EG R對混合燃料燃燒特性影響的試驗(yàn)研究

韋堯鵬，陳英杰

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

Soot和NOx的trade-off關(guān)系在傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)燃燒方式上很難被消除?？梢酝ㄟ^引入一部分廢氣再循環(huán)以降低缸內(nèi)燃燒溫度的新型燃燒方式來實(shí)現(xiàn)改善這種關(guān)系。廢氣再循環(huán)EGR（Exhaust Gas Recirculation）是實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)低溫燃燒的主要措施之一[1]，同時(shí)也是柴油機(jī)燃燒控制的主要參數(shù)。其效果是降低缸內(nèi)溫度的同時(shí)減少了氧氣濃度，抑制了有利于產(chǎn)生NOx的高溫缺氧環(huán)境的形成，是目前降低NOx排放的主要措施[2]。

本文主要系統(tǒng)研究EGR率（5%、10%、15%、20%、25%）對純柴油（D100）、柴油/PODE3-4（DP20）、柴油/PODE3-4/正戊醇（DPPt20）三種不同混合燃料的燃燒和排放特性的影響。試驗(yàn)固定參數(shù)見表1.

表1 EG R率試驗(yàn)固定參數(shù)表

1 試驗(yàn)條件和方法

試驗(yàn)采用如圖1所示的帶有高壓回路EGR系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)臺架。在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口與渦輪機(jī)之間引出廢氣，經(jīng)過EGR閥和中冷器控制流速溫度之后，與增壓中冷后的新鮮充量混合均勻，最終進(jìn)入氣缸。EGR閥采用電機(jī)閉環(huán)調(diào)節(jié)模式，即ECU通過調(diào)節(jié)EGR閥的開度和VGT噴嘴流截面的傾斜度，達(dá)到改變廢氣流量的目的。此外，本次試驗(yàn)使用Horiba MEXA 7100DEGR分析儀測量進(jìn)氣歧管內(nèi)的CO2濃度和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的CO2濃度，控制EGR率大小。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)EG R系統(tǒng)示意圖

2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用為一臺2.0 L的四缸水冷帶可變幾何截面渦輪增壓（VGT）的柴油機(jī)，裝配電渦輪測功機(jī)、尾氣排放測量系統(tǒng)和高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)。圖2為本次試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)臺架示意圖。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺架示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

圖 3 （a）、（b）、（c） 分別 顯 示了 D100、DP20、DPPt20的缸內(nèi)平均壓力和瞬時(shí)放熱率隨EGR率變化的關(guān)系。

圖3 三種燃料缸壓和放熱率隨EG R變化

缸內(nèi)平均壓力方面：從圖中可以看出，隨著EGR率的增大，三種燃料的缸內(nèi)平均壓力均呈現(xiàn)出下降趨勢，峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均呈現(xiàn)出向后移動(dòng)趨勢；瞬時(shí)放熱率方面：從圖中可以看出，隨著EGR率的增大，三種燃料的放熱始點(diǎn)對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均呈現(xiàn)出向后移動(dòng)趨勢，放熱速率變慢，瞬時(shí)放熱率峰值下降，峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均呈現(xiàn)出向后移動(dòng)趨勢。

主要原因是：一方面，增大EGR率，缸內(nèi)混合氣中的惰性氣體所占比重增大，對燃燒的阻礙作用更加明顯，從而減緩了燃燒速率；缸內(nèi)混合氣中廢氣比重增大導(dǎo)致三原子氣體（CO2和H2O）含量增加，引起混合氣的比熱容增大，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度下降；另一方面，隨著EGR率的增大，缸內(nèi)氧氣濃度下降，抑制了燃料的燃燒。兩方面的綜合作用，導(dǎo)致缸內(nèi)平均壓力和瞬時(shí)放熱率峰值下降，缸內(nèi)平均壓力峰值和瞬時(shí)放熱率峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角向后移動(dòng)以及放熱時(shí)刻延遲。

圖4是當(dāng)EGR為25%時(shí)三種燃料缸壓和放熱率對比圖。從圖中可以看出，與D100相比，DP20放熱始點(diǎn)提前，缸內(nèi)平均壓力峰值和放熱率峰值上升。這是因?yàn)椋虳100相比，PODE3-4有更高的十六烷值、揮發(fā)性和更好的可燃性[3]，DP20的十六烷值比D100大，可燃性得到改善，放熱始點(diǎn)提前，此時(shí)缸內(nèi)溫度較高，燃燒速率較大，引起缸內(nèi)壓力增大，放熱率峰值增大。

圖4 25%的EG R三種燃料缸壓和放熱率

在DP20中加入PODE3-4后，與DP20相比較，DPPt20的缸內(nèi)平均壓力峰值和放熱率峰值都高于DP20，放熱始點(diǎn)相對于DP20滯后。主要原因：DP20中加入正戊醇以后，由于正戊醇的十六烷值比柴油低[4]，蒸發(fā)潛熱比柴油大，所以導(dǎo)致著火時(shí)刻延遲，從而燃油與空氣混合的時(shí)間增加，形成更多的均勻混合氣，預(yù)混燃燒的比例得到增大，引起燃燒速率增大，導(dǎo)致放熱率峰值和缸內(nèi)平均壓力峰值增大。

4 結(jié)論

（1）提高EGR缸內(nèi)平均壓力均呈現(xiàn)出下降趨勢，峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角向后移，放熱速率變慢，瞬時(shí)放熱率峰值下降。

（2）增大EGR會使缸內(nèi)過量空氣系數(shù)減小，含氧量下降，過濃區(qū)域面積增大，燃燒溫度逐步降低。

（3）EGR固定，DP20對比純柴油，缸壓峰值和放熱率峰值有所上升；摻混正戊醇后的DPPt20，放熱始點(diǎn)滯后，著火時(shí)刻延遲。