12 L天然氣發(fā)動機專用廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的性能評價

【美】 R.MITCHELL M.KOCSIS

0 前言

無論是輕型車還是重型車市場，發(fā)動機制造商們都在不斷努力，以減少排放并提高發(fā)動機的效率。重型柴油機以其高效能在重型車市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。為了提高發(fā)動機燃油效率，用戶認可加裝昂貴的后處理系統(tǒng)。出于天然氣的普遍利用價值和減少溫室氣體排放的潛力，天然氣在重型柴油市場取代柴油燃料的趨勢越來越明顯。天然氣主要由甲烷組成，而甲烷具有較高氫碳比。在沒有甲烷泄漏的前提下，與柴油發(fā)動機相比，燃燒高氫碳比的燃料所產(chǎn)生的CO2相對較少，從而減少了溫室氣體的排放。

由于發(fā)動機爆燃的限制，與壓燃柴油發(fā)動機相比，火花點火發(fā)動機通常具有較低的制動熱效率(BTE)水平。天然氣具有較高的抗爆性，燃燒速率比較緩慢，這使得在火焰前鋒到達之前，天然氣有更多的時間來提高燃燒壓力。研究表明，通過改進燃燒相位，特別是對于汽油發(fā)動機，采用廢氣再循環(huán)(EGR)可以有效減少爆燃并提高燃燒效率[1-3]。該策略還可以用于天然氣發(fā)動機的爆燃抑制，以及控制氮氧化物(NOx)排放。美國西南研究院已經(jīng)確定增加EGR水平作為滿足未來效率要求的途徑之一。由于燃燒速率的降低和發(fā)動機在較高EGR率下的不穩(wěn)定性，EGR率一般限制在20%～30%左右[4]。通過向燃料中加入高活性組分，如H2和CO來重組燃料，燃燒過程顯示出更好的稀釋耐受性[5-6]。美國西南研究院通過引入專用D-EGR概念[7]，將其中1個氣缸用作重整器，天然氣燃料得到進一步應(yīng)用。在本研究中，將D-EGR概念應(yīng)用于重型天然氣發(fā)動機。初步研究表明，通過提高EGR率和減少爆燃傾向，天然氣燃料所帶來的潛在燃燒效率得到了改進。目前研究的目標是在基準發(fā)動機運行中平均提高10%的發(fā)動機燃燒效率。

1 試驗裝置

美國西南研究院采用康明斯-西港ISX-12G發(fā)動機用于試驗D-EGR在重型天然氣發(fā)動機上的燃燒優(yōu)勢?；鶞拾l(fā)動機是化學(xué)計量發(fā)動機，額定功率為238 kW。表1為基準發(fā)動機的參數(shù)規(guī)格。基準發(fā)動機采用高壓回路冷卻EGR和三元催化器，以滿足美國2010年道路排放法規(guī)。此前，通過對該基準發(fā)動機的研究表明，NOx排放量為0.02 g /(hp·h)①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。。研究人員在基準發(fā)動機的6個氣缸中各安裝1個Kistler 6045A氣缸壓力傳感器，并使用西南研究院開發(fā)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行分析，并將高速壓力數(shù)據(jù)同步到1 440o編碼器。

表1 康明斯-西港ISX 12G發(fā)動機參數(shù)規(guī)格

在試驗過程中，使用Horiba 5種氣體排氣分析儀測量CO2、CO、O2、總碳烴(THC)和NOx，在排氣流道或?qū)Ｓ脷飧字性黾恿说?個采樣口，以確定專用氣缸的濃縮程度。此外，裝有壓縮天然氣的掛車為發(fā)動機提供燃料。利用微型氣相色譜儀對天然氣組合物燃料的入口流量進行取樣，以確定燃料的能量含量和化學(xué)計量的空氣燃料比。取樣結(jié)果為84.2%甲烷、15%乙烷和微量丙烷(以摩爾百分比計)，甲烷值計算為72.7。

2 D-EGR轉(zhuǎn)換

先前已經(jīng)證明在輕型汽油發(fā)動機上利用D-EGR技術(shù)取得了很大成功[7]。在4缸輕型發(fā)動機應(yīng)用中，將4個氣缸中的1個作為專用氣缸。從專用氣缸中排出的所有廢氣都作為再循環(huán)的廢氣，標稱EGR率的結(jié)果是25%。該配置使得專用氣缸能夠在化學(xué)計量比以外的條件下運行，因為該氣缸的排氣不會影響發(fā)動機的排放。試驗證明，專用氣缸可以用濃混合氣運行，以便產(chǎn)生發(fā)動機機內(nèi)的再循環(huán)產(chǎn)物，同時達到與基準發(fā)動機幾乎相同的功率。對于重型發(fā)動機應(yīng)用，選擇2個專用氣缸供應(yīng)33%的標稱EGR率。如圖1所示，氣缸1和氣缸6被轉(zhuǎn)換成專用氣缸。這些氣缸各自裝備了寬域氧(UEGO)傳感器，用于控制專用氣缸中的當量比，并在渦輪增壓器中設(shè)置熱廢氣氧(HEGO)傳感器。在試驗過程中，通過EGR冷卻器收集來自2個氣缸的廢氣。在EGR冷卻器之后，設(shè)置2個閥來控制EGR和旁通流。在發(fā)動機起動期間，其中1個EGR閥完全關(guān)閉，而另1個EGR閥在三元催化器(TWC)之前完全打開通向排氣流。圖2為發(fā)動機EGR閥和混合器的發(fā)動機設(shè)置圖。

發(fā)動機起動后，EGR閥打開，旁通閥關(guān)閉，將排氣流引至混合器?；旌掀鞯淖饔檬谴_保來自專用氣缸的排氣脈沖不會導(dǎo)致進氣口中的EGR分布不均勻?；旌掀髟O(shè)計使得內(nèi)殼容積與外容積之比等于主缸容積與專用氣缸容積之比(圖3)。從外殼到內(nèi)殼的孔的總面積等于排氣口的總流動面積，以使專用氣缸的背壓最小化，并允許廢氣與新鮮充量混合。

圖1 6缸重型柴油機應(yīng)用的D-EGR配置示意圖

圖2 EGR閥位置和混合器的D-EGR發(fā)動機配置

圖3 D-EGR混合器和示意圖及實物

在基準發(fā)動機中使用1組天然氣噴射器，在進氣歧管內(nèi)控制擴散混合化學(xué)計量空燃比，并通過添加PFI噴射器將過量燃料供應(yīng)到專用氣缸。ISX 12G發(fā)動機有1個帶有連體進氣口的集成式進氣歧管(圖4)。氣缸1和氣缸6是專用氣缸，不共用進氣流道。此外，氣缸1和氣缸6還增加了噴射器端口末端的不銹鋼延長管，以最大限度地減少進入相鄰主缸的反向氣流。進氣道噴射(PFI)噴油器延長管和安裝位置如圖5所示。將燃料供應(yīng)到主噴射器組件，并以100 psi的供應(yīng)壓力切換到PFI噴射器。試驗采用Woodward發(fā)動機控制單元(ECU)用于D-EGR模式下的發(fā)動機控制?？刂破魇褂冒l(fā)動機出口UEGO傳感器為主噴射器組提供閉環(huán)控制，并保持化學(xué)計量比的發(fā)動機排放?？刂破髟试S單獨控制2個專用PFI噴射器，單獨控制每個氣缸的點火正時，以達到燃燒質(zhì)量比例為50%(CA50)特定燃燒相位的目標。

圖4 集成進氣歧管和氣缸蓋

圖5 PFI安裝位置和專用氣缸適配器

本研究使用了美國西南研究院的雙線圈偏置(DCO)點火系統(tǒng)。此外，試驗所提供的結(jié)果是基于基準渦輪增壓器而得出的。 對于D-EGR技術(shù)的應(yīng)用，因為通過渦輪增壓器的質(zhì)量流量減少了，因此改用尺寸較小的渦輪來提供增壓，以滿足原始扭矩曲線。在測試時，沒有安裝新的渦輪增壓器，使用基準渦輪增壓器的發(fā)動機無法運轉(zhuǎn)到基準最大扭矩點。渦輪增壓器前的壓力也相對偏高。在未來的試驗中可以通過優(yōu)化渦輪增壓器入口壓力來提升進氣效率。

3 試驗結(jié)果

在進行D-EGR技術(shù)試驗前，使用基準ECU收集數(shù)據(jù)?；鶞拾l(fā)動機的測試點超過70個，以生成完整的發(fā)動機邁譜圖。在這些點中選取連續(xù)測試循環(huán)(RMC)附加排放測試(SET)的13個測試點，用于D-EGR配置比較。這13個測試點及基準性能的最大扭矩和最高功率如表2所示，其中A、B和C是轉(zhuǎn)速設(shè)定值，數(shù)值為該轉(zhuǎn)速下的扭矩百分比?；鶞拾l(fā)動機在最大扭矩點持續(xù)運轉(zhuǎn)，選擇基準發(fā)動機的原有壓縮比，使燃燒相位延遲最小，并使發(fā)動機在最大扭矩點達到最佳燃燒效率。如圖6所示，在CA50相位點的曲軸轉(zhuǎn)角等高線圖和BTE等高線圖上可以觀察到額定扭矩點的最佳BTE值為37%。在最大制動扭矩(MBT)附近，保持燃燒相位，制動平均有效壓力(BMEP)高達1.3 MPa。在BMEP高于1.3 MPa的工況下，將燃燒相位延遲到CA50為16°CA ATDC，以避免爆燃現(xiàn)象的發(fā)生。

表2 基準發(fā)動機的性能

圖6 基準發(fā)動機的制動熱效率和燃燒定相

圖7示出了基準EGR率的等高線圖。EGR是用于減輕發(fā)動機爆燃的技術(shù)，發(fā)展方向是提高混合氣稀釋水平以滿足未來的熱效率標準?；鶞拾l(fā)動機在低負荷(EGR率為10%)和高負荷(EGR率為20%)之間運行，以滿足發(fā)動機熱效率要求。D-EGR發(fā)動機在整個工作范圍內(nèi)以33%的EGR運行，這表明在低負荷下需要大幅增加EGR率，而在高負荷下EGR率調(diào)整較小。試驗所呈現(xiàn)的EGR率僅產(chǎn)生于外部EGR，不包含缸內(nèi)殘余廢氣。

圖7 基準發(fā)動機EGR率

4 D-EGR

該項目的試驗?zāi)繕耸球炞C使用D-EGR技術(shù)的基準發(fā)動機相對效率可以提高10%。這是輕型汽油發(fā)動機在D-EGR技術(shù)應(yīng)用中獲得的熱效率改進?；鶞拾l(fā)動機和D-EGR技術(shù)轉(zhuǎn)換后的BTE結(jié)果比較如圖8所示。使用D-EGR技術(shù)的運行條件對應(yīng)于表2中的工況點。因為基準發(fā)動機不能用基準渦輪增壓器來滿足目標扭矩，因此在任何100%負荷點都沒有可比較的工況點。此外，在C點也未進行比較。33%的高EGR率導(dǎo)致燃燒速率減慢，并且需要提前點火正時，在C點最高轉(zhuǎn)速測試點，點火正時必須有所提前。通過燃燒穩(wěn)定性的表征指標表明，因為指示平均有效壓力(IMEP)的變異系數(shù)(CoV)太高而不能用于實際生產(chǎn)。因此，C點處的試驗結(jié)果未在圖8中示出。在圖8中，來自每個工況點的數(shù)據(jù)都采集于專用氣缸最高富集氧濃度，所有6個氣缸的CoV都小于5%。

圖8 基準發(fā)動機和D-EGR轉(zhuǎn)換的BTE比較

除B75工況點以外，應(yīng)用D-EGR技術(shù)的其他工況點的BTE都有所增加。最大的熱效率改善是在A25工況點，相對于基準發(fā)動機，BTE改善了11%。在通常情況下，較低負荷工況下的熱效率提高原因是EGR率的增加。在任何給定的負荷百分比下，A點上的熱效率增加要比B點的大。在較低發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機運行更穩(wěn)定，所以允許更大的富集氧濃度。

A75工況點是基準渦輪增壓器可以實現(xiàn)最大扭矩的工況點，并且是在重型天然氣發(fā)動機D-EGR測試早期開發(fā)階段中證明的最高熱效率工況點。A75工況點的EGR率從15%增加到33%，其中幾個關(guān)鍵燃燒指標如圖9所示。原始CA50位置為11oCA ATDC。增加的EGR率降低了爆燃強度，因此燃燒相位能夠提前到MBT工況點。通常，在汽油發(fā)動機上，專用氣缸的富集氧濃度改善了辛烷值，從而隨著富集氧濃度水平的增加而允許更大的CA50提前角。在這種情況下，即使沒有通過專用氣缸產(chǎn)生富集氧，基準燃燒相位也會處于MBT工況點。試驗無法確定專用氣缸富集氧濃度是否對燃料的甲烷含量有影響，改進燃燒相位也不能得到更多的益處。因此，可以認為大部分的熱效率增益是由于EGR率的增加，降低了燃燒溫度并降低了傳熱損失而獲得的。這表明利用D-EGR技術(shù)，可以提高壓縮比。專用氣缸再循環(huán)廢氣也可以加快燃燒速率，但從該測試中并未觀察到這一點，這是因為已燃燃料質(zhì)量分數(shù)(MFB)在10～90持續(xù)時間顯示的更高富集氧濃度僅帶來略微改善。ISX 12G發(fā)動機最初是針對柴油燃料而設(shè)計，后轉(zhuǎn)換為天然氣發(fā)動機，配備了碗形活塞，通過擠壓產(chǎn)生快速燃燒。富集氧濃度對燃燒速率缺乏影響意味著湍流在燃燒持續(xù)時間中占主導(dǎo)地位。新的活塞設(shè)計可以減少擠壓量，從而更好地利用再循環(huán)廢氣，同時減少熱傳遞損失。

在點火正時中可以觀察到專用氣缸富集氧濃度的唯一顯著效果。專用氣缸當量比(PHI)為1.34，主氣缸的點火正時延遲大約20°CA。盡管如此，MFB 0～10的持續(xù)時間僅縮短約3°CA。結(jié)論是只有MFB 0～2的持續(xù)時間受到再循環(huán)廢氣的顯著影響，并且在初始火焰核形成后，燃燒速率主要受湍流影響。值得注意的是，在基準配置中，該發(fā)動機顯示了氣缸之間IMEP的較大差異。首先，注意到單個氣缸的IMEP和累積放熱率之間存在差異。如上所述，擴散系統(tǒng)假定是遠離上游，使得進入的充量得以充分混合，并且也假定EGR系統(tǒng)設(shè)計正確。因此，分析上述差異假定是由氣缸之間的空氣分布變差導(dǎo)致的。排氣收集器偏移直接與氣缸4的排氣口一致，為非對稱結(jié)構(gòu)。氣流的變化導(dǎo)致不同的氣缸在CA50相位時的點火時間不同，這也導(dǎo)致了部分氣缸比其他氣缸更早地達到穩(wěn)定極限。

圖9 CA50、MFB 0-10、MFB 10-90和A75專用氣缸富集掃描的點火正時

如EGR率基準圖顯示，高負載EGR的耐受性比低負載的更為優(yōu)越。D-EGR在整個操作范圍內(nèi)具有恒定的EGR率，導(dǎo)致在低負載狀態(tài)下燃燒不穩(wěn)定。這一點通過降低專用氣缸富集氧濃度可以觀察到。在A75工況點，專用氣缸最大PHI為1.34，但在A25工況點，專用氣缸最大穩(wěn)定PHI為1.07。對于A25工況點的情況，主要燃燒參數(shù)如圖10所示。與A75工況點類似，效率并沒有因燃燒相位的改進而提高，基準發(fā)動機和應(yīng)用D-EGR發(fā)動機的CA50均為MBT正時。BTE隨著EGR率的大幅增加而得到改善。對于MFB 0～10和MFB 10～90的持續(xù)時間，再循環(huán)廢氣所產(chǎn)生的影響最小。隨著專用氣缸富集氧濃度增加，點火正時發(fā)生很大變化。更多的富集氧濃度使得點火正時能夠延遲15～20°CA。

圖10 CA50、MFB 10～90、MFB 0～10和A25專用氣缸富集區(qū)掃描的點火正時

如圖11所示，B25工況點測試的專用氣缸PHI為1.21，其他所有氣缸PHI僅穩(wěn)定在1.07。在A75高度增壓工況點，所有氣缸PHI都穩(wěn)定在1.34。當PHI達到1.4時，失火問題變得明顯，專用氣缸PHI達到了富集氧極限，發(fā)生完全失火，導(dǎo)致發(fā)動機無法保持正常運轉(zhuǎn)。失火問題沒有顯示出典型的CoV發(fā)展趨勢，而在其他3個條件下顯示出了指數(shù)趨勢。

C25工況點案例也顯示出與大多數(shù)其他條件不同的結(jié)果?；鶞拾l(fā)動機所有6個氣缸都處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)，但隨著富集氧水平的增加，主缸的穩(wěn)定性提高到生產(chǎn)預(yù)期水平。這清楚地表明，采用D-EGR技術(shù)能夠增加發(fā)動機的容差能力。然而，專用氣缸會逐步變得不穩(wěn)定，沒有辦法可以保證所有6個氣缸都保持穩(wěn)定，這是BTE無法在C工況點進行比較的原因。

圖11 用于A75、A25、B25和C25工況點的D-EGR測試條件

測試結(jié)果的另一個重要結(jié)論是主氣缸能夠穩(wěn)定運行33%的EGR率。專用氣缸的穩(wěn)定性始終是提高EGR率的主要限制因素。提高EGR容差的關(guān)鍵是點火系統(tǒng)，正在進行新的點火系統(tǒng)能力測試比較，以提高專用氣缸的穩(wěn)定性。在穩(wěn)定極限工況內(nèi)，所有6個氣缸測試的工況點都顯示出較好狀態(tài)。幾乎所有的測試點都表明，BTE比基準發(fā)動機提高約11%。初步試驗結(jié)果表明，該研究還有很大的優(yōu)化改進空間。首先，由于渦輪機的質(zhì)量流量減小，可以選擇合適的渦輪增壓器的尺寸，以最小化主氣缸背壓。其次，A75工況點或B75工況點都不受爆燃限制，為了最大化效率增益，D-EGR發(fā)動機可以增加壓縮比。EGR率的增加降低了爆燃傾向，從而允許增加壓縮比，并且提高理想奧托循環(huán)效率。最后，使用基準活塞和燃燒室設(shè)計并未完全實現(xiàn)D-EGR的優(yōu)勢。無論專用氣缸產(chǎn)生多少再循環(huán)廢氣，高擠壓活塞都能實現(xiàn)快速燃燒。優(yōu)化后的活塞設(shè)計可提高壓縮比，同時降低表面積與體積比。這將減少傳熱損失，并讓再循環(huán)廢氣取代湍流來控制燃燒速率。未來計劃測試研究新型高壓縮比活塞、新渦輪增壓器和各種點火系統(tǒng)。

5 結(jié)論

直列6缸12 L天然氣發(fā)動機通過2個專用氣缸轉(zhuǎn)換為D-EGR運行。轉(zhuǎn)換包括調(diào)整排氣歧管，增加1個D-EGR混合器和PFI噴射器用來為專用氣缸富集氧濃度。D-EGR發(fā)動機使用美國西南研究院的DCO點火系統(tǒng)進行測試，同時對專用氣缸富集氧濃度進行掃描。初始測試使用基準渦輪增壓器和活塞設(shè)計。在轉(zhuǎn)換為D-EGR之前，使用基準ECU測試基準發(fā)動機的性能。在RMC SET的13個工況點上比較基準發(fā)動機和D-EGR配置發(fā)動機。試驗得出以下結(jié)果：(1)D-EGR轉(zhuǎn)換能夠在低中速運行33%的EGR率。與基準發(fā)動機相比，高EGR率可以改善高達11%的制動熱效率。(2)進一步增強性能會受到專用氣缸的限制。需要采用新的點火系統(tǒng)來增加天然氣D-EGR發(fā)動機性能，尤其在高速工況點。(3)專用氣缸的富集氧濃度改善了早期火焰核的形成。隨著富集氧濃度的增加，點火時間可以延遲，但對MFB 0～10和MFB 10～90持續(xù)時間的影響最小?？梢詼p少活塞擠壓氣流，以使富集氧濃度的效果在燃燒速率上變得更加明顯。(4)基準渦輪增壓器達不到爆燃限制條件，可以適當增加壓縮比。

該研究結(jié)果顯示了天然氣發(fā)動機運行D-EGR的前景，未來需要在一些領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)展該技術(shù)。GT Power模型將根據(jù)基準數(shù)據(jù)進行校準，并更新模擬D-EGR配置。在爆燃受限條件下，采取一些基準點來調(diào)整爆燃模型。根據(jù)該爆燃模型預(yù)測，在最大扭矩點處的壓縮比可能增加1.0～1.5。某些單缸燃燒CFD模擬已被用于1種新型活塞，該活塞設(shè)計將提高壓縮比，降低擠壓氣流和表面積，從而減少傳熱損失。研究人員將測試新活塞，以確定是否確實存在更多潛在的熱效率優(yōu)勢。此外，將測試確定是否有任何新的點火系統(tǒng)能夠延長混合氣稀釋或濃縮限制，并使D-EGR配置的發(fā)動機具備更好的性能。