富氧燃燒對柴油機工作特性影響的試驗研究*

周俊瑾　沈穎剛　徐波峰（-文山壯族苗族自治州技工學校云南文山663309 -昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室）

富氧燃燒對柴油機工作特性影響的試驗研究*

周俊瑾1沈穎剛2徐波峰2
（1-文山壯族苗族自治州技工學校云南文山663309 2-昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室）

在一臺增壓柴油機上進行了富氧進氣的試驗研究，并在此基礎上采用EGR技術，研究不同進氣氧濃度下EGR率對柴油機排放特性的影響，以期改善柴油機NOx和碳煙的權衡關系。研究表明：富氧進氣柴油機在同一進氣氧濃度下，其有效燃油消耗率隨著負荷的增加而明顯減小；同一負荷時有效燃油消耗率隨著氧濃度的升高而稍有降低。在富氧燃燒的基礎上，引入EGR可以實現柴油機的煙度和NOx排放的同時降低，其關鍵是在一定的工況點匹配與之相適合的EGR率。當2 200 r/min全負荷工況下，進氣氧濃度21%與EGR率20%組合、氧濃度22%與EGR率50%組合，煙度和NOx排放降低比例分別達到20.0%和14.8%、6.7%和19.2%。

增壓柴油機富氧進氣煙度NOx

引言

柴油發動機功率密度大，熱效率高及燃油經濟性好等特點［1］，使其廣泛地應用在載重汽車、農用機械、工程機械、內燃機車及船舶艦艇等領域。傳統柴油機的NOx和碳煙（Soot）排放控制方法相互矛盾［2］。

國內外關于內燃機富氧燃燒的相關研究表明，通過采用比空氣中氧含量高的富氧空氣助燃，可以顯著提高燃燒效率和火焰溫度，從而改善燃燒和排放性能，是一項具有廣闊應用前景的高效節能技術［3-4］。由于富氧燃燒使得缸內燃燒更加完全，對于CO、HC及微粒（PM）的排放控制也有較好的效果；但由于氧體積分數的提升使燃燒溫度升高，會導致一定程度的NOx排放惡化［5］。本文針對一臺加裝富氧裝置的直列增壓柴油機，用實驗方法研究了在不同轉速下進氣氧濃度對柴油機排放和性能的影響；同時在此基礎上，采用廢氣再循環（EGR）技術，通過CO2的高比熱容吸熱作用抑制燃燒室內的局部高溫［6］，進行富氧狀態下不同EGR率對柴油機排放特性影響的試驗研究，旨在實現NOx和碳煙的同時降低。

1　試驗裝置與方法

本研究試驗在天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室進行。試驗所選用的樣機是4100QBZL-2柴油機，該發動機的主要技術參數見表1。

表1　試驗發動機主要技術參數

試驗中所用儀器設備主要有AVL電渦流測功機、AVL DIGAS 4000 Light五組分汽車排放分析儀、佛山分析儀有限公司的煙度計等設備。根據富氧燃燒和EGR技術結合來控制柴油機排放的特性，特別是增壓中冷柴油機由于其進氣管平均壓力高于排氣管平均壓力，廢氣不能自動從排氣管流向進氣管，故需要專門設計一套氧氣供給系統和EGR循環系統，以保證發動機富氧進氣濃度和所需EGR率的可控和靈活調節，試驗臺架設計與總布置見圖1。

圖1　試驗臺架設計與布置圖

在測試過程中，富氧進氣濃度由安裝在進氣管上的氧氣檢測儀來直接測試，氧濃度大小表示氧氣所占進氣中的體積百分比，即：

式中，m為氧氣檢測儀的讀數，表示體積比。本文選用測量CO2來計算外部EGR率，根據測試CO2所占進氣的體積百分比和排氣中的CO2體積分數之比來表示，EGR率計算公式為：

式中（CO2）intake表示經過EGR廢氣稀釋后進氣中CO2的體積百分比；（CO2）exhaust表示排氣中CO2的體積百分比。

2　試驗結果及分析

2.1進氣氧濃度的影響

本文中采用佛山全自動煙度計測量煙度，并以所測取的煙度來表示柴油機的微粒排放。試驗時，柴油機參數不作任何改動，供油提前角為12.5°CA；選取轉速為1 600 r/min和2 200 r/min，在不同負荷（25%、50%、75%和100%）下測試進氣氧濃度（21%、22%、23%和24%）對柴油機性能與排放特性的影響規律。

2.1.1富氧進氣對柴油機排放特性的影響

圖2是轉速分別為1 600 r/min和2 200 r/min，在不同負荷（25%、50%、75%和100%）下測試的柴油機煙度隨著進氣氧濃度變化的特性曲線圖。

圖2　不同負荷下進氣氧濃度對煙度的影響

從圖2中的曲線變化可以知道，同一工況時，柴油機的煙度隨進氣氧濃度的增加而大幅度減小。1 600 r/min最大減小幅度達到63.6%（負荷為50%），2 200 r/min最大減小幅度達到68.8%（負荷為100%），煙度降低效果十分明顯。這主要因為隨著進氣氧濃度的升高，使得缸內氧含量增加，促進缸內燃料與空氣的混合，加快燃燒速率，提高燃燒溫度，缸內高溫過濃局部區域減少，使燃燒更加充分；同時燃燒后期氧化強度增大，有利于降低煙度的排放。

圖3是轉速分別為1 600 r/min和2 200 r/min，在不同負荷（25%、50%、75%和100%）下測試的柴油機NOx排放隨著進氣氧濃度變化的特性曲線圖。

圖3　不同負荷下進氣氧濃度對NOx的影響

由圖3可知，同一工況下，發動機NOx排放隨著進氣氧濃度增加而急劇上升。1 600 r/min、25%負荷時最大上升幅度達到202.6%（氧濃度從21%增加至24%），2 200 r/min、25%負荷最大上升幅度達到185.3%（氧濃度從21%增加至24%）；在同一進氣氧濃度下，發動機NOx排放隨著負荷的不斷增大而上升，上升趨勢比較明顯，1 600 r/min時增加幅度達到48.3%，2 200 r/min時增加幅度達到209.5%。

根據擴展的澤爾多維奇機理，影響柴油機NOx的形成主要有高溫、富氧及高溫滯留時間3個因素［7］。進氣氧濃度對NOx的影響主要表現在兩方面：1）進氣氧濃度的大小影響燃料與氧氣混合形成可燃混合氣的速度，影響燃燒反應速率的快慢，進而影響缸內平均溫度；2）氧氣作為NOx生成的原料之一，進氣氧濃度越高，NOx生成原料越豐富，相同的條件下越利于NOx的生成。

2.1.2富氧進氣對柴油機經濟性能的影響

圖4是1 600 r/min和2 200 r/min轉速下，在不同進氣氧濃度下，有效燃油消耗率隨著發動機負荷增大而變化的特性曲線圖。

圖4　不同負荷下進氣氧濃度對有效燃油消耗率的影響

從圖4可以看出，在1 600 r/min和2 200 r/min轉速時，同一進氣氧濃度下，有效燃油消耗率（比油耗）隨著負荷的增加而減小，減小的變化幅度十分明顯。最大減小幅度出現在進氣氧濃度為23%時，降低比例可達25.0%和29.8%。同一負荷時，有效燃油消耗率隨著氧濃度的升高而降低，但其降低幅度不大。

燃料燃燒的化學反應非常復雜，為便于說明問題，將燃料燃燒的化學反應簡化成如下反應式［8］：

式中α、β、γ為計量系數，相應的化學反應速率公式為

從化學反應式來看，富氧進氣使氣缸內氣體（工質）的氧濃度增加，燃料的化學反應速率加快，促進了燃料燃燒，從而燃料利用率得以提高。但是，由于實驗時使用的發動機是增壓柴油機，其原有的渦輪增壓作用大大提高了柴油機的空氣進氣量，即提高了原機的進氣密度，一定程度上也增加了缸內的氧氣濃度，故原機的經濟性已經得到了很好的改善。所以，同一負荷時，有效燃油消耗率隨著氧濃度的升高而降低，但降低幅度不大，進氣氧濃度由21%升高到24%時，2 200 r/min、100%負荷最佳降低效果能夠達到3.3 g/（kW·h）。此外，在進氣氧濃度增大到一定程度時，在個別工況出現了比油耗稍有回升的現象，其原因是富氧進氣使燃燒滯燃期縮短，不利于混合氣的形成，燃燒惡化，影響了燃料燃燒，故而在個別工況比油耗稍有回升。

2.2EGR對富氧進氣柴油機的影響

從上節分析可知，富氧進氣能有效降低柴油機的碳煙排放，但同時NOx排放也急劇升高。廢氣再循環（EGR）技術被認為是降低柴油機NOx排放的一種有效措施，但EGR率高意味著新鮮空氣量減少，缸內燃燒會惡化，導致碳煙排放增加。基于前節轉速為1 600 r/min和2 200 r/min，在不同負荷（25%、50%、75%和100%）下測試進氣氧濃度對柴油機性能與排放特性影響的研究。本節將EGR與富氧技術結合，以2 200 r/min轉速，75%和100%負荷為基點，通過不同進氣氧濃度（21%、22%、23%和24%）下不同EGR率（20%、35%、45%和50%）對柴油機排放特性的影響研究，探索進氣氧濃度與EGR率的最佳組合，以期改善柴油機NOx和碳煙的權衡關系。

圖5是負荷分別為75%和100%，在不同進氣氧濃度（21%、22%、23%和24%）下測試的柴油機煙度隨著EGR率變化的特性曲線圖。

圖5　不同進氣氧濃度下EGR率對煙度排放的影響

從圖5中可以看出，在相同進氣氧濃度時，柴油機的煙度隨著EGR率的增加而明顯增大，這是由于EGR稀釋了新鮮空氣充量，導致燃燒惡化，碳煙排放增多。當EGR率相同時，柴油機的煙度隨著進氣氧濃度的增大而明顯降低。在同一EGR率下，當進氣氧濃度由21%至24%變化，2 200 r/min、75%負荷工況下，在EGR率為20%時，煙度最大降低比例達到50.0%；在EGR率為45%處，煙度最大的降低比例達到76.2%。與原機相比，在不同富氧進氣和EGR率的組合下，其大部分組合均遠遠低于原機的煙度，在富氧進氣為24%和EGR為20%的組合情況下，發動機在2 200 r/min全負荷工況出現了煙度降低的最大幅度，在原機的基礎上降低了80.0%。

出現上述現象的原因是多方面因素作用的結果，第一是由于富氧進氣提高了缸內氧含量，彌補了由使用EGR帶來的稀釋進氣新鮮充量的效果，特別在富氧進氣的濃度在22%以上，氧氣發揮了更大作用，有利于碳煙的氧化；同時引入EGR后，進氣中的CO2和水蒸汽等三原子分子氣體增加，缸內工質比熱容增大，有效降低了最高燃燒溫度與壓力，有利于煙度降低。此外，EGR系統中包括排氣穩壓罐、中冷、混合穩壓罐等系統，使引出的廢氣中含有的碳煙微粒等已經基本沉淀和冷凝，有利于煙度降低。

圖6是負荷分別為75%和100%，在不同進氣氧濃度（21%、22%、23%和24%）下測試的柴油機NOx排放隨著EGR率變化的特性曲線圖。

由圖6可知，在同一EGR率下，柴油機的NOx排放隨進氣氧濃度的增加而升高。在相同進氣氧濃度下，NOx排放隨著EGR率的增加而降低。2 200r/min、75%負荷工況下，在進氣氧濃度為21%處出現NOx排放的最大降低幅度達到52.5%；2 200 r/min的全負荷工況下，在進氣氧濃度為24%處出現NOx排放的最大降低幅度達到38.4%。與原機相比，在不同進氣氧濃度與EGR率的組合下，NOx排放在部分組合下遠遠低于原機，特別是在較低氧濃度和高EGR率范圍工況內。例如在2 200 r/min、75%負荷工況，EGR率為50%處NOx排放最大降低幅度達到55.2%；進氣氧濃度為22%時，在2 200 r/min、75%負荷工況下，EGR率為50%處其NOx排放最大降低幅度達到24.8%。

圖6　不同進氣氧濃度下EGR率對NOx排放的影響

此外，隨著EGR率增加，稀釋了混合氣，有效降低最高燃燒溫度與壓力，減少了NOx排放。同時，由于直接引入發動機尾氣來進行EGR，并未采取措施來降低EGR中的NOx含量，故NOx排放只在部分工況點優于原機。

在富氧進氣的基礎上引入EGR來同時降低柴油機煙度和NOx排放的關鍵是一定工況下，進氣氧濃度與EGR率的最佳組合匹配。通過上述對2 200 r/min、75%和全負荷工況點的煙度和NOx排放的試驗，綜合考慮，可以得到一定工況點下柴油機使用不同的富氧進氣濃度和EGR率的最佳組合。以2 200 r/min全負荷時為例，當進氣氧濃度21%與EGR率20%組合、氧濃度22%與EGR率50%組合，實現了煙度和NOx排放同時降低的最佳組合，煙度和NOx排放降低比例分別為20.0%和14.8%、6.7%和19.2%。

3　結論

1）單一使用富氧進氣能大幅度降低煙度，但同時也急劇提高了柴油機NOx排放，因此在富氧進氣的基礎上，需要采取必要的措施來降低NOx。

2）富氧進氣柴油機在同一進氣氧濃度下，其有效燃油消耗率隨著負荷的增加而明顯減小；同一負荷時有效燃油消耗率隨著氧濃度的升高而稍有降低，這是因為柴油機渦輪增壓作用提高了原機的進氣密度，一定程度增加了缸內的氧氣濃度，故原機的經濟性已經得到了很好的改善。

3）在富氧燃燒的基礎上，引入EGR可以同時實現柴油機的煙度和NOx排放的降低，其關鍵是在一定的工況點匹配與之相適合的EGR率。當2 200 r/min全負荷工況下，進氣氧濃度21%與EGR率20%組合、氧濃度22%與EGR率50%組合，煙度和NOx排放降低比例分別達到20.0%和14.8%、6.7%和19.2%。

1張韋，舒歌群，沈穎剛，等.EGR與進氣富氧對直噴柴油機NO和碳煙排放的影響［J］.內燃機學報，2012，30（1）：16-21

2Zhang W，Chen Z，Li W，et al.Influence of EGR and oxygenenriched air on diesel engine NO-Smoke emission and combustion characteristic［J］.Applied Energy，2013，107：304-314

3Perez P L，Boehman A L.Performance of a single-cylinder diesel engine using oxygen-enriched intake air at simulated high-altitudeconditions［J］.AerospaceScienceand Technology，2010，14（2）：83-94

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6Ladammatos N，Abdelhalim S M，Zhao H，et al.The dilution，chemical and thermal effects of exhaust gas recirculation on diesel engine emissions-Part 3：Effect of water vapour［C］. SAE Paper 971659

7安曉輝，劉波瀾，張付軍，等.基于氧濃度的EGR對柴油機性能影響的仿真［J］.內燃機學報，2013，31（2）：115-119

8蔣德明.內燃機燃燒與排放學［M］.西安：西安交通大學出版社，2001

An Experimental Study on the Influence of Oxygen-enriched Combustion on the Working
Characteristics of Diesel Engine

Zhou Junjin1，Shen Yinggang2，Xu Bofeng2
1-The Vestibule School in Wenshan State（Wenshan，Yunnan，663309，China）2-Yunnan Key Laboratory of Internal Combustion Engine，Kunming University of Science and Technology

There is an experimental investigation of intake oxygen enrichment on a turbocharged diesel engine，using EGR technology studying the influence of the EGR ratio under different intake oxygen concentration on diesel emission performance，in order to improve the trade-off relation between the NOx and soot.The research shows that，under the same inlet oxygen concentration，the effective specific fuel consumption obviously decreases with the increase of load；and the effective specific fuel consumption slightly declines with the increase of oxygen concentration under the same load.Based on the intake oxygen enrichment，using EGR can both achieve the decrease of soot and NOx emission，the significant point is the fit EGR ratio under certain operating point.Under full charge with 2200r/min，oxygen concentration and EGR ratio are 21%and 20%，22%and 50%，while the emission reduction ratio of soot and NOx are 20.0% and 14.8%，6.7%and 19.2%.

Turbocharged diesel engine，Intake oxygen enrichment，Smoke，NOx

TK421.2

A

2095-8234（2016）04-0015-05

2016-04-25）

國家自然科學基金（51366007）。

周俊瑾（1978-），男，助理講師，主要研究方向為汽車應用技術。