當量比下EGR對天然氣發動機性能影響的研究

李垂孝　朱昌吉（吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室　吉林　長春　130025）

當量比下EGR對天然氣發動機性能影響的研究

李垂孝朱昌吉（吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室吉林長春130025）

摘要：在一臺增壓中冷天然氣發動機上，研究了理論當量混合氣條件下EGR對天然氣發動機性能的影響。結果表明：在2000 r/min，λ=1及一定的點火提前角（上止點前35°CA）條件下，通入不同的EGR率，在小、大負荷聯合三元催化轉化器可以很好地控制排放在很低的水平；不同負荷下小的EGR率對經濟性及動力性影響較小，大EGR率對經濟性惡化明顯。

關鍵詞：CNG發動機理論空燃比燃燒EGR排放經濟性動力性

引言

內燃機的廢氣排放問題已經變成了一個尖銳的環境和社會問題，天然氣是一種經過實踐證明可以應用于內燃機上的理想替代燃料，相比于汽油和柴油，它可以有效地減輕對環境的負擔[1]。天然氣的應用相比于汽油、柴油更加安全，在標準大氣壓下，天然氣的點火溫度是260℃，發生泄漏時因為密度比空氣低，可以迅速地升至高空，并且泄露的的天然氣不會對大氣造成污染[2]，我國CNG燃料儲量豐富，有著廣闊的應用前景。

目前解決CNG發動機排放問題主要有兩種策略[3]：稀燃和當量比聯合EGR和三效轉化器。目前大部分的天然氣發動機采用稀薄燃燒的方法取得低的NOx排放和高效率，然而稀燃策略不足以應對將來更加嚴格的排放法規；當量比燃燒+EGR+三效轉化器（TWC）的方法是成本最低的可以運用的技術，可以實現將NOx、HC、CO控制在極低的水平。美國西南院和康明斯公司針對理論空燃比+EGR+TWC的路線進行了大量的研究[4]。本實驗首先通過優化出最佳點火提前角，然后研究通入不同EGR率對發動機性能的影響規律。

1　實驗設備及方法

實驗用的天然氣發動機基本參數如表1所示：本實驗所匹配增壓器為霍尼韋爾TB28增壓器，具體實驗設備的名稱、規格型號及生產廠家如表2所示。

表1　發動機基本參數

表2　實驗設備及儀器

廢氣再循環技術（EGR）可以很好地實現降低發動機熱負荷[5]，抑制氮氧化物的生成，部分負荷可以使經濟性提高，通過實驗量化的方法可以應對大缸徑當量比燃燒發動機的燃燒問題，本實驗的EGR設計取自渦后低壓循環，如圖1所示。

圖1 EGR低壓回路循環示意圖

本實驗的控制系統通過計算機串口和ECU之間的通信進行了點火和噴氣脈普圖的修改，可以實現對故障診斷、點火、怠速等功能的控制，完成了ECU的開發工作，如圖2所示。

實驗所選擇的工況按照相關的排放標準經計算選擇轉速為2000 r/min，λ=1的條件下，研究點火提前角（SAA）及EGR對CNG發動機燃燒的影響規律。

圖2　控制系統工作原理圖

2　當量比條件下點火提前角對性能的影響

在發動機轉速為2000 r/min，λ=1，天然氣流量為3.84 kg/h（10%負荷）、6.15 Kg/h（25%負荷）、9.25 kg/h（50%負荷），研究了點火提前角SAA=25、30、35、40、45°CA時的經濟性、熱負荷、排放性的變化情況。

圖3、4、5為不同負荷時點火提前角與燃油消耗率、排溫、NOx的排放量的變化關系曲線圖。

對于發動機的每一工況都對應有最佳的點火提前角。由圖3、4的點火提前角特性可以得出：點火提前角對10%負荷的燃油經濟性影響較大，25%、50%負荷時燃油消耗率曲線變化平穩，有效功率在不同的負荷時呈現出遞增趨勢；在50%負荷時點火角過大會使功率下降，小負荷功率呈現緩慢的遞增趨勢。這是因為在小負荷時充量系數低，殘余廢氣系數高，點火角的提前可以較好地改善燃燒，中負荷點火角過于提前將會使壓縮負功變大，從而使得功率降低。經過分析，在上止點前35~40°CA可以取得較好的經濟性和動力性。

圖4　不同負荷下SAA與有效功率的關系曲線

圖5　不同負荷下SAA與NOx排放量的關系曲線

圖6、7研究了點火提前角和氮氧化物、排溫的關系曲線。結果表明：隨著負荷的增加，溫度增加，NOx的生成增加幅度較大，排溫呈現出降低的趨勢，原因是高溫易于NOx的生成，點火提前減少了后燃。研究發現，從排放和排溫的角度來說上止點前35°CA較為合適。綜合上述分析，實驗發動機的最佳點火提前角選為上止點前35°CA。

圖6　不同負荷下SAA與排氣溫度的關系曲線

3　當量比條件下不同EGR率對整機性能的影響

圖7、8、9、10、11研究了在天然氣當量比燃燒、最優點火提前角時通入不同質量分數的EGR率對發動機的排放性、經濟性、動力性的影響規律。對圖7、8、9排放性分析可知：變化關系顯示在當量比燃燒EGR率為零的情況下，高負荷所產生的排放物的量要高于低負荷。隨著EGR惰性氣體的加入，25%負荷時的CO和HC在小于8%EGR率時變化不明顯，EGR率超過8%時，兩者產生量迅速增加；在75%負荷時CO、NOx排放物均有不同程度的降低，HC略有增加。

以上現象的原因解釋為：在小負荷時，EGR量的增加會造成低溫、缺氧的環境，有利于CO和HC的生成，EGR惰性氣體的通入加劇了氧含量的減少，一定程度上抑制了NOx的生成。通過分析25%負荷經過TWC催化后，CO可以實現零排放，HC在EGR率超過8%后上升較快，NOx的排放得到了很好的控制；在高負荷（75%）時，缸內的溫度升高，燃燒質量相比小負荷提高，在通入較小量的EGR有效地減少了CO的生成量；因為惰性氣體多為雙原子，等熵指數較大，可以降低發動機的熱負荷，從而有效地減少高負荷時的NOx量，從圖9的曲線可以看出NOx線性下降；隨著EGR的通入，會使得猝熄現象增加，HC略有增加。對75%負荷催化后的數據進行分析可以得出：相比于低負荷排放的效果更好，當量比聯合EGR在高負荷可以很好地控制排放。通過排放性的分析可知，在EGR率為8%時可以取得較好的效果。

圖7 不同負荷時CO隨EGR量的變化關系

圖8 不同負荷時HC隨EGR量的變化關系

圖10、11為在不同負荷時EGR率對動力性和經濟性的分析。由圖10可見，隨著EGR率的升高，扭矩降低，其中75%負荷時的扭矩下降趨勢較快。由圖11可知，高、低負荷的燃油消耗率隨著EGR率的升高呈現出上升的趨勢。在低負荷時的燃油消耗率將會隨著EGR的通入而增加。這是因為在低負荷的燃燒質量原本較差，加之EGR占據一定的進氣量且為惰性氣體，從而使得燃燒更加惡化，熱效率降低，油耗上升，扭矩降低；高負荷時，燃燒質量相對較好，一定EGR量的加入可以使當量比燃燒得更柔和，雙原子數的增多，一定程度上可以提高熱效率，有利于提高經濟性。同樣地因為EGR占據進氣空間，使得充量系數降低，從而扭矩下降，從變化曲線可以看出，高負荷時扭矩的下降趨勢明顯比小負荷快。

綜合上述分析，本試驗用發動機在通入EGR率8%～10%時聯合三元催化轉化器，可以在當量比燃燒條件下實現高效率的轉化廢氣，同時將3種主要排放物轉化到很低的程度，很好地控制了發動機的排放；相比于稀燃，當量比燃燒可以保證發動機的動力性[6]，在低負荷時由于EGR的通入，降低了泵氣損失，但是會使經濟性變得較差；在高負荷時為了取得較低的燃油消耗率不宜使用大EGR率。

圖9 不同負荷時NO隨EGR量的變化關系

圖10　不同負荷時扭矩隨EGR量的變化關系

圖11　不同負荷時燃油消耗率隨EGR量的變化關系

4　結論

1）通過分析點火提前角特性及排放性和經濟性，上止點前35°CA為本實驗研究CNG發動機的最佳點火提前角。

2）發動機使用8%～10%小的EGR率時，對經濟性，動力性影響較低，大EGR率對經濟性惡化明顯。

3）當量比組合TWC技術可以很好的解決排放問題。

參考文獻

1Semin，Bakar,R.A.A technical review of compressed natural gas as an alternative fuel for internal combustion engines.American J.of Engineering and Applied Sciences，2008，1（4）：302~311

2Saanum，I.，Bysveen，M.，Tunest?l，P.，etal.Lean burn versus stoichiometric operation with EGR and 3-way catalyst of an engine fueled with natural gas and hydrogen enriched naturalgas[C].SAEPaper2007-01-0015

3Boretti，A.，Lappas，P.，Zhang，B.，etal.CNG fueling strategies for commercialvehiclesengines-A literature review [C].SAEPaper 2013-01-2812

4Southwest Research Institute.Meeting Euro VI emissions with natural gas engines[EB/OL].2013-5.H ttp：//www. swarc.com.cn/swarc/lib/rootfiles/6.pdf

5莫海俊，黃永全，冒曉建，等.天然氣發動機EGR系統的數值研究[J].車用發動機，2012（6）：72～79

6姜士陽.天然氣發動機理論空燃比與稀燃對比研究[J].農機化研究，2010，32（10）：195～198

中圖分類號：TK46+.4

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）02-0016-04Abstract：For understanding the effect of EGR under Stoichiometric Operation on CNG engine performance，some experiments have been done in a CNG enginewith turbocharged and intercooled system.The resultsshow thaton the condition ofstoichiometric combustion and the bestsparkingadvanceangle（SAA= 35deg BTDC）at RPM=2000r/min，the full and part load with a three way catalyst diluted with EGR can control the emission in a very low level；the effectof the low-EGR isnot very obvious for the economic and power characteristics，and thehigh-EGRwillmake theeconomic characteristicsdeteriorate.

收稿日期：（2015-02-02）

作者簡介：李垂孝（1987-），男，碩士研究生，主要研究方向為發動機代用燃料。

Influenceof EGRw ith Stoichiometric Operation on CNG Engine Performance

LiChuixiao,Zhu Changji
NationalKeyLab ofAutomobile Dynamic Simulation，Jilin University（Changchun，Jilin，130025，China）

Keywords：CNGEngine，Stoichiometric combustion，EGR，Emissions，Economic characteristics，Power characteristics