EGR率對混合燃料燃燒與排放特性的影響研究

唐盛世，李壯，朱召軍，黃榮，潘明章，黃豪中*

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

0 引言

柴油機(jī)具有扭矩大、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，在工程機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，同時(shí)降低Soot和NOx排放對柴油機(jī)是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，研究學(xué)者提出了許多先進(jìn)的燃燒技術(shù)：低溫燃燒(LTC)[1]技術(shù)、均質(zhì)壓燃(HCCI)[2]技術(shù)、預(yù)混充量壓燃(PCCI)[3]技術(shù)等。其中LTC較容易實(shí)現(xiàn)，并且在平衡NOx和Soot排放方面具有巨大潛力。利用廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)實(shí)現(xiàn)低溫燃燒是目前普遍采用的手段，在降低Soot和NOx方面表現(xiàn)其良好的優(yōu)勢[4]。

隨著節(jié)能環(huán)保意識的提高，人們越來越關(guān)注可再生清潔替代燃料的開發(fā)。在柴油中添加含氧燃料，可以改善缸內(nèi)燃燒，降低Soot排放，同時(shí)不會造成NOx排放大幅增加。常用的含氧燃料有醇類、醚類、脂類[5]等。聚甲氧基二甲醚(polyoxymethylene dimethyl ethers，PODEn)是一種高含氧醚類燃料(含氧量為48.3 %)，具有揮發(fā)性好、十六烷值高等特點(diǎn)。LI等[6]研究發(fā)現(xiàn),在柴油中添加PODE后，噴霧貫穿距縮短，液滴直徑均勻度好，混合燃料的霧化特性得到改善。WANG等[7]研究發(fā)現(xiàn)，PODEn可以實(shí)現(xiàn)較低的Soot排放。LIU等[8]、TONG等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在柴油和汽油中添加PODE3-4可以減少Soot排放，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率和熱效率。

正戊醇能量密度相對較高，與柴油互溶性好，在所有的醇類中，是最具潛力的添加劑。近年來，許多學(xué)者對其展開了研究。RAIESH[10]等研究發(fā)現(xiàn)正戊醇和柴油混合燃料可以同時(shí)有效降低Soot和NOx排放，清華大學(xué)李莉等[11]，也得到了類似結(jié)論。CAMPOS等[12]研究發(fā)現(xiàn)低摻混比的正戊醇和柴油混合燃料與純柴油的有效燃油消耗率相當(dāng)。Wei等[13]研究發(fā)現(xiàn)正戊醇和柴油混合燃料可有效降低排放中的總顆粒物濃度。

綜上所述，采用EGR技術(shù)實(shí)現(xiàn)低溫燃燒可以降低柴油機(jī)NOx排放，在柴油中添加PODE、正戊醇含氧燃料，即可降低Soot和NOx的排放。因此，在一臺四缸柴油機(jī)上進(jìn)行不同EGR率下正戊醇/PODE3-4/柴油混合燃料的試驗(yàn)研究，以期更深入理解EGR率和正戊醇/PODE3-4添加劑對柴油機(jī)燃燒和排放特性的影響。

1 試驗(yàn)裝置與方案

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在一臺排量為2.17 L的4缸渦輪增壓柴油機(jī)上進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)見表1。試驗(yàn)臺架由發(fā)動(dòng)機(jī)、測功機(jī)、排放分析儀等設(shè)備組成，圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)臺架示意圖。通過INCA軟件控制改變EGR閥和可變截面的渦輪增壓器(VGT)喉口的開度，來調(diào)節(jié)EGR率。試驗(yàn)使用AVL公司的415SE煙度計(jì)和HORIBA公司的MEXA—7100DEGR排放分析儀分別來測量碳煙及其他排放。此外，還使用了CAMBUSTION公司的DMS500MKII快速響應(yīng)顆粒分析儀對顆粒物的排放進(jìn)行測量分析。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

1.油箱；2.燃油濾清器；3.油耗儀；4.高壓油泵；5.空氣流量計(jì)；6.渦輪增壓；7.進(jìn)氣中冷器；8.EGR閥；9.EGR中冷器；10.高壓共軌管；11.ECU；12.ECU控制臺；13.電渦流測功機(jī)；14.控制柜；15.發(fā)動(dòng)機(jī)；16.角標(biāo)儀；17.燃燒分析儀；18.排放分析儀；19.快速響應(yīng)顆粒分析儀；20.煙度計(jì)；21.背壓閥

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺架示意圖

Fig.1 Engine test bench schematic

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)研究了中等負(fù)荷(BMEP為0.8 MPa)工況下，不同EGR率(5 %、10 %、15 %、20 %、25 %)的三種燃料(D100、DP20、DPPt20)對柴油機(jī)的燃燒和排放特性的影響。試驗(yàn)三種燃料分別為：純柴油(記為D100)、體積比為80 %的D100和20 %的PODE3-4摻混(記為DP20)、體積比為80 %的DP20和20 %的正戊醇摻混(記為DPPt20)。燃料在試驗(yàn)前配制好，確保攪拌均勻，沒有分層現(xiàn)象。表2為三種基本燃料(正戊醇、柴油和PODE3-4)的理化性質(zhì)，表3給出了三種試驗(yàn)燃料的十六烷值、氧含量等參數(shù)。

表2 基本燃料組分的理化性質(zhì)

表3 試驗(yàn)燃料主要性質(zhì)的比較

在試驗(yàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在1 600 r/min；BMEP恒定為0.8 MPa；噴油時(shí)刻為上止點(diǎn)前(BTDC)3 ℃A；噴油壓力為120 MPa，具體參數(shù)如表4所示。為減少實(shí)驗(yàn)誤差，每個(gè)工作點(diǎn)的試驗(yàn)重復(fù)三次，取平均值。

表4 試驗(yàn)固定參數(shù)表

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 EGR率對混合燃料燃燒特性的影響

圖2分別比較了不同EGR率(5 %、15 %、25 %)下三種燃料的缸壓和放熱率曲線。與純柴油相比，添加PODE3-4的DP20放熱率峰值增大，放熱始點(diǎn)提前，并且隨著EGR率的增加，這種趨勢越明顯。這是因?yàn)镻ODE3-4具有揮發(fā)性好、十六烷值高的特點(diǎn)，所以燃油霧化蒸發(fā)好，形成的混合氣均勻，滯燃期短，燃燒放熱速率快。由于正戊醇的十六烷值低，蒸發(fā)潛熱大，使得添加正戊醇后的DPPt20滯燃期延長，預(yù)混燃燒比例增加，因此，其放熱率峰值和缸壓大于DP20。

(a)EGR率5 %

(c)EGR率25 %

圖3分別比較了三種燃料在不同EGR率下的缸壓和放熱率曲線。隨著EGR率的增大，三種燃料的放熱始點(diǎn)延遲，并且放熱率峰值和缸壓均呈下降趨勢。EGR率增加，進(jìn)入氣缸的廢氣量增多，惰性氣體含量增加，氣缸中的氧濃度降低，阻礙了正常的燃燒，減緩了燃燒放熱速率；同時(shí)氣缸內(nèi)三原子氣體(CO2和H2O)含量增加，比熱容增大，氣缸平均壓力和溫度增長變緩(如圖3、圖4所示)。

(a)D100

(b)DP20

(c)DPPt20

(a)D100

(b)DP20

(c)DPPt20

圖5比較了三種燃料不同EGR率下的熱效率。圖6給出了不同EGR率下的燃燒重心(CA50),即燃燒累積放熱量為50 %時(shí)所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。由圖5可知，隨著EGR率的增加，三種燃料的熱效率降低。這是因?yàn)镋GR率增加，氣缸內(nèi)惰性氣體含量增多，氧濃度降低，阻礙了燃燒放熱過程，氣缸的燃燒溫度降低，降低了燃燒效率。從圖上還可以看出DP20的熱效率最高，其次是DPPt20。在柴油中添加PODE3-4后，熱效率提高。這是因?yàn)?，一方面，PODE3-4的揮發(fā)性好、含氧量高，所以形成的混合氣質(zhì)量高，燃燒更充分；另一方面，PODE3-4的十六烷值高，滯燃期短，燃燒重心靠近上止點(diǎn)(如圖6所示)，膨脹做功能力強(qiáng)。但是，在DP20加入正戊醇后，熱效率略微降低。這是由于正戊醇的十六烷值低，蒸發(fā)潛熱大，使得滯燃期延長，燃燒重心比DP20靠后，膨脹做功效率降低，導(dǎo)致了熱效率的降低。

圖5 不同EGR率下熱效率

Fig.5 Thermal efficiency under different EGR rate

圖6 不同EGR率下的燃燒重心

Fig.6 CA50 at varied EGR rates

2.2 EGR率對混合燃料排放特性的影響

圖7給出了三種燃料在不同EGR率下NOx、Soot、CO和HC排放對比圖。隨著EGR率的增加，三種燃料的NOx排放顯著降低(如圖7a所示)，而Soot、CO和HC排放增加(如圖7b、c、d所示)，EGR率大于15 %時(shí)這種趨勢更為明顯。由于增大EGR率，缸內(nèi)的過量空氣系數(shù)變小，含氧量下降，燃燒溫度降低，低溫燃燒抑制了NOx的形成，所以NOx的排放降低；在低EGR率下，氣缸內(nèi)過量空氣系數(shù)還相對較大，氧氣含量充足，Soot、CO和HC排放增加不明顯；在較高的EGR率下，氣缸內(nèi)氧氣不足，惡化了燃燒，CO、HC和Soot排放顯著增加。

(a)NOx排放

(c)CO排放

(d)HC排放

圖7 不同EGR率下三種燃料的主要排放物

Fig.7 Major emissions of three fuels at varied EGR rates

圖8 不同EGR率下三種燃料的總顆粒物質(zhì)量濃度

在相同EGR率下，三種燃料NOx排放相差不大；在柴油中添加PODE3-4后，DP20的Soot、CO和HC排放低于柴油。這是由于PODE3-4揮發(fā)性好，形成的混合氣均勻；另外，PODE3-4高含氧量，有助于Soot前驅(qū)物的氧化，所以DP20的Soot排放比柴油低。DPPt20的Soot排放比DP20低。這是因?yàn)檎齑紴楹醮碱惾剂?，使得DPPt20的含氧量進(jìn)一步提高。此外，DPPt20滯燃期比DP20延長，預(yù)混燃燒比例增加，氣缸內(nèi)燃燒溫度和壓力增大，促進(jìn)了Soot、CO和HC的氧化。

圖8給出了不同EGR率下三種燃料的總顆粒物質(zhì)量濃度。增大EGR率，三種燃料的總顆粒物質(zhì)量濃度均增大。由圖8分析可知，在低EGR率下，由于氣缸含氧量和溫度相對較高，抑制了Soot的向大顆粒的聚集態(tài)轉(zhuǎn)化，顆粒物主要為核態(tài)；在較高的EGR率下，氣缸局部過濃區(qū)域增加，缸內(nèi)燃燒溫度較低，抑制了顆粒物的氧化，顆粒物主要為聚集態(tài)的大顆粒，使得大EGR率下總顆粒物質(zhì)量濃度迅速增長。在同一EGR率下，柴油的總顆粒物質(zhì)量濃度最大。在柴油中添加PODE3-4后，DP20的總顆粒物質(zhì)量濃度降低。由于PODE3-4具有高十六烷值和含氧量，燃燒溫度高，有利于顆粒物的氧化。在DP20中添加正戊醇后，DPPt20的總顆粒物質(zhì)量濃度更低。這是因?yàn)?，在DP20中添加正戊醇，DPPt20的含氧量進(jìn)一步增大，促進(jìn)了顆粒物的氧化，總顆粒物質(zhì)量濃度降低。

3 結(jié)論

通過對三種燃料(D100、DP20、DPPt20)不同EGR率(5 %、10 %、15 %和20 %)下低溫燃燒對中等負(fù)荷柴油機(jī)燃燒和排放特性的影響研究。主要得出以下結(jié)論：

① 在相同EGR率下，DPPt20的缸壓和放熱率峰值最大，其次是DP20，D100的最低。在D100中添加PODE3-4滯燃期縮短，著火提前，熱效率最高。在DP20中加入正戊醇后，滯燃期延長，熱效率略微降低；增大EGR率，三種燃料的缸壓和放熱率峰值均呈下降趨勢，滯燃期延長，熱效率降低。

② 當(dāng)EGR率較低時(shí)，隨著EGR率的增加，Soot、CO、HC排放緩慢增加，而NOx排放急劇降低；EGR率較高時(shí)，隨著EGR率的增加，Soot、CO、HC排放迅速增加。在相同EGR率下，三種燃料NOx排放相差不大；而DPPt20的Soot、CO、HC排放最低，其次為DP20，D100的最高。

③ 隨著EGR率的增加，三種燃料的總顆粒物質(zhì)量濃度上升；EGR率較高時(shí)，隨著EGR率的增加，總顆粒物質(zhì)量濃度迅速增加。與D100相比，DPPt20的總顆粒物質(zhì)量濃度排放更低。