EGR率對柴油機富氫EGR燃燒過程的影響*

左承基，劉勇強，程曉章，徐天玉，吳 桐

(合肥工業大學機械與汽車工程學院，合肥 230009)

前言

柴油機作為動力裝置以動力性強、熱效率高和燃油消耗率低而得到廣泛應用，但其NOx和微粒(碳煙)排放較高，且排放控制受“NOx-微粒”折中曲線的束縛。一些先進的燃燒技術，如均質壓燃技術(HCCI)、柴油預混稀燃技術(PREDIC)或部分預混壓燃技術(PPCCI)，雖能在提高發動機燃燒效率的同時，降低NOx和微粒排放，但柴油機采用這些技術后，其工作范圍受到限制，在一些工況下HC和CO 排放也會增加［1-6］。

目前柴油機主要通過廢氣再循環(EGR)技術來降低NOx排放，但EGR率高意味著新鮮空氣量減少，缸內燃燒會惡化，從而導致柴油機經濟性下降，碳煙排放增加［7］。作為氣體燃料，氫氣具有燃燒速度快、擴散系數高、著火范圍寬和火焰淬熄距離短等特點，柴油機摻氫燃燒會降低碳煙排放，但NOx排放會增加［8-11］。將EGR和摻氫燃燒技術結合起來，可同時降低柴油機的NOx和碳煙排放［12］。

本文中在一臺由ZS195柴油機改裝而成的上置視窗式可視化試驗裝置上，進行了富氫進氣條件下不同EGR率對柴油機燃燒過程影響的試驗研究(EGR用CO2氣體模擬)。通過高速攝影機記錄下缸內著火和燃燒過程的火焰照片，用基于三基色原理編制的軟件計算了缸內燃燒溫度場［13-15］，同時結合同步示功圖和放熱率曲線對缸內燃燒過程進行了分析。

1 試驗裝置和試驗方案

試驗裝置主要由進氣系統、光學發動機、電機、變頻器、角標發生器、高速攝影機和微機等組成，如圖1所示。表1是ZS195柴油機的主要參數;表2為4種試驗方案對應的各進氣成分的體積比例。

表1 ZS195柴油機主要結構參數

表2 試驗方案 %

2 試驗結果及分析

試驗前先將水溫加熱到80～90℃，按試驗方案設置好各進氣成分比例，開啟變頻器，通過電機倒拖柴油機至恒定轉速1000r/min，然后將油門開到最大，柴油機著火燃燒，高速攝影機通過可視化石英窗口記錄下整個燃燒過程的圖像，同時記錄下與之同步的曲軸轉角信號和缸內壓力數據。每次試驗的轉速、噴油定時和噴油量保持不變。

2.1 EGR率對著火及燃燒過程的影響

圖2為4種方案下拍攝的缸內著火和火焰發展照片。從中可以明顯看出，隨著EGR率的增加，著火時刻不斷推遲，著火后火焰擴展速率變慢。由此可見，CO2作為較大比熱值的惰性氣體推遲了著火，并減緩了燃燒速率。

富氫EGR環境下混合氣著火和燃燒持續時間在不同EGR率下的變化規律見圖3。

由圖3可見，隨著EGR率的增加，由于CO2作為惰性氣體會減緩焰前反應、阻礙著火的發生，著火時刻呈現推遲趨勢，滯燃期相應延長(試驗時各方案噴油時刻均固定在上止點前15°CA)，且EGR率越大，著火時刻推遲越多。其中，方案A的著火時刻為上止點前8°CA，滯燃期為7°CA，方案 B的著火時刻為上止點前7.7°CA，滯燃期為7.3°CA，方案C的著火時刻為上止點前4.2°CA，滯燃期為10.8°CA，方案D的著火時刻為上止點前2.3°CA，滯燃期為12.7°CA。當EGR率較小時，隨著EGR率的增大，富氫EGR燃燒持續時間延長;當EGR率較大時，富氫EGR燃燒持續時間開始縮短。這是由于CO2作為惰性氣體會阻礙火焰的傳播，進而延長了燃燒持續時間;而當EGR率較大時，燃燒惡化，燃料不能完全燃燒，燃燒結束較早導致燃燒持續時間縮短。

圖4為富氫EGR燃燒的缸內壓力曲線和放熱率曲線。從圖4可以看出，隨著EGR率的增加，缸內壓力和最大爆發壓力都明顯下降，達到峰值壓力的時間推遲;放熱率峰值下降，放熱率曲線整體推后。EGR率為15%的方案D的缸內峰值壓力比EGR率為0的方案A降低了22.45%，達到峰值壓力的時刻推遲了4.3°CA;方案D的最大放熱率比方案A減少了22.47%，達到最大放熱率的時刻推遲了6.5°CA。

2.2 EGR率對燃燒溫度的影響

圖5為不同方案下著火時刻、最大放熱率和最大缸內壓力時刻的燃燒照片和溫度場分析圖像，表3是對應的缸內瞬態溫度計算值。從圖5可以看出，缸內著火點并不固定，而且可能不止一處發生著火。這是因為柴油機是壓燃著火，最先著火的地方是溫度和濃度適當的地方，而柴油機在不同循環中噴油情況與溫度狀況不可能完全相同，滿足著火條件的地方也可能不止一處，因此著火點位置就不一定相同，形成火核的地方也可能有多處。但總的著火位置基本是沿著噴油方向且接近噴油處。表3的瞬態溫度計算值顯示，各方案著火時刻的平均溫度基本保持在950℃左右，說明可燃氣成分的變化對著火時的缸內溫度影響不大。另外，最大放熱率時刻對應的瞬態最高溫度和平均溫度均低于最大壓力時刻對應的溫度，這是因為最大壓力時刻滯后于最大放熱率時刻，盡管缸內容積增大，但燃燒時間增長，燃燒的燃料增多，累計放熱量增加所致。

表3的計算結果表明，隨著EGR率的增大，缸內瞬態最高溫度和平均溫度均相應降低，與缸內壓力和放熱率的變化基本保持一致。說明EGR可降低主燃燒期內缸內溫度，有利于降低NOx的排放。

圖6為缸內最大壓力時刻燃燒照片對應的溫度分布統計圖。由圖可見:高溫區域大部分集中在1200～1400℃之間，低溫區集中在600℃左右，隨著EGR率的增加，高溫點統計數逐漸減少，低溫點統計數逐漸增多。

3 試驗結果的討論

氫氣具有密度小、擴散系數大、點火能量低、燃燒速度快和低熱值高等特點，在進氣中加入氫氣后，會加快火焰傳播速度，縮短燃燒持續時間［16］。而CO2作為大比熱的惰性氣體，加入后會吸收熱量，阻礙著火和火焰的傳播，降低燃燒速率。同時，大量加入CO2會減少空氣進氣量，導致進氣中的氧濃度下降，過量空氣系數變小，混合氣變濃，燃燒速度下降，燃燒惡化。從研究結果看，正是在氫氣和CO2的共同作用下，燃燒持續時間在小EGR率時隨EGR率的增大因燃燒速度下降而延長，在大EGR率時則因燃燒不完全開始縮短;而缸內溫度、壓力和放熱率則隨EGR率的增大呈下降趨勢。

4 結論

(1)隨著EGR率的增加，著火時刻推遲，燃燒速率下降。EGR率較小時，富氫EGR燃燒持續時間隨EGR率的增加而延長;EGR率較大時，富氫EGR燃燒持續時間隨EGR率的增加開始縮短。

(2)當EGR率增加時，缸內最大爆發壓力下降，達到峰值壓力的時間推遲;放熱率峰值下降，放熱率曲線整體推后。

(3)EGR對缸內燃燒溫度影響較大，隨著EGR率的增加，缸內瞬態最高溫度和平均溫度均相應降低，有利于降低NOx的排放。

［1］Thomas Johansson，Bengt Johansson，Per Tunest?l.HCCI Operating Range in a Turbo-charged Multi Cylinder Engine with VVT and Spray-Guided DI［C］.SAE Paper 2009-01-0494.

［2］Donahue Ronald J，Foster David E.Effects of Oxygen Enhancement on the Emissions from a DI Diesel via Manipulation of Fuels and Combustion Chamber Gas Composition［C］.SAE Paper 2000-01-0512.

［3］Parks J E，Wagner G J，Epling W E，et al.NOxSorbate Catalyst System With Sulfur Catalyst Protection for the Aftertreatment of NO.2 Diesel Exhaust［C］.SAE Paper 1999-01-3557.

［4］Rudolf H Stanglmaier，Charles E Roberts.Homogenous Charge Compression Ignition(HCCI):Benefits，Compromises，and Future Engine Applications［C］.SAE Paper 1999-01-3682.

［5］Gray Allen W(Bill)，Ryan Thomas W.Homogeneous Charge Compression Ignition(HCCI)of Diesel Fuel［C］.SAE Paper 971676.

［6］Aoyagi Y，Asaumi Y，Kunishima E，et al.Visualized Analysis of a Pre-mixed Diesel Combustion Under the High Boosting Engine Condition［C］.Fifth International Symposium on Diagnostics and Modeling of Combustion in Internal Combustion Engines，Nagoya，July 1-4，2001.

［7］Ming Zheng，Graham T，Gary J.Diesel Engine Exhaust Gas Recirculation-a Review on Advanced and Novel Concepts［J］.Energy Conversion and Management，2004，45(6):883-900.

［8］Senthil M，Ramesh A，Nagalingam B.Use of Hydrogen to Enhance the Performance of a Vegetable Oil Fuelled Compression Ignition Engine［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2003，28(10):1143-1154.

［9］呂興才，張武高，黃震.燃料設計改善發動機燃燒和排放的研究(2)一對柴油機燃燒與排放影響的分析［J］.內燃機學報，2004，22(3):210-215.

［10］Saravanan N，Nagarajan G，Narayanasamy S.An Experimental Investigation on DI Diesel Engine with Hydrogen Fuel［J］.Renewable Energy，2008，33(3):415-421.

［11］Masood M，Mehdi S，Reddy P.Experimental Investigations on a Hydrogen—diesel Dual Fuel Engine at Different Compression Ratios［J］.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2007，129(2):572-578.

［12］Saravanan N，Nagarajan G，Kalaiselvan K，et al.An Experimental Investigation on Hydrogen as a Dual Fuel for Diesel EngineSystem with Exhaust Gas Recirculation Technique［J］.Renewable Energy，2008，33(3):422-427.

［13］何邦全，姚春德，劉增勇，等.三基色測溫法在柴油機燃燒溫度場測量中的應用研究［J］.內燃機學報，2001，19(6):526-530.

［14］程曉舫，周洲.彩色三基色溫度測量原理的研究［J］.中國科學(E 輯)，1997，27(4):342-345.

［15］徐新宇.彩色三基色溫度系統的原理與設計［D］.合肥:中國科技大學，2000.

［16］姜大海，寧智，劉建華，等.預混合氫氣/柴油發動機燃燒及排放特性［J］.燃燒科學與技術，2010，16(2):149-154.