EGR對柴油-天然氣雙燃料發動機稀燃的影響

朱贊， 潘玉萍， 楊升， 宛仕棖， 黃豪中

(1. 廣西玉柴機器股份有限公司， 廣西 玉林 537005； 2. 廣西大學機械工程學院， 廣西 南寧 530004)

EGR對柴油-天然氣雙燃料發動機稀燃的影響

朱贊1， 潘玉萍2， 楊升2， 宛仕棖2， 黃豪中2

(1. 廣西玉柴機器股份有限公司， 廣西 玉林 537005； 2. 廣西大學機械工程學院， 廣西 南寧 530004)

在一臺由柴油機加裝天然氣供給系統改裝而成的雙燃料發動機上進行試驗，分別研究了EGR率和過量空氣系數(φa)隨噴油提前角變化對雙燃料發動機的影響。結果表明：當EGR率為0時，φa過大導致熱效率降低。增大噴油提前角使著火提前，燃燒得以改善，最大壓力升高率和最高燃燒壓力提高，熱值折合燃料消耗率降低。噴油提前角一定時，最大壓力升高率、最高燃燒壓力隨EGR率的增大先升高后降低， 熱值折合燃料消耗率先降低后升高，EGR率為20%時熱值折合燃料消耗率達到最低值。采用EGR技術能有效降低NOx排放，但HC，CO，CH4和炭煙排放隨著EGR率的增大而增大；增大噴油提前角使缸內柴油預混燃燒比例增加，HC，CO，CH4和炭煙排放降低。因此，采用EGR時應適當增加噴油提前角。

雙燃料發動機； 廢氣再循環； 稀薄燃燒； 過量空氣系數； 噴油提前角

柴油引燃預混天然氣是指在雙燃料模式下，天然氣作為雙燃料發動機的主要燃料與空氣混合后進入燃燒室，活塞接近上止點時微量柴油經由噴油器噴入后自著火引燃混合氣體。相比于傳統柴油機，柴油引燃天然氣雙燃料發動機的氮氧化物(NOx)、顆粒物(PM)和二氧化碳(CO2)排放量有所降低[1-3]，但一氧化碳(CO)和總碳氫化合物(THC)的排放增加，而THC中大部分是未燃甲烷(MHC)[4]。因此，當務之急是進一步改善雙燃料發動機的燃油經濟性以及CO和MHC的排放。

自著火正時控制是HCCI雙燃料發動機的研究重點之一，而通過廢氣再循環(EGR)和改變過量空氣系數(φa)可以間接地控制燃燒相位和燃燒持續期。Fathi等[5]通過改變EGR率，研究天然氣-柴油雙燃料HCCI發動機在效率和排放上的最佳燃燒相位，研究顯示，應用EGR之后，經濟性提升，NOx排放降低，但HC和CO排放增加。Jafarmadar等[6]在一臺天然氣-柴油雙燃料HCCI發動機上，保持柴油量不變，研究不同EGR率對燃燒的影響。結果表明：當EGR率從0%增加到30%時，效率從48.9%降低至28.7%，燃燒不完全；因氧濃度降低，混合燃料的累計熱損失從10.1%降低至5.64%。Srinivasan[7]等研究了天然氣-柴油雙燃料發動機引入熱EGR在低負荷時對燃燒穩定性的影響，結果表明，指示平均有效壓力的循環變動率隨著熱EGR率的增加而降低，當噴油定時為60°BTDC時，循環變動由EGR率為0%時的30%降低至EGR率為21%時的5%。Wei[8]等在此基礎上提出，雖然天然氣-柴油雙燃料發動機的有效壓力和傳統柴油機相比較高，有利于噴油的提前及火焰的傳播，但是在低負荷時，需要提高進氣溫度或者引入熱EGR來增強燃燒穩定性。林志強等[9]對柴油引燃式天然氣發動機過量空氣系數的濃限和稀限進行了研究，通過試驗得出結論：天然氣與空氣混合的過量空氣系數存在的最佳范圍為1.4～2.0，超出該濃限，NOx排放將會超出排放法規的限制。宋建桐等[10]研究壓縮天然氣在柴油機上的應用，結果顯示：不同轉速下，隨著過量空氣系數的降低，功率增大，有效燃油消耗率降低，NOx增加，HC和CO的排放在φa>1.6時增加，而在φa<1.6時減少。余小草等[11]在天然氣發動機上研究3種不同稀釋方式對NOx排放的影響，結果表明：采用空氣與EGR雙重稀釋的方式能夠有效拓展天然氣發動機的稀釋極限，并且在經濟性保持不變的情況下大幅降低NOx排放，最大降幅為48%。

雙燃料發動機與傳統柴油機相比，保留了較好的經濟性和動力性，排放性也有所改善，兼具DIESEL和OTTO循環燃燒的特點，但是燃燒過程較為復雜[12-14]。目前，對于雙燃料發動機燃燒過程的研究較少，而EGR和φa對雙燃料發動機燃燒排放的影響非常重要，因此，本研究從折合熱效率、折合燃料消耗率、排溫、壓力升高率、最高燃燒壓力以及NOx，HC，CO和CH4比排放量等方面分析低負荷下EGR和φa對雙燃料發動機的影響，并探究隨噴油提前角的變化，二者對燃燒及排放的影響規律。

1 試驗裝置及試驗方法

試驗采用6缸增壓中冷柴油機，型式為立式、直列、水冷、四沖程，在原機上加裝天然氣供給系統，在燃油供給不變的情況下設計天然氣管路，并對ECU進行匹配設計，使得天然氣進氣能夠準確控制。發動機主要性能參數見表1。

表1 柴油機主要參數

雙燃料發動機首先以純柴油的模式起動，此時總開關閥處于斷開狀態，天然氣中斷，當柴油壓縮著火后，天然氣開始通入，與空氣混合后進入氣缸燃燒。引燃柴油由原機ECU進行控制，天然氣進氣量由天然氣供給系統進行控制。試驗裝置及測量儀器見圖1。

1—空氣流量計；2—空氣濾清器； 3—增壓器； 4—EGR閥； 5—中冷器； 6—電子節氣門； 7—混合器； 8—雙燃料發動機； 9—水溫傳感器； 10—氧傳感器；11—缸壓傳感器； 12—電荷放大器； 13—油軌總成； 14—油泵； 15—濾清器； 16—油箱； 17—ECU； 18—測功機； 19—計算機； 20—Horiba MEXA-7100DEGR排放分析儀； 21—AVL 415SE煙度計； 22—CNG氣罐； 23—高壓電磁閥； 24—高壓減壓器； 25—低壓濾清器； 26—氣軌總成圖1 雙燃料發動機試驗裝置

試驗采用外部EGR，EGR率通過調節EGR閥來控制。由于引入的廢氣溫度較高，通過中冷器對其降溫，同時預熱新鮮空氣。EGR率通過測量進氣中CO2體積分數與排氣中CO2體積分數來計算，計算公式如下：

(1)

式中：φint為進氣中CO2的體積分數；φexh為排氣中CO2的體積分數。

為了更好地比較雙燃料發動機和傳統柴油機的燃油消耗率和熱效率，本研究引入折合燃料消耗率和折合熱效率的概念，通過能量轉化折合成純柴油時的消耗量和熱效率。

折合燃燒消耗量mdual：

(2)

熱值折合燃料消耗率bdual：

(3)

式中：mdual，mdiesel，mCNG分別為雙燃料、柴油和天然氣的消耗量；HuCNG和Hudiesel分別為天然氣和柴油的低熱值，HuCNG/Hudiesel=1.15。

此外，過量空氣系數φa定義如下：

(4)

式中：mair是空氣質量流量；ldiesel和lCNG分別是柴油和天然氣的化學計量空燃比。

試驗時，在轉速為1 720 r/min、扭矩為370 N·m(相當于33%的負荷)、柴油引燃量為0.178 g/cyc的條件下，進行噴油提前角、EGR率和φa對雙燃料發動機燃燒和排放的影響的分析研究。其中，噴油提前角在5°～22°BTDC范圍內變化，φa在EGR率為0時取1.6和1.95， EGR率在φa為1.3時分別取10%，20%，30%，40%進行研究。

2 試驗結果與討論

2.1 EGR率和φa對雙燃料發動機燃燒特性的影響

圖2示出了EGR率和φa對雙燃料發動機熱值折合燃料消耗率的影響。由圖可以看出，當EGR率為0時，φa越大，熱值折合燃料消耗率越大。這是因為在小負荷工況下，φa較大時缸內混合氣較稀，引燃柴油點燃預混合氣后無法形成正常的火焰傳播，且天然氣的火焰傳播速率較低，導致不完全燃燒。為保證輸出功率，必須增大天然氣的噴氣量，因而熱值折合燃料消耗率較高。隨著噴油提前角的增大，混合質量變好，著火時間提前，燃燒得以改善，故熱值折合燃料消耗率下降。由圖可見，隨著EGR率的增大，熱值折合燃料消耗率先降低后升高，在EGR率為20%時達到最小值。這是由于EGR率的增大使缸內廢氣增加，需要增大節氣門開度以保證缸內空氣量不變，增大節氣門開度能夠有效降低泵氣損失，同時，EGR率增大導致循環變動增大，燃燒穩定性下降，綜合以上兩方面影響可得出，存在一個最優EGR率使熱值折合燃料消耗率最低。當EGR率過高時，混合氣氧濃度減小，燃燒溫度降低，導致燃燒不完全，熱值折合燃料消耗率增大。

圖2 EGR率和φa對熱值折合燃料消耗率的影響

圖3與圖4分別示出了EGR率和φa對雙燃料發動機最大壓力升高率和最高燃燒壓力的影響。由圖可知，EGR率和φa對雙燃料發動機的燃燒有著重要影響。從圖中可以看出，最高燃燒壓力的變化趨勢與最大壓力升高率的變化趨勢大致相同。當EGR率為0時，φa越大，最大壓力升高率越小，最高燃燒壓力也越小。這是因為φa較大時，混合氣較稀，燃燒速率降低，最大壓力升高率和最高燃燒壓力隨之降低。隨著噴油提前角的增大，柴油著火滯燃期延長，缸內柴油預混燃燒比例增加，因而最大壓力升高率和最高燃燒壓力均呈上升趨勢。噴油提前角較小時，不同EGR率的最大壓力升高率差距較大，隨著噴油提前角的增大，這一差距逐漸減小。當噴油提前角一定時，隨EGR率增大，最大壓力升高率和最高燃燒壓力先升高后降低，在20%時達到最大值。這是因為EGR率較小時，θCA50對應的曲軸轉角逐漸靠近上止點，當EGR率為20%時，對應的曲軸轉角在上止點附近，最大壓力升高率和最高燃燒壓力最高。隨著EGR率的增大，缸內的CO2，N2等高比熱容氣體濃度增大，氧濃度減小，燃燒速度變慢，放熱率下降，θCA50對應的曲軸轉角逐漸靠后，最大壓力升高率和最高燃燒壓力降低。

圖3 不同EGR率和φa下的最大壓力升高率

圖4 不同EGR率和φa下的最高燃燒壓力

2.2 EGR率和φa對雙燃料發動機排放特性的影響

圖5示出了EGR率和φa對雙燃料發動機NOx比排放量的影響。由圖可以看出，EGR率為0時，φa越大，NOx比排放量越低；隨著噴油提前角的增大，NOx比排放量增大。這是因為隨著φa增大，缸內混合氣變稀，燃燒溫度降低，不利于NOx生成，因此NOx比排放量降低。增大噴油提前角將延長燃氣在高溫中滯留的時間，同時，缸內燃燒溫度升高，兩者共同作用導致NOx的比排放量進一步增加。當增大EGR率時，EGR的稀釋作用和高比熱容導致缸內氧濃度減少，燃燒溫度降低，NOx比排放量急劇減小，但是隨著噴油提前角的增大逐漸增大。

圖5 不同EGR率和φa下的NOx比排放量

圖6至圖8分別示出了EGR率和φa對雙燃料發動機HC，CO和CH4比排放量的影響。由圖可知，雙燃料發動機HC，CO和CH4比排放量的趨勢大致相同。在EGR為0時，φa越大，HC，CO和CH4比排放量也越大。隨著噴油提前角的增大，HC，CO和CH4比排放量逐漸減小。當噴油提前角一定時，EGR率越大，HC，CO和CH4比排放量也越大。EGR率一定時，隨著噴油提前角的增加，HC，CO和CH4比排放量均呈下降趨勢。這是因為隨著φa增大，缸內混合氣變稀，燃燒不充分使得HC的生成量大幅上升。增大噴油提前角能夠使燃燒提前、混合氣燃燒更充分，HC，CO和CH4比排放量減少。EGR率增大時，廢氣相對過多會使得火焰中心形成與火焰傳播受阻，同時缸內燃燒溫度低，致使HC和CO排放量增大。EGR率增大，則著火滯燃期延長，燃燒溫度下降，混合氣燃燒不充分，使得CH4的排放增多。

圖6 不同EGR率和φa下的HC比排放量

圖7 不同EGR率和φa下的CO比排放量

圖8 不同EGR率和φa下的CH4比排放量

圖9示出了EGR率和φa對雙燃料發動機煙度的影響。可以看出，EGR率為0，φa為1.6和1.95時，煙度大致相同，約為0.05 FSN。當噴油提前角一定時，隨著EGR率的增大，煙度值增大；隨著噴油提前角的增大，煙度值呈下降趨勢。柴油機排放的顆粒是燃料在高溫缺氧的環境下經過裂解脫氫后的產物，在燃燒過程中非均相燃燒形成碳核，隨著EGR率增大，混合氣中氧氣濃度減小，高溫缺氧條件下導致炭煙生成量增多，煙度值升高。當有EGR時，增加噴油提前角可以降低炭煙排放。

圖9 不同EGR率和φa下的煙度

3 結論

a) 當EGR率為0時，隨φa的增大，熱值折合燃料消耗率增大，最大壓力升高率和最高燃燒壓力減小，NOx比排放量減少，而HC，CO和CH4比排放量增加，炭煙排放變化不大；

b) EGR率一定時，隨噴油提前角的增大，熱值折合燃料消耗率降低，最大壓力升高率和最高燃燒壓力升高，NOx比排放量增大，HC，CO和CH4比排放量和炭煙排放減小；

c) 噴油提前角一定時，隨EGR率的增大，最大壓力升高率和最高燃燒壓力先升高后降低，熱值折合燃料消耗率先降低后升高，NOx比排放量減小，HC，CO和CH4比排放量和炭煙排放增大；噴油提前角較小，EGR率為20%時，最大壓力升高率和最高燃燒壓力最大，熱值折合燃料消耗率最小；

d) 采用EGR技術可以有效降低柴油-天然氣雙燃料發動機的NOx排放，但會帶來HC，CO和CH4排放的增加；試驗表明，采用EGR時，在發動機許用壓力范圍內，應適當增大噴油提前角，以達到同時降低NOx，HC，CO，CH4和炭煙排放的目的。

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[編輯： 姜曉博]

Effects of EGR on Lean Burn of Diesel-natural Gas Dual Fuel Engine

ZHU Zan1, PAN Yuping2, YANG Sheng2, WAN Shicheng2, HUANG Haozhong2

(1. Guangxi Yuchai Machinery Co., Ltd., Yulin 537005, China;2. College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

The changes of EGR rate and excess air coefficient with injection advance angle were researched on a retrofitted dual fuel engine by mounting the natural gas system to diesel engine. The results show that the large excess air coefficient will lead to the low heat efficiency when the EGR rate is zero. The increasing of injection advance angle can advance the ignition, improve the combustion, raise the maximum pressure rise rate and the maximum combustion pressure and drop the fuel consumption equivalent to calorific value. For a constant injection advance angle, the maximum pressure rise rate and the maximum combustion pressure first increase and then decrease and the fuel consumption equivalent to calorie value changes conversely with the increase of EGR rate. The equivalent fuel consumption reaches the minimum value when the EGR rate is 20%. EGR can reduce NOxemission effectively, but will increase HC, CO, CH4and soot emission. Increasing the injection advance angle can increase the proportion of in-cylinder premixed combustion and thereby reduce those four emissions. Accordingly, increasing the injection advance angle should be considered when using EGR.

duel fuel engine; EGR; lean burn； excess air coefficient; injection advance angle

2016-07-18；

2016-11-09

廣西科學研究與技術開發計劃(桂科攻1598007-44)；廣西自然科學基金資助項目(2014GXNSFGA118005)

朱贊(1984—)，男，博士，主要研究方向為天然氣發動機燃燒與排放控制；dieselzhu@163.com。

黃豪中(1976—)，男，教授，博士，主要研究方向為發動機燃燒與排放控制；hhz421@gxu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.009

TK421.5

B

1001-2222(2017)01-0049-05