EGR和稀燃對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放特性的影響

孟雨航,孫楠楠,張明澤,賈德民,張海燕,朱建軍

(1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,山西 太原 030024;2.濰柴動(dòng)力股份有限公司,山東 濰坊 261061)

在世界范圍內(nèi),隨著汽車(chē)保有量的飛速增長(zhǎng),化石能源消耗不斷增加并引發(fā)了一系列環(huán)境問(wèn)題,因此有必要避免高度依賴(lài)化石燃料作為交通運(yùn)輸?shù)闹饕茉?此外,在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)內(nèi)燃機(jī)作為汽車(chē)動(dòng)力仍占據(jù)支配地位[1],開(kāi)發(fā)利用替代燃料及高效燃燒技術(shù)是發(fā)展趨勢(shì)。甲醇由于其高辛烷值和汽化潛熱而具有優(yōu)異的燃燒和排放特性[2-3],易于合成和廣泛的原料來(lái)源使其成為了長(zhǎng)期廣泛替代石油基燃料的最佳選擇之一[4-5],對(duì)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要的意義。

相較于價(jià)格昂貴且技術(shù)較為復(fù)雜的選擇性催化還原(SCR)+氧化催化器(DOC)的技術(shù)路線,當(dāng)量燃燒+三效催化轉(zhuǎn)換器(TWC)的技術(shù)方案由于可以獲得更經(jīng)濟(jì)的減排效益而被廣泛應(yīng)用。但當(dāng)量燃燒的廢氣溫度較高,尤其是本研究的大功率甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于長(zhǎng)途行駛的重型貨車(chē)和牽引車(chē),所以發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷耐久性問(wèn)題尤為重要。對(duì)于當(dāng)量燃燒熱負(fù)荷耐久性和熱效率較低的問(wèn)題,EGR能夠?qū)Υ诉M(jìn)行很好的改善。李小平等[6]以一臺(tái)基于柴油機(jī)改制的進(jìn)氣道噴射點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象,研究了推遲點(diǎn)火、廢氣再循環(huán)(EGR)及過(guò)稀混合氣3種策略對(duì)稀燃甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和NOx排放的影響。結(jié)果表明:EGR策略有相對(duì)較佳的甲醇消耗率be-NOx折中關(guān)系,在保證甲醇消耗率變化不大的情況下,可實(shí)現(xiàn)NOx接近零排放。

稀薄燃燒可以同時(shí)獲得更高的熱效率、更長(zhǎng)的耐久性和較低的NOx排放,但燃燒穩(wěn)定性比當(dāng)量燃燒差。Xingbo Yuan等[7]在一臺(tái)4缸稀燃汽油機(jī)上進(jìn)行了不同空燃比的試驗(yàn)研究,結(jié)果表明:稀燃提高了燃料經(jīng)濟(jì)性并降低了HC和CO排放,然而過(guò)量的氧氣和較高的燃燒溫度顯著地增加了NOx排放。在稀燃模式下,三效催化轉(zhuǎn)換器(TWC)不能有效地去除富氧廢氣中的NOx排放。因此,在不使用昂貴的后處理系統(tǒng)的情況下,僅使用稀燃很難滿足NOx的排放法規(guī)[8]。

目前,關(guān)于稀燃和EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響研究雖然較為詳細(xì),但僅限于單獨(dú)研究,沒(méi)有將它們進(jìn)行相互比較,哪種稀釋方案在提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能方面更為優(yōu)越,目前還沒(méi)有很完善的結(jié)論。有些研究人員對(duì)此進(jìn)行了一些研究。Park等[9]對(duì)一臺(tái)6缸H2-混合型壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了兩種稀釋策略的研究,結(jié)果表明:與稀薄燃燒相比,EGR燃燒熱效率較低;隨著稀釋率的增加NOx排放下降速度減慢,在稀燃條件下,NOx排放最低。Lee等[10]對(duì)一臺(tái)LCG自然吸氣式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:在低稀釋率條件下,EGR和稀薄燃燒放熱規(guī)律相似,但在高稀釋率下稀薄燃燒的放熱強(qiáng)度和放熱峰值更高。趙立峰等[11]通過(guò)一臺(tái)渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)研究發(fā)現(xiàn),化學(xué)計(jì)量比混合氣下EGR對(duì)燃燒持續(xù)期和循環(huán)變動(dòng)率的影響比過(guò)量空氣稀釋更為顯著,復(fù)合稀釋熱效率與過(guò)量空氣稀釋條件下的熱效率接近,NOx排放大幅度降低。

然而目前在此研究方向上,關(guān)于甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR和稀薄燃燒策略比較還沒(méi)有進(jìn)行深入的研究。因此,本試驗(yàn)基于一臺(tái)大功率M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī),在相同稀釋率下比較了兩種稀釋策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響,并在此基礎(chǔ)上研究EGR和過(guò)量空氣復(fù)合稀釋相較于單獨(dú)稀釋的優(yōu)劣。在使用稀釋策略來(lái)降低NOx排放的同時(shí),仍然使得甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)保持相當(dāng)?shù)膭?dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

在本次試驗(yàn)中,以一臺(tái)點(diǎn)燃式大功率M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象,其主要應(yīng)用于49 t及以上的重型卡車(chē)及牽引車(chē)上,發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

1.2 臺(tái)架布置及試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)臺(tái)架布置如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)與電力測(cè)功機(jī)(誠(chéng)邦DL435)相連接,用來(lái)調(diào)整每組試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量和油耗量分別由空氣流量計(jì)(上海同圓ToCeiL-20N150)和瞬態(tài)油耗儀(EMERSON)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放中的CO、HC、NOx、MEOH、HCHO由尾氣排放分析儀(AVL SESAM I60 FT)進(jìn)行測(cè)量。過(guò)量空氣系數(shù)是實(shí)際供給燃料燃燒空氣量與理論空氣量之比,用安裝在渦后排氣管上的寬域氧傳感器(Bosch LSU 4.2)和λ分析儀(INNOVATE 3807 LM-2)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲得。EGR是通過(guò)進(jìn)氣歧管和排氣歧管之間的壓力差來(lái)將廢氣引入進(jìn)氣歧管中的,本試驗(yàn)選用高壓EGR回路。將缸壓傳感器(Kistler 6052)、光電傳感器(Kistler 2619)和進(jìn)、排氣壓力傳感器(Kistler 4007、4049)分別接入到燃燒分析儀(Kistler Type 2893B121)中,用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程的燃燒情況。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置示意

1.3 試驗(yàn)方法及參數(shù)定義

結(jié)合國(guó)六排放法規(guī)中WHTC循環(huán)測(cè)功機(jī)規(guī)范設(shè)定及大功率甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)所應(yīng)用車(chē)輛的實(shí)際行駛情況,本試驗(yàn)測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)保持在轉(zhuǎn)速1 300 r/min和50%最大發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷(1 000 N·m)下運(yùn)行。將點(diǎn)火提前角分別調(diào)整為各工況下最大制動(dòng)扭矩(MBT)點(diǎn)火正時(shí)。最大制動(dòng)扭矩(MBT)是使用最佳點(diǎn)火正時(shí)獲取內(nèi)燃機(jī)的最大功率和效率。最大EGR率和過(guò)量空氣系數(shù)受到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性的限制,該試驗(yàn)的稀釋范圍由發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況而定。

在研究中,EGR率用進(jìn)氣和排氣中的相對(duì)CO2濃度來(lái)表示,計(jì)算公式如下:

(1)

式中:[CO2]man為進(jìn)氣中CO2體積分?jǐn)?shù);[CO2]exh為排氣中CO2體積分?jǐn)?shù);[CO2]bkg為環(huán)境中CO2體積分?jǐn)?shù)。

如果用EGR率和過(guò)量空氣系數(shù)來(lái)衡量?jī)煞N稀釋策略的稀釋程度,將很難比較這兩種策略下相同稀釋率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能、燃燒和排放特性的影響。因此,引入稀釋率[9]用來(lái)統(tǒng)一EGR和過(guò)量空氣稀釋時(shí)的稀釋水平。稀釋率的計(jì)算公式為

(2)

每個(gè)工況測(cè)試點(diǎn)由燃燒分析儀連續(xù)采集并記錄300個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)Kistler專(zhuān)用數(shù)據(jù)處理軟件CDA 1.0.8進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

如圖2所示,各過(guò)量空氣系數(shù)都有其相對(duì)應(yīng)的稀釋率。過(guò)量空氣系數(shù)為1.6時(shí)所對(duì)應(yīng)的稀釋率34.2%與EGR閥全開(kāi)的最大EGR率相接近,故本試驗(yàn)過(guò)量空氣系數(shù)最大取1.6較為合適。

圖2 稀薄燃燒中不同過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)應(yīng)的稀釋率

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 EGR和稀燃對(duì)燃燒特性的影響

如圖3a所示,隨著稀釋率的增加,兩種稀釋策略的MBT點(diǎn)火正時(shí)均有所提前,且EGR稀釋下MBT點(diǎn)火正時(shí)變化幅度更大。

圖3 EGR和稀燃策略對(duì)MBT點(diǎn)火正時(shí)和循環(huán)變動(dòng)率的影響

由圖3b中可以看出,在兩種稀釋策略下,隨著稀釋率的增加,循環(huán)變動(dòng)率均有所增加,燃燒變得不穩(wěn)定。稀燃策略下的循環(huán)變動(dòng)率上升幅度相較于EGR稀釋策略的上升幅度要小,即在相同稀釋率下,EGR稀釋時(shí)的燃燒穩(wěn)定性要略差于稀薄燃燒時(shí)的燃燒穩(wěn)定性。這是由于EGR稀釋時(shí),引入混合氣的EGR廢氣中含有大量的惰性氣體,且O2含量極低(測(cè)得尾氣中O2體積分?jǐn)?shù)僅為4×10-6),這使得混合氣整體的氧含量降低,同時(shí)惰性氣體、H2O、CO2比例的增加阻礙了燃料和氧氣之間的接觸。除此之外,EGR的熱容效應(yīng)導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒溫度降低,燃燒反應(yīng)速率降低,火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?循環(huán)變動(dòng)率增加。而當(dāng)過(guò)量空氣稀釋時(shí),由于通入的是新鮮空氣,混合氣中的氧含量基本保持在一個(gè)恒定的水平,甚至略微上升,這對(duì)燃燒反應(yīng)的影響相對(duì)較小。故在相同的稀釋率下,EGR稀釋比過(guò)量空氣稀釋擁有更大的MBT點(diǎn)火正時(shí)和更大的循環(huán)變動(dòng)率,這與Lee在LCG發(fā)動(dòng)機(jī)上所測(cè)得的規(guī)律一致[10]。

圖4示出了在MBT點(diǎn)火正時(shí)下稀釋率對(duì)缸壓的影響。由圖中可知,隨著稀釋率的增加,兩種稀釋策略的峰值缸壓均增大,且缸壓峰值所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角逐漸靠近上止點(diǎn)。但當(dāng)EGR率為34.2%時(shí),缸壓峰值卻有所下降,且其所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也有所延遲。將圖4a和圖4b對(duì)比可得知,當(dāng)稀釋率低于20.6%時(shí),此時(shí)EGR和稀燃策略下的缸壓曲線較為接近。但是當(dāng)稀釋率大于25.7%時(shí),此時(shí)在相同的稀釋率下,稀燃策略比EGR稀釋策略獲得了更大的缸壓。這是由于此時(shí)稀釋率較大,EGR稀釋時(shí)通入了大量的惰性氣體,氧氣含量大幅度下降,混合氣比熱值增大,影響缸內(nèi)的燃燒溫度和速率,導(dǎo)致在相同的高稀釋率下,稀燃策略能比EGR稀釋擁有更大的缸壓。

圖4 EGR和稀燃策略對(duì)缸壓的影響

如圖5所示,隨著稀釋率的增加,EGR和稀燃兩種稀釋策略的燃燒持續(xù)期均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),且EGR稀釋對(duì)燃燒持續(xù)期的影響大于稀燃,這主要是由于過(guò)量空氣稀釋相較于EGR稀釋混合氣比熱容較低且O2含量較高。EGR稀釋和過(guò)量空氣稀釋下隨著稀釋率的增加燃油消耗率均有所下降,有效熱效率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),當(dāng)稀釋率為34.2%時(shí),稀燃策略下有效熱效率高達(dá)42.82%,同時(shí)燃油消耗率低至449.5 g/(kW·h)。這主要由兩方面因素導(dǎo)致:其一,當(dāng)稀釋率增大時(shí),MBT點(diǎn)火正時(shí)均提前,而適當(dāng)增大點(diǎn)火提前角可以使得燃燒加熱過(guò)程更加接近上止點(diǎn),獲得較高的等容度,燃燒過(guò)程也更接近于定容,且在膨脹行程氣缸壁面的傳熱損失降低,故熱效率提升,燃油消耗率降低;其二,隨著稀釋率增大,為了維持等扭矩,節(jié)氣門(mén)開(kāi)度增大,使得泵氣損失降低,提高了熱效率。將兩種稀釋策略在相同稀釋率下進(jìn)行比較,可知稀燃策略在燃油消耗率和有效熱效率上均優(yōu)于EGR稀釋策略。

圖5 EGR和稀燃策略對(duì)燃燒持續(xù)期、燃油消耗率和有效熱效率的影響

2.2 EGR和稀燃對(duì)排放特性的影響

由圖6a可以看出,EGR稀釋時(shí),HC排放隨著EGR稀釋率的增加呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。過(guò)量空氣稀釋時(shí),當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)在1.0～1.3時(shí),HC排放變化不大,這主要是由于HC的氧化能力隨著過(guò)量空氣的增大而增大,使得HC排放量較為穩(wěn)定。但是當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)大于1.4時(shí),此時(shí)稀釋率較大,HC排放主要受稀釋所帶來(lái)的缸內(nèi)溫度降低、燃燒速度變慢的影響,而過(guò)量空氣對(duì)HC的氧化作用影響較小,所以HC排放開(kāi)始顯著增加。

圖6 EGR和稀燃策略在不同稀釋率下對(duì)常規(guī)排放的影響

圖6b示出了兩種稀釋策略對(duì)CO排放的影響。在EGR稀釋下,CO排放呈現(xiàn)緩慢降低的趨勢(shì),在較高的EGR稀釋率下,CO排放有所上升。在稀燃策略下,CO排放降低的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于EGR稀釋,當(dāng)過(guò)量空氣稀釋過(guò)大時(shí),CO排放略微上升。這是由于CO是不完全燃燒產(chǎn)生的中間產(chǎn)物。稀燃時(shí),混合氣中O2體積分?jǐn)?shù)較大,有利于CO在燃燒后期的氧化,但當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)大時(shí),CO氧化能力提升有限,同時(shí)燃燒速率變慢,導(dǎo)致CO排放略微上升,但上升幅度較小。

如圖6c所示,隨著EGR稀釋率的增大,由于較低的缸內(nèi)溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)的降低,抑制了NOx的生成,NOx排放降低幅度十分顯著,最大降低幅度高達(dá)98.34%。在相同的稀釋率下,EGR稀釋策略下NOx排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于稀燃策略下的排放。在稀燃時(shí),隨著稀釋率的增加,NOx排放呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這是由于隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加,O2含量增加,在低稀釋率時(shí)富氧對(duì)NOx的影響占主體地位,但當(dāng)稀釋率繼續(xù)增大時(shí),缸內(nèi)溫度下降,此時(shí)溫度成為影響NOx生成的主導(dǎo)因素,故NOx排放降低。這與Lee在LCG發(fā)動(dòng)機(jī)和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的研究結(jié)果保持一致[10]。

目前,國(guó)六排放法規(guī)并沒(méi)有規(guī)定未燃甲醇和甲醛的排放限值,但甲醇汽車(chē)要按照《八部門(mén)關(guān)于在部分地區(qū)開(kāi)展甲醇汽車(chē)應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)》和《甲醇燃料汽車(chē)非常規(guī)污染物排放測(cè)量方法》的要求進(jìn)行“甲醇、甲醛排放”檢驗(yàn)項(xiàng)目測(cè)試,指導(dǎo)意見(jiàn)給出的排放限值為20 mg/(kW·h)[12]。故對(duì)未燃甲醇和甲醛的排放進(jìn)行研究具有一定的實(shí)際意義。

由圖7a可知,在EGR稀釋策略下,隨著稀釋率的增加,未燃甲醇呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。這是由于提高EGR稀釋率降低了燃燒過(guò)程中的溫度,不利于甲醇的完全燃燒,故增加了未燃甲醇的排放。而稀燃時(shí),未燃甲醇呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。這是由于當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)為1.1時(shí),此時(shí)氧含量較為充足,燃燒效率較好,未燃甲醇排放較低。當(dāng)稀釋率繼續(xù)增大時(shí),此時(shí)雖然氧氣仍較為充足,但是燃燒溫度的下降成為主導(dǎo)因素,故未燃甲醇排放增加。

圖7 EGR和稀燃策略在不同稀釋率下對(duì)非常規(guī)排放的影響

2.3 EGR和過(guò)量空氣復(fù)合稀釋對(duì)燃燒特性的影響

在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300 r/min,扭矩為1 000 N·m的工況下,研究不同過(guò)量空氣系數(shù),不同EGR率,MBT點(diǎn)火正時(shí)下復(fù)合稀釋、EGR稀釋及過(guò)量空氣稀釋三種稀釋方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響。

圖8示出了復(fù)合稀釋對(duì)缸壓的影響。在過(guò)量空氣系數(shù)為1.1和1.2的條件下,峰值缸壓均隨著EGR率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),且其所對(duì)應(yīng)的相位輕微前移,靠近上止點(diǎn)。當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)為1.3時(shí),隨著EGR率的增大,峰值缸壓呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),其所對(duì)應(yīng)的相位變化較小。這是由于在復(fù)合稀釋率較低的時(shí)候增加EGR率,其所對(duì)應(yīng)的MBT點(diǎn)火正時(shí)會(huì)顯著增大(見(jiàn)圖9),缸壓是燃料燃燒放熱的累積體現(xiàn),點(diǎn)火提前角增大使得燃料燃燒得更早,因而放熱累計(jì)量更高,峰值缸壓上升。但當(dāng)EGR率繼續(xù)增大時(shí),此時(shí)復(fù)合稀釋的稀釋率較高,大量廢氣代替了部分新鮮空氣,氧氣含量下降;同時(shí)由于EGR的熱容效應(yīng),缸內(nèi)溫度下降,燃燒化學(xué)反應(yīng)受到抑制,峰值缸壓下降[14]。過(guò)量空氣系數(shù)為1.1和1.2時(shí),此時(shí)復(fù)合稀釋率較低,EGR和過(guò)量空氣共同的稀釋作用對(duì)相位影響較小,而MBT點(diǎn)火正時(shí)相對(duì)增加較大,故峰值缸壓所對(duì)應(yīng)的相位有所提前。當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)為1.3時(shí),此時(shí)復(fù)合稀釋率較大,其所對(duì)應(yīng)的相位在稀釋作用及MBT點(diǎn)火正時(shí)增大的共同作用下基本保持不變。

圖8 復(fù)合稀釋對(duì)缸壓的影響

圖9 復(fù)合稀釋下的MBT點(diǎn)火正時(shí)

圖10a示出了復(fù)合稀釋對(duì)循環(huán)變動(dòng)率(COVIMEP)的影響,利用循環(huán)變動(dòng)率來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性。由圖中可知,當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)為1.1和1.2,EGR率<14.8%時(shí),循環(huán)變動(dòng)率較小,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)有較好的燃燒穩(wěn)定性;當(dāng)EGR率>14.8%時(shí),循環(huán)變動(dòng)率增大較為明顯。過(guò)量空氣系數(shù)為1.3時(shí),循環(huán)變動(dòng)率隨著EGR率的增大顯著增大,循環(huán)變動(dòng)率最高達(dá)3.4%,略微超過(guò)穩(wěn)定燃燒標(biāo)準(zhǔn)的界限值(3%),但仍在汽油機(jī)允許的5%波動(dòng)范圍之內(nèi)[15]。燃燒中的循環(huán)波動(dòng)主要是由不穩(wěn)定的湍流引起的,縮短燃燒持續(xù)時(shí)間可以減小燃燒過(guò)程受到的湍流影響[16]。

圖10 復(fù)合稀釋對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和性能的影響

由圖10b和圖10c可以看出,當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)為1.1和1.2時(shí),有效熱效率隨著EGR率的增加呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),增加了約2%,燃油消耗率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。但當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)為1.3時(shí),隨著EGR率的增加,有效熱效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),燃油消耗率則相反。當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)為1.3,EGR率為14.8%時(shí),有效熱效率達(dá)到峰值,高達(dá)43.1%,與有效熱效率最低時(shí)相比增長(zhǎng)幅度為8.15%。這是由于隨著高熱容EGR氣體的引入,缸內(nèi)溫度降低,泵氣損失減少,燃燒室壁面的熱損失減少,所以有效熱效率上升。但當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)為1.3時(shí),再加入較大的EGR稀釋,此時(shí)復(fù)合稀釋導(dǎo)致稀釋程度過(guò)大,發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)波動(dòng)率較大,隨著循環(huán)波動(dòng)的加劇,燃燒不正常,甚至失火的循環(huán)逐漸增多,熱效率也會(huì)產(chǎn)生相同幅度的損失。復(fù)合稀釋與過(guò)量空氣、EGR單獨(dú)稀釋一樣,對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的提升效果顯著,且相對(duì)于單獨(dú)稀釋有效熱效率有了進(jìn)一步提升。

圖10d示出了復(fù)合稀釋對(duì)燃燒持續(xù)期的影響。由圖中可知,相較于當(dāng)量燃燒EGR稀釋,復(fù)合稀釋時(shí)的燃燒持續(xù)期較短,且隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大呈現(xiàn)變大的趨勢(shì),但整體仍低于當(dāng)量燃燒時(shí)的燃燒持續(xù)期。這是由于加入空氣稀釋時(shí),混合氣中的氧氣含量變大,有利于加快燃燒化學(xué)反應(yīng)速率,縮短燃燒持續(xù)期。但當(dāng)氧氣含量到達(dá)一定程度時(shí),其對(duì)燃燒速率影響程度會(huì)變小。且此時(shí)在空氣/燃料混合物中加入較多的稀釋劑會(huì)降低層流燃燒速度和早期階段的火焰增長(zhǎng)率[17],而燃燒持續(xù)期的差異主要是由于較慢的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫鸬摹?/p>

綜上所述,復(fù)合稀釋相較于EGR單獨(dú)稀釋和過(guò)量空氣單獨(dú)稀釋,只要選取合適的過(guò)量空氣系數(shù)及EGR率,在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定的工況下,與其他兩種稀釋策略相比,可以擁有更低的燃油消耗率及更高的有效熱效率。

2.4 EGR和過(guò)量空氣復(fù)合稀釋對(duì)排放特性的影響

如圖11a所示,在不同的過(guò)量空氣系數(shù)下,HC排放隨著EGR率的增大都呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。與EGR單獨(dú)稀釋相比,對(duì)于EGR率<14.8%的復(fù)合稀釋,HC排放均有一定程度的改善。當(dāng)EGR率為20.8%時(shí),過(guò)量空氣系數(shù)為1.1時(shí)復(fù)合稀釋的HC排放仍低于EGR稀釋,但過(guò)量空氣系數(shù)為1.2或1.3時(shí)復(fù)合稀釋的HC排放高于EGR單獨(dú)稀釋時(shí)的HC排放。這是由于復(fù)合稀釋的稀釋程度較小時(shí),混合氣中氧濃度較高,有利于HC的氧化,此時(shí)氧濃度對(duì)HC排放的抑制作用占主導(dǎo)地位,因此HC排放較低。但是當(dāng)復(fù)合稀釋的稀釋程度過(guò)高時(shí),EGR廢氣引入了CO2和其他多原子分子(如H2O),吸收了更多的熱量[18],在和過(guò)量空氣的共同作用下,降低了燃燒室壁面的溫度,冷卻層變厚,壁面淬熄效應(yīng)更加嚴(yán)重,這就使得HC排放有所惡化。

圖11 復(fù)合稀釋對(duì)常規(guī)排放的影響

如圖11b所示,EGR單獨(dú)稀釋時(shí),CO排放隨著EGR率的增大有所改善。當(dāng)加入過(guò)量空氣稀釋變成復(fù)合稀釋時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)CO排放顯著降低,最大降低幅度高達(dá)80.3%。上述現(xiàn)象證明了CO的排放主要受過(guò)量空氣稀釋的影響。

圖11c示出了不同稀釋工況對(duì)NOx排放的影響。當(dāng)采用EGR率為20.6%、過(guò)量空氣系數(shù)為1.3的復(fù)合稀釋時(shí),NOx排放量從未稀釋時(shí)的2 540.13×10-6降低到了76.39×10-6,降低幅度高達(dá)97%,復(fù)合稀釋擁有更好的抑制NOx排放的效果。雖然EGR的熱機(jī)制和稀釋機(jī)制導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒溫度和氧含量比過(guò)量空氣稀釋時(shí)低[19],但空氣稀釋也起一定的作用,在EGR和空氣稀釋共同作用下,缸內(nèi)燃燒溫度更低,從而在抑制和降低NOx排放方面相較于EGR單獨(dú)稀釋效果更為顯著。

如圖12a所示,采用復(fù)合稀釋時(shí),隨著過(guò)量空氣稀釋程度的增大,未燃甲醇排放呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。這是由于當(dāng)復(fù)合稀釋的稀釋程度較小的時(shí)候,缸內(nèi)混合氣中氧含量較高,有利于在燃燒過(guò)程中未燃甲醇的完全燃燒。但當(dāng)復(fù)合稀釋的稀釋程度過(guò)高時(shí),在缸內(nèi)溫度大幅下降導(dǎo)致的壁面淬熄效應(yīng)和峰值缸壓上升導(dǎo)致的狹縫效應(yīng)的共同作用下,部分甲醇可能會(huì)避開(kāi)火焰面,故未燃甲醇排放增加。

圖12 復(fù)合稀釋對(duì)甲醇和甲醛排放的影響

如圖12b所示,復(fù)合稀釋時(shí),在相同EGR率下,甲醛排放均隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。這主要是由于在過(guò)量空氣系數(shù)較小的時(shí)候,混合氣中的氧氣含量雖有所上升,但EGR和空氣共同稀釋降低了缸內(nèi)溫度,此時(shí)甲醛的生成速率大于其氧化速率,故甲醛排放量有所上升。但當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)繼續(xù)上升時(shí),混合氣中擁有較大的氧含量,此時(shí)甲醛的氧化速率大于生成速率,故甲醛排放量就有所減少。但從總體上看,復(fù)合稀釋和其他兩種稀釋策略均會(huì)在一定程度上使得甲醛排放惡化。

未燃甲醇和甲醛的排放在復(fù)合稀釋時(shí)相對(duì)較高,即使現(xiàn)行的某些排放法規(guī)中不包括這些廢氣成分,但根據(jù)日益嚴(yán)苛的排放法規(guī)要求,仍需使用氧化催化劑來(lái)去除這些成分[20]。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),通過(guò)在甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝三元催化轉(zhuǎn)換器(TWC)后處理裝置,可以極其有效地去除未燃甲醇和甲醛這兩種廢氣成分,其排放量接近于0,可以達(dá)到目前所規(guī)定的排放要求。

3 結(jié)論

a) 在相同稀釋率下,EGR稀釋策略擁有更大的MBT點(diǎn)火正時(shí)且對(duì)循環(huán)變動(dòng)率的影響更為顯著;

b) 當(dāng)稀釋率較低時(shí),EGR稀釋和稀燃的缸壓曲線相似,但當(dāng)稀釋率大于25.7%時(shí),稀燃策略比EGR稀釋策略能獲得更大的峰值缸壓;在相同稀釋率下,EGR稀釋策略比稀燃能獲得更長(zhǎng)的燃燒持續(xù)期;稀燃策略下的燃油消耗率、有效熱效率均優(yōu)于EGR稀釋;

c) 在相同稀釋率下,稀燃策略比EGR稀釋策略擁有更低的HC和CO排放,但在降低NOx排放方面,EGR稀釋策略則更為優(yōu)越,最大降低幅度高達(dá)98.34%;

d) 稀燃策略下的未燃甲醇排放比EGR稀釋策略下的要低,而甲醛排放呈現(xiàn)變化幅度較小的上下波動(dòng)趨勢(shì),兩者無(wú)較大區(qū)別;

e) 在燃油消耗率和有效熱效率這兩方面,復(fù)合稀釋相較于EGR單獨(dú)稀釋和過(guò)量空氣稀釋都擁有較為顯著的優(yōu)勢(shì);

f) 在稀釋程度較小時(shí)復(fù)合稀釋比EGR稀釋的HC排放要低,但高于過(guò)量空氣稀釋時(shí)的HC排放;復(fù)合稀釋在降低CO排放方面擁有和過(guò)量空氣稀釋一樣顯著的效果;復(fù)合稀釋擁有更好的抑制NOx排放的效果,最大降低幅度高達(dá)97%;

g) 稀釋程度較小時(shí)復(fù)合稀釋能一定程度上改善未燃甲醇的排放,但當(dāng)稀釋程度較大時(shí),未燃甲醇排放顯著上升;復(fù)合稀釋及其他兩種稀釋策略均會(huì)在一定程度上使得甲醛排放惡化。