排氣再循環(huán)對(duì)燃用含氧燃料柴油機(jī)性能影響研究*

王偉超 韓繼光 蔣超宇 單福磊 高勝松

（1-云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 云南 昆明 650201 2-云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院3-沈陽(yáng)理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院）

引言

在環(huán)境問(wèn)題和能源危機(jī)背景下，世界各國(guó)的科研機(jī)構(gòu)都在積極開發(fā)代用燃料。將生物柴油、乙醇和柴油按一定比例配制成的含氧燃料，與柴油的理化特性相似，可以直接在柴油機(jī)上應(yīng)用[1]。

排氣再循環(huán)技術(shù)可以有效地降低柴油機(jī)NO x排放[2-3]。為了綜合研究含氧燃料和排氣再循環(huán)技術(shù)之間的相互影響機(jī)制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在此方面進(jìn)行了諸多研究。研究結(jié)果表明：排氣再循環(huán)技術(shù)與含氧燃料技術(shù)相結(jié)合，可以同時(shí)降低顆粒物和NO x排放[4-6]；當(dāng)不改變發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和電控參數(shù)時(shí)，與燃用純柴油相比，燃用含氧燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性有所下降，經(jīng)濟(jì)性得到改善，碳煙排放量降低[7]。

在高原環(huán)境下，氣壓降低和空氣密度減小，使發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力降低，進(jìn)氣量減少，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、可靠性以及排放情況都受到影響。研究結(jié)果表明，運(yùn)行在高原地區(qū)的增壓柴油機(jī)，采用排氣再循環(huán)技術(shù)后，在柴油機(jī)的各個(gè)負(fù)荷區(qū)域，排氣再循環(huán)率對(duì)排氣中煙度均有較大影響。而且采用排氣再循環(huán)會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行在不同海拔下的增壓柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性以及煙度排放存在差異[8-9]。

綜合分析已有的研究成果，含氧燃料結(jié)合排氣再循環(huán)技術(shù)具有改善柴油機(jī)高原環(huán)境排放情況的潛力，但這方面的研究卻不多。實(shí)驗(yàn)使用滿足國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)，在柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上，通過(guò)對(duì)進(jìn)排氣壓力的控制，研究了高原環(huán)境和模擬平原環(huán)境下，排氣再循環(huán)技術(shù)對(duì)燃用含氧燃料柴油機(jī)性能的影響[9]。研究結(jié)果是對(duì)解決柴油機(jī)在高原地區(qū)運(yùn)行時(shí)的排放難題的積極探索，也對(duì)含氧燃料和排氣再循環(huán)技術(shù)

在高原地區(qū)的應(yīng)用有一定的參考意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為某型車用增壓中冷柴油機(jī)，其主要性能參數(shù)如表1所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用中冷EGR系統(tǒng)，滿足國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試設(shè)備包括AVL2SD3-25交流電力測(cè)功機(jī)、AVL燃燒分析儀、AVL415S煙度計(jì)、MEXA-7500DEGR廢氣分析儀等。

表1 試驗(yàn)用機(jī)型的主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)用含氧燃料由0號(hào)柴油、生物柴油和濃度99.5%的無(wú)水乙醇按一定比例配制而成，主要理化特性如表2所示。

表2 燃料主要理化特性

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)環(huán)境為高原環(huán)境，大氣壓力81 kPa，環(huán)境溫度25℃；模擬平原的環(huán)境壓力為100 kPa。在試驗(yàn)中未對(duì)柴油機(jī)做任何改動(dòng)，沒有對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)做大氣修正。在高原環(huán)境和模擬平原環(huán)境下，研究排氣再循環(huán)系統(tǒng)對(duì)含氧燃料對(duì)柴油機(jī)性能的影響。

1.4 EGR系統(tǒng)

本試驗(yàn)采用高壓回路EGR系統(tǒng)，廢氣從渦輪前的排氣管引出，經(jīng)過(guò)EGR冷卻器和EGR閥與壓縮后的混合氣一起進(jìn)入氣缸。通過(guò)調(diào)節(jié)EGR閥的開度來(lái)控制EGR率。

圖1為EGR系統(tǒng)示意圖。EGR率的計(jì)算公式如下：

式中：（CO2）in為新鮮空氣與EGR廢氣混合后的進(jìn)氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)，（CO2）ex為排氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)。

圖1 EGR系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 排氣再循環(huán)系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響

圖2是開啟EGR閥前后的外特性對(duì)比圖?？梢?，81 kPa下開啟EGR后，與原機(jī)（關(guān)閉EGR）相比，低轉(zhuǎn)速時(shí)動(dòng)力性沒有明顯下降，中間轉(zhuǎn)速降幅最大，達(dá)到16.5%，隨轉(zhuǎn)速升高降幅有所減少；100 kPa下，低轉(zhuǎn)速時(shí)動(dòng)力性下降的幅度較81kPa時(shí)大，中間轉(zhuǎn)速降幅最大，達(dá)到18.5%，高轉(zhuǎn)速時(shí)，動(dòng)力性降幅也比81 kPa時(shí)大。分析認(rèn)為：低轉(zhuǎn)速時(shí)，柴油機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)較大，開啟EGR對(duì)動(dòng)力性影響不大，隨轉(zhuǎn)速上升，過(guò)量空氣系數(shù)減小，開啟EGR后，參與燃燒的新鮮空氣變少，動(dòng)力性下降。81 kPa下，進(jìn)氣壓力較低同時(shí)向缸內(nèi)引入廢氣，使參與燃燒的氧氣量較100 kPa時(shí)少，含氧燃料由于其自身含氧，明顯改善了缸內(nèi)燃燒，使動(dòng)力性下降幅度較100 kPa時(shí)小。

圖2 不同EGR率的外特性對(duì)比圖

圖3是2 200 r/min的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比曲線?？梢钥闯觯篍GR系統(tǒng)與環(huán)境壓力對(duì)柴油機(jī)有效燃油消耗率的影響較小。分析認(rèn)為：試驗(yàn)工況為中高轉(zhuǎn)速，不同負(fù)荷率，過(guò)量空氣系數(shù)適中，而且含氧燃料由于自身含氧，可以改善燃燒，所以有效燃油消耗率曲線沒有明顯變化。

圖3 不同EGR率的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比圖

2.2 EGR對(duì)不同大氣壓力下柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程分析

對(duì)于缸內(nèi)燃燒過(guò)程的分析，試驗(yàn)工況均為2 200 r/min，25%負(fù)荷。圖4是不同大氣壓力下的缸內(nèi)壓力變化曲線。可以看出，100 kPa下的氣缸壓力比81 kPa時(shí)高，EGR率增大后，氣缸壓力變小。最高氣缸壓力對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角無(wú)明顯變化。分析認(rèn)為：開啟EGR后，缸內(nèi)的新鮮空氣量減少，導(dǎo)致燃燒緩慢，燃燒壓力下降。

圖4 缸內(nèi)壓力變化曲線

圖5是不同大氣壓力下的燃燒瞬時(shí)放熱率變化曲線，由于有預(yù)噴射，所以瞬時(shí)放熱率曲線有兩個(gè)峰值。81 kPa下，與原機(jī)相比，開啟EGR后，始燃點(diǎn)有所推遲，峰值放熱率降低，100 kPa下的變化規(guī)律與81 kPa下的變化規(guī)律相同。綜合分析認(rèn)為，增加EGR率后，缸內(nèi)惰性氣體增加，氧氣濃度減少，含氧燃料自身含氧可以增加缸內(nèi)氧原子濃度，綜合作用使始燃點(diǎn)有所推遲，峰值放熱率降低幅度較小[10-12]。

圖5 瞬時(shí)放熱率變化曲線

2.3 EGR對(duì)不同大氣壓力下柴油機(jī)排放特性的影響

對(duì)于柴油機(jī)排放特性的分析，試驗(yàn)工況為2 200 r/min下的不同負(fù)荷。圖6是EGR系統(tǒng)對(duì)不同大氣壓力下NOx排放直方圖影響?？梢钥闯觯_啟EGR后，隨負(fù)荷增加NOx排放量減少的幅度變大。分析認(rèn)為，雖然含氧燃料自身含氧，增加了缸內(nèi)氧原子的濃度，但開啟EGR后，由于廢氣中的水蒸氣和CO2的比熱容較大，降低了缸內(nèi)最高燃燒溫度，破壞了NOx的生成條件，所以開啟EGR后NOx排放量減少，當(dāng)負(fù)荷率增大時(shí)，噴油量增加、過(guò)量空氣系數(shù)減小，開啟EGR后，從轉(zhuǎn)矩下降的幅度也可看出燃燒嚴(yán)重惡化，不滿足生成NOx的條件。

圖6 2 200 r/min負(fù)荷特性NOx排放

圖7是EGR系統(tǒng)對(duì)不同大氣壓力下碳煙排放影響的直方圖，可以看出在中小負(fù)荷時(shí)，增加EGR率后碳煙無(wú)明顯增加，在100%負(fù)荷時(shí)，碳煙排放明顯惡化。分析認(rèn)為：在中小負(fù)荷，由于含氧燃料在一定程度上解決了開啟EGR后過(guò)量空氣系數(shù)下降的問(wèn)題，使燃燒不至于惡化，碳煙排放無(wú)明顯上升。在100%負(fù)荷時(shí)，由于噴油量增加，所需要的氧氣量增加，含氧燃料所提供的氧原子不能滿足燃燒需求，因此碳煙排放明顯增加。

圖7 2 200 r/min負(fù)荷特性碳煙排放

3 結(jié)論

1）在外特性工況下，采用排氣再循環(huán)后，轉(zhuǎn)矩較原機(jī)有所下降，100 kPa比81 kPa的降低幅度大，隨著轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)矩降低幅度增加。

2）2 200 r/min的不同負(fù)荷下，排氣再循環(huán)系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性無(wú)顯著影響。

3）采用排氣再循環(huán)后，81 kPa時(shí)缸內(nèi)燃燒壓力下降，100 kPa下的變化趨勢(shì)與81 kPa時(shí)相同；放熱始點(diǎn)有所提前，瞬時(shí)放熱率峰值下降，8 1kPa時(shí)與100 kPa時(shí)的下降幅度基本一致。

4）采用排氣再循環(huán)后，NOx排放量降低，降低的幅度隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加而增大，81 kPa時(shí)和100 kPa時(shí)的變化趨勢(shì)基本一致；在部分負(fù)荷下，碳煙排放沒有明顯增加，在全負(fù)荷時(shí)，碳煙排放惡化，81 kPa下碳煙排放量高于100 kPa下的碳煙排放量。