富氧燃燒結合EGR技術控制柴油機排放的試驗研究*

周明1 沈穎剛 朱文霞

（1-云南機電職業技術學院云南昆明6502032-昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室）

·研究·開發·

富氧燃燒結合EGR技術控制柴油機排放的試驗研究*

周明1沈穎剛2朱文霞2

（1-云南機電職業技術學院云南昆明6502032-昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室）

提出了采用富氧燃燒結合EGR技術來解決柴油機碳煙和NOx排放凈化方法相互矛盾的問題。在一臺增壓柴油機上試驗研究了不同進氣氧濃度和不同EGR率組合對柴油機碳煙和NOx排放的影響，以及對有效燃油消耗率和最大輸出功率的影響，并利用MATLAB軟件處理，得到最佳富氧進氣濃度和EGR率匹配控制排放的MAP圖。研究結果表明，富氧燃燒結合EGR技術能夠同時降低碳煙和NOx排放，并保證其經濟性及動力性。

柴油機富氧燃燒EGR控制排放

引言

柴油機具有熱效率高和動力性強且耐久性能好等優勢，使用越來越廣泛，同時柴油機的排放問題逐漸引起廣泛關注[1]。柴油機排放污染物主要有微粒（PM）、NOx、HC、CO等，其中微粒、NOx和硫化物進入大氣中形成氣溶膠，是產生霧霾的主要原因之一[2]。其中排氣微粒由可溶性有機組成（SOF）、碳煙和硫酸鹽組成[3]。隨著排放法規的日趨嚴格，不斷提高和創新柴油機燃燒和控制技術，是實現未來柴油機排放和運行要求的關鍵[4]。目前，廢氣再循環（EGR）技術是控制柴油機NOx生成最有效的措施，但同時EGR參與燃燒會造成碳煙（Soot）和燃油消耗率（BFSC）快速升高等問題[5-6]。在柴油機上實現富氧燃燒可提高燃料和氧氣的混合質量，火焰傳播速度加快，燃燒溫度升高，提高了柴油機的熱效率，改善了HC、CO和碳煙排放，但會導致NOx排放升高[7-8]。

因此，本文旨在保證發動機經濟性及動力性的前提下，采用富氧燃燒結合EGR技術來探究增壓柴油機同時降低碳煙和NOx排放的新方法，為實現柴油機高效清潔燃燒的有效控制提供一定的科學試驗數據和理論分析。

圖1 試驗臺架設計與布置圖

1實驗裝置和方法

本研究選用氧氣罐來提供增壓柴油機進氣所需的氧氣來源（純氧），罐內液氧汽化后與空氣混合進入發動機進氣管。同時要求保證準確得到實驗所需要的EGR率，所以需要對整個進氣系統和EGR循環系統進行合理設計。

1.1 實驗裝置

試驗研究所選用的樣機是一臺4100QBZL-2增壓柴油機，該發動機主要技術參數見表1。

試驗中所用的設備主要有AVL電渦流測功機、AVL DIGAS 4000 Light五組分汽車排放分析儀、FBY-1型自動煙度計、P-190-O2-R100%VOL型便攜式氧氣檢測儀等等。

表1 試驗發動機主要結構參數

1.2 實驗方案

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，試驗臺架設計總布置見圖1。

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廢氣稀釋后的進氣中CO2的體積百分比；（CO2）exhaust表示排氣中CO2的體積百分比。

2實驗結果及分析

本研究在天津大學內燃機國家重點實驗室進行，試驗時保持發動機參數不變，文中選取了發動機轉速為1 600 r/min來分析研究，其負荷由25%、50%、75%和100%依次遞增，進氣氧濃度由原機、21%、22%、23%、24%依次遞增，EGR率由20%、35%、45%、50%依次遞增，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。

2.1煙度分析

圖2和圖3分別為轉速為1 600r/min時，75%負荷和全負荷的情況下，不同EGR率和氧濃度對柴油機煙度排放的影響。

由圖2和圖3可知，在同一進氣氧濃度下，隨EGR率不斷升高，稀釋了進氣新鮮充量，缸內氧濃度降低，燃料燃燒不完全，導致柴油機煙度增大。而在相同EGR率下，其煙度隨進氣氧濃度的升高而顯著降低。這是由于氧濃度增大，使燃燒更加充分，缸內高溫過濃局部區域減少。

圖2 75%負荷時的煙度變化

圖3 100%負荷時的煙度變化

同時，由圖可以看出，與原機相比，在不同進氣氧濃度和EGR率的組合下，其發動機的大部分組合都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1 600 r/min-75%負荷工況點出現了煙度降低的最大幅度為71.4%。這是由于富氧進氣與EGR共同作用，彌補了相互的不足，尤其是富氧進氣濃度達到22%以上時，氧氣發揮主要作用，促進了空氣與燃油的混合，使燃料完全燃燒。在直接引入發動機排放尾氣進行EGR時，設計了排氣穩壓罐、中冷、混合穩壓罐等來冷凝和沉淀廢氣中的微粒，有利于煙度降低，基本遠遠優于原機。

2.2 NOx排放分析

圖4和圖5是轉速為1 600 r/min時，75%和100%負荷工況點下，不同EGR率和氧濃度對柴油機NOx排放的影響。圖6和圖7是轉速為1 600 r/min時，負荷分別為75%和100%工況點下，進氣中NOx含量的變化。

由圖4和圖5可知，在同一進氣氧濃度下，NOx隨著EGR率的增加而大幅度降低。這是由于隨著EGR率增加，缸內CO2濃度增大，缸內工質比熱容增大，有效降低了最高燃燒溫度與壓力，從而減少了NOx排放。而在相同EGR率下，隨著進氣氧濃度增大，燃燒更加充分，缸內高溫富氧區域增多，導致其NOx排放升高。且在1 600 r/min、75%負荷工況點，在進氣氧濃度為21%時NOx排放的最大降低幅度達到53.6%；同時在1 600 r/min、全負荷工況點，進氣氧濃度為24%時其最大降低幅度達到58.8%。

與原機相比，在不同進氣氧濃度與EGR率的組合下，富氧與EGR的共同作用下，柴油機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，如在進氣氧濃度為21%，轉速為1 600 r/min-100%負荷工況點，EGR率為50%時出現NOx排放最大降低幅度達到56.7%。

此外，由于直接使用發動機的尾氣來進行EGR，故在進行EGR的同時就一起引入了部分NOx，并隨著EGR率的增加而增加（見圖6，圖7）。由圖可知，如果進一步采取措施降低引入進氣中的NOx含量，將會使得柴油機采用富氧燃燒與EGR結合的方法取得更好效果。因此，增壓柴油機采用富氧燃燒與EGR相結合的方法來同時降低煙度和NOx排放是可行的。

圖4 75%負荷時NOx排放的變化

圖5 100%負荷時NOx排放的變化

圖6 1600 r/min-75%負荷時進氣中NOx含量

2.3 經濟性分析

采用富氧燃燒結合EGR技術對增壓柴油機進行排放特性研究的同時，還研究了其對經濟性能的影響。圖8是在發動機轉速為1 600 r/min-100%負荷時，在不同進氣氧濃度下，不同EGR率對柴油機有效燃油消耗率的影響。

圖7 1600 r/min-100%負荷進氣中NOx含量

圖8 1600 r/min-100%負荷有效燃油消耗率的變化

由圖8可知，在1 600 r/min-100%負荷時，在相同進氣氧濃度下，隨著EGR率增大，缸內過量空氣系數降低，燃料不能充分燃燒，燃料利用率降低，導致有效燃油消耗率顯著升高。在同一EGR率下，有效燃油消耗率隨著進氣氧濃度的增加呈現先降后升的趨勢。這是由于富氧進氣，使缸內氧濃度增大，燃燒更加充分，彌補了EGR帶來的不足，有利于降低有效燃油消耗率。與原機相比，在富氧進氣與EGR率的部分組合下其有效燃油消耗率與原機基本相當。如在1 600 r/min全負荷工況下，EGR率在20%～45%范圍內，其經濟性基本與原機相同；當EGR率在45%～50%（含45%）范圍內與原機相比，其最大影響在10%左右。其中在進氣氧濃度為21%～24%之間，當富氧到達一定程度時，氧濃度對經濟性影響趨于穩定，柴油機的比油耗出現了小幅度的上升。

2.4 動力性分析

富氧進氣柴油機引入EGR后，對柴油機的動力性能產生了一定的影響。圖9是發動機轉速為1600 r/min全負荷時，在不同進氣氧濃度下，不同EGR率對發動機輸出功率的影響。

圖9 1600 r/min-100%負荷時最大輸出功率的變化

由圖9可知，在1 600 r/min-100%負荷工況下，同一進氣氧濃度時，發動機的最大功率隨著EGR率的升高而降低。在同一EGR率下，隨著進氣氧濃度增加，發動機最大功率呈現先升高后降低的變化趨勢，且其降低幅度較小，僅約為3.1%（即1 600 r/min時進氣氧濃度為23%～24%，EGR率為35%時）。這是因為富氧進氣與EGR共同作用對增壓柴油機的動力性產生了影響。富氧進氣，缸內氧濃度增大，燃燒更加充分，特別是在全負荷時，氣缸內過量空氣系數較小，利用富氧技術可以改善混合氣的形成和燃燒，導致發動機最大功率隨著進氣氧濃度的增大而升高。但進氣氧濃度為21%～24%之間時，當氧濃度增加到一定程度時，EGR比氧濃度更容易影響發動機的動力性，故最大功率具有先升后稍降的趨勢。

與原機相比，EGR率20%～45%范圍內與原機基本相當，而EGR率在45%～50%時對其動力性的影響程度受工況點影響較大。

2.5 富氧進氣濃度與EGR率最佳組合的選擇與確定

圖10為1 600 r/min時，在不同負荷下，通過綜合考慮排放指標（主要是煙度和NOx）、經濟性以及動力性指標，得到進氣氧濃度和EGR率的最佳組合MAP圖。

采用富氧進氣結合EGR技術，二者可以互相彌補不足，大幅度降低排氣中碳煙和NOx排放。但是，采用EGR和富氧進氣結合技術時，其EGR率與氧濃度的選擇需要通過在發動機上進行大量試驗，對有害排放物（主要是NOx和微粒）、油耗、功率和燃燒過程等進行分析對比，綜合考慮發動機性能指標參數，進行精確匹配。在1 600 r/min時的10%、25%、50%、75%和100%負荷中，綜合考慮排放指標（主要是煙度和NOx）、經濟性以及動力性指標，可以確定在一定工況下進氣氧濃度與EGR率的最佳組合，如圖10所示。

圖10 1600 r/min進氣氧濃度與EGR率最佳組合的MAP圖

3結論

1）富氧燃燒結合EGR技術能夠同時降低煙度和NOx排放，并保證其經濟性及動力性，柴油機實現清潔排放可行。

2）富氧進氣在21%～24%與EGR率在20%～50%的范圍內組合匹配，與原機相比，大部分組合下發動機煙度都遠遠低于原機，在發動機1 600 r/min-75%負荷，富氧進氣24%和EGR20%的組合時，煙度降低的最大幅度達到71.5%。

3）富氧進氣在21%～24%與EGR率在20%～50%的范圍內組合匹配，與原機相比，在部分組合下增壓柴油機NOx排放低于原機，在1 600 r/min100%負荷，進氣氧濃度21%、EGR率50%時，NOx排放最大降低比例達到56.7%。

4）富氧進氣在21%～24%與EGR率在20%～50%的范圍內組合匹配，與原機相比，1 600 r/min全負荷工況下，EGR率在20%～45%時，其比油耗和最大輸出功率基本與原機相當。

5）直接引入發動機尾氣來進行EGR的同時，引入了部分NOx，可使NOx排放在部分工況點優于原機。

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3吳鳳英，苗家軒，徐斌，等.柴油機排氣微粒組分及尺寸分布研究現狀分析[J].環境工程，2015，33（5）：114-117

4Wang J.Air fraction estimation for multiple combustion mode diesel engines with dual-loop EGR systems[J].Control Engineering Practice，2008,16(12):1479-1486

5Chen G,Shen Y,Zhang Q,et al.Experimental study on combustion and emission characteristics of a diesel engine fueled with 2,5-dimethylfuran-diesel,n-butanol-diesel and gasoline-diesel blends[J].Energy,2013,54:333-342

6Yao M,Zhang Q C,Liu H F,et al.Diesel engine combustion control:Medium or heavy EGR[C].SAE Paper 2010-01-1125

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An Experimental Research on the Emission Control via the Combination of Oxygen-enriched combustion and EGR Technology for a Turbocharged Diesel Engine

Zhou Ming1,Shen Yinggang2,Zhu Wenxia2
1-Yunnan Vocational College of Mechanical and Electrical Technology(Kunming,Yunan,650203,China) 2-Faculty of Transportation Engineering,Kunming University of Science and Technology

In this paper,a new controlling means is presented by the combinations of oxygen-enriched combustion and EGR technology together,in order to solve contradiction of purification method for PM and NOx.Not only effective specific fuel consumption and maximum power output but also Smoke and NOxemission are to be studied by combinations of mutative intake oxygen concentration and different EGR rate on a turbocharged diesel engine,and a MAP picture of optimal combinations between intake oxygen concentration and EGR rate is gained by using MATLAB software.The results show that the combinations of oxygen-enriched combustion and EGR technology could simultaneously reduce Smoke and NOx,and preserve the power performance and fuel economy.

Diesel engine,Oxygen-enriched combustion,EGR,Control,Emission

U464.172

A

2095-8234（2016）06-0001-06

2016-09-25）

國家自然科學基金（51366007）。

周明（1969-），男，副教授，主要研究方向為汽車應用技術。

沈穎剛（1965-），男，教授，博士，主要研究方向為內燃機燃燒與排放控制。