近時(shí)，內(nèi)部EGR策略結(jié)合150 MPa高噴油壓力下的煙度與外部中冷EGR結(jié)合60 MPa噴油壓力下的煙度相當(dāng)。

圖6 煙度與NOx的折中關(guān)系

圖7和圖8分別示出不同EGR策略和噴油壓力下HC和CO與NOx的折中關(guān)系。在低NOx排放區(qū)域，相比內(nèi)部EGR策略，外部中冷EGR策略下缸內(nèi)平均燃燒溫度較低，提高噴油壓力形成了更稀的混合氣分層，HC與CO排放隨之增加；而內(nèi)部EGR策略整體過量空氣系數(shù)的減少導(dǎo)致局部缺氧區(qū)域增多，這成為HC與CO排放迅速增加的主要因素，提高噴油壓力可以有效增加燃油與氧分子碰撞概率，從而HC與CO排放略有改善。

圖7 HC與NOx的折中關(guān)系

圖8 CO與NOx的折中關(guān)系

2.3內(nèi)外EGR耦合下噴油壓力對(duì)低溫燃燒的影響

缸內(nèi)平均溫度較高以及燃燒持續(xù)期較長(zhǎng)所引起的傳熱損失增加，是導(dǎo)致內(nèi)部EGR策略熱效率低于中冷EGR策略的主要原因，有必要在滿足低排放的條件下采用合適的混合氣溫度、濃度分層來控制缸內(nèi)燃燒反應(yīng)路徑，以獲得高效的燃燒過程。圖9示出不同噴油壓力控制下的NOx排放與煙度，圖10示出獲得上述低NOx排放與煙度下不同噴油壓力所對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)(總EGR率、內(nèi)外EGR率分配比例和對(duì)應(yīng)過量空氣系數(shù))。在同一噴油壓力(60 MPa)條件下，增加內(nèi)部EGR率比例一方面加劇混合氣濃度分層，另一方面降低了過量空氣系數(shù)，兩方面共同作用導(dǎo)致缸內(nèi)局部當(dāng)量比增大，煙度有所增加。因此，為了控制煙度在同一水平，隨著內(nèi)部EGR率比例的升高，需要采用與之對(duì)應(yīng)的更高噴油壓力。隨著噴油壓力及內(nèi)部EGR率比例的增加，為了獲得同樣的低NOx排放，總EGR率略微增加但變化不大。這是因?yàn)橐环矫嬖诘蚇Ox排放下，噴油壓力作用減弱，另一方面采用更高比例內(nèi)部EGR率導(dǎo)致缸內(nèi)溫度較高，不利于控制NOx排放，但與此同時(shí)更低的過量空氣系數(shù)(氧濃度)同樣抑制了燃燒反應(yīng)速率，以上因素共同作用，導(dǎo)致同樣的NOx排放水平下總EGR率相差不大。

圖9 NOx排放與煙度

圖10 低NOx排放與煙度的控制參數(shù)

圖11示出不同噴油壓力耦合不同比例內(nèi)外EGR率下的缸壓和放熱率曲線。隨著內(nèi)部EGR率比例增加，容積效率降低，導(dǎo)致著火前缸內(nèi)壓力有一定下降，與此同時(shí)氧濃度的減小導(dǎo)致放熱率峰值降低，燃燒反應(yīng)速率下降。圖12示出不同噴油壓力下的滯燃期與燃燒持續(xù)期。隨著噴油壓力以及對(duì)應(yīng)的內(nèi)部EGR率比例增加，一方面油氣混合速度增加，有利于快速形成易著火的混合氣濃度區(qū)間，另一方面缸內(nèi)平均溫度上升使混合氣活性增強(qiáng)，最終導(dǎo)致滯燃期逐漸降低，但降幅逐漸減小。盡管噴油壓力的提高以及缸內(nèi)溫度的上升同樣有利于加快燃燒反應(yīng)速率，但急劇下降的過量空氣系數(shù)對(duì)燃燒過程產(chǎn)生不利影響，最終導(dǎo)致燃燒持續(xù)期逐漸延長(zhǎng)，這表明廢氣的稀釋效應(yīng)對(duì)燃燒持續(xù)期的影響占主導(dǎo)地位。

圖11 缸內(nèi)壓力和放熱率

圖12 滯燃期與燃燒持續(xù)期

圖13示出不同噴油壓力下的排氣溫度和指示熱效率。隨著噴油壓力以及對(duì)應(yīng)的內(nèi)部EGR率比例增加，一方面缸內(nèi)熱廢氣循環(huán)比例提高，留存缸內(nèi)熱量更多，另一方面容積效率的下降導(dǎo)致缸內(nèi)工質(zhì)熱容降低，缸內(nèi)整體平均燃燒溫度增加，這兩點(diǎn)是導(dǎo)致排氣溫度迅速上升的主要原因。除此之外，由于固定了θCA50，燃燒持續(xù)期的延長(zhǎng)意味著更多燃油遠(yuǎn)離上止點(diǎn)燃燒，同樣導(dǎo)致排氣溫度升高。隨著噴油壓力以及對(duì)應(yīng)的內(nèi)部EGR率比例增加，一方面缸內(nèi)傳熱損失增加，另一方面燃燒持續(xù)期的延長(zhǎng)降低了燃燒定容度，最終導(dǎo)致指示熱效率逐漸下降。圖14示出不同噴油壓力下的HC與CO排放。在保證低NOx排放與煙度下，隨著內(nèi)部EGR率增加及相應(yīng)噴油壓力的提高，缸內(nèi)平均溫度的升高有利于CO和HC的進(jìn)一步氧化，CO與HC排放逐漸降低，但降低程度逐漸減弱。

圖13 排氣溫度和指示熱效率

圖14 HC和CO排放

3 結(jié)論

在平均指示壓力約為0.3 MPa工況下，對(duì)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)高效清潔燃燒的控制方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：

a) 外部中冷EGR策略結(jié)合較低噴油壓力(60～80 MPa)在保持低NOx排放與煙度的同時(shí)避免生成較高的HC和CO排放；

b) 內(nèi)部EGR策略結(jié)合較高噴油壓力(150 MPa)可以有效抑制低NOx條件下過高的煙度，同時(shí)也可進(jìn)一步改善HC和CO排放；

c) 在低NOx排放和煙度條件下(NOx排放約0.4 g/(kW·h)，煙度約0.1 FSN), 提高外部中冷EGR比例可以獲得更高熱效率，而采用高比例內(nèi)部EGR與高噴油壓力可以獲得更低HC和CO排放以及更高排氣溫度，可根據(jù)控制目標(biāo)(經(jīng)濟(jì)性和排放)選擇合理的內(nèi)外EGR耦合比例以及相適應(yīng)的噴油壓力。

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Keywords: diesel engine；exhaust gas recirculation(EGR)；injection pressure；low temperature combustion

EffectsofInternalandExternalEGRandInjectionPressureonLowTemperatureCombustionofDieselEngine

ZHANG Xiangyu1,2，ZHENG Zunqing2，LI Yanfang1，ZHU Yuxuan2，GAO Yingying1，YAO Mingfa2

(1.China North Engine Research Institution(Tianjin)，Tianjin 300400，China； 2.State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The combustion and emission characteristics of low temperature combustion at low load were investigated by changing strategies of internal and external EGR and injection pressure on a single cylinder diesel engine equipped with a electro-hydraulic variable valve actuator system. The internal EGR was achieved by opening exhaust valve twice during the intake process. The test was conducted at engine speed of 1 500 r/min with 20 mg/cyc fuel injection. The results show that the ultra-low NOxemission can be obtained by controlling EGR rates. The soot emission of internal EGR reduces at a high injection pressure, while HC and CO emissions of external EGR reduce at a low injection pressure. For the coupling control strategy of internal and external EGR, the increase of internal EGR ratio can reduce HC and CO emissions at a small range and a higher injection pressure is hence introduced to suppress soot emission. In addition, the increase of the external EGR ratio can achieve higher thermal efficiency.

2017-03-17；

2017-05-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51576138)

張翔宇(1984—)，男，助理研究員，博士，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)燃燒與排放控制；fdj@qq.com。

堯命發(fā)(1968—)，男，研究員，博士，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)燃燒理論與數(shù)值模擬技術(shù)；y_mingfa@tju.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.001

TK427

B

1001-2222(2017)05-0001-05

[編輯： 潘麗麗