EGR率和進氣溫度耦合作用下的低溫燃燒試驗研究

楊欣欣， 石磊， 曲栓， 劉勝， 曹杰， 鄧康耀， 楊震寰

(1. 上海交通大學機械與動力工程學院， 上海 200240; 2. 中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

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EGR率和進氣溫度耦合作用下的低溫燃燒試驗研究

楊欣欣1， 石磊1， 曲栓2， 劉勝2， 曹杰2， 鄧康耀1， 楊震寰2

(1. 上海交通大學機械與動力工程學院， 上海 200240; 2. 中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

基于冷熱廢氣再循環(exhaust gas recirculation，EGR)雙回路系統，通過進氣溫度與EGR率解耦控制，研究了EGR率和進氣溫度對柴油低溫燃燒和排放的影響，并在低溫燃燒負荷上限探索EGR率和進氣溫度耦合作用規律。研究結果表明，負荷上限時，進氣溫度升高對進氣充量的稀釋作用占主導地位，進氣溫度升高對燃燒起抑制作用。 EGR率和進氣溫度的耦合作用在負荷上限時體現在：低EGR率、高進氣溫度時，燃燒始點提前、燃燒持續期增大；高EGR率、低進氣溫度時，指示功增加，平均有效壓力增大。EGR率升高，NOx排放量降低，進氣溫度升高，HC，CO排放量升高。

內燃機； 廢氣再循環； 進氣溫度； 燃燒； 排放

低溫燃燒是一種高效清潔的燃燒技術，已經成為近年來內燃機領域的熱門研究問題之一。廢氣再循環(EGR)與進氣溫度都是低溫燃燒的重要邊界條件，二者的控制往往耦合在一起。

EGR技術是將循環廢氣導入氣缸，對進氣進行稀釋，可以降低缸內氧濃度，從而降低燃燒速率，直接對燃燒和排放產生影響；同時，采用EGR技術將大量較空氣比熱容高的三原子氣體 (H2O，CO2)引入氣缸，可以提高缸內工質的平均比熱容，對燃燒溫度的升高起到抑制作用，而EGR引入的惰性分子減緩了燃燒鏈式反應的速率，可以降低最高燃燒溫度；若EGR引入氣缸內的廢氣溫度高于新鮮進氣，那么EGR會對進氣進行加熱，進氣溫度升高將有利于柴油的蒸發混合 ，促進均質混合氣的形成 ，同時預混壓燃在溫度較高時易于發生。廢氣再循環已成為控制低溫燃燒的重要方法之一[1-4]。

對于基于兩段噴射的低溫燃燒，進氣溫度對燃燒和排放具有兩方面影響：一方面，進氣溫度的提高會使進氣充量的密度降低，對燃燒效率和平均有效壓力的提高不利；另一方面，進氣溫度的提高有利于主噴射燃油的蒸發，有助于形成更多的均質混合氣，而且高的缸內溫度會對低溫燃燒起到促進作用。在不同的負荷工況下，上述兩個影響規律所占的比重也會改變，使得進氣溫度對低溫燃燒的影響規律更加復雜[5-6]。

所以探究EGR率和進氣溫度的耦合作用對低溫燃燒試驗的影響具有非常重要的意義。許多學者對EGR率和進氣溫度對低溫燃燒的影響對進行了大量研究。Yin B等[7]發現具有較高EGR率的延遲噴射策略可以同時降低NOx和炭煙。Zhao Wei等[8]通過改變EGR率和后噴射正時對改進的單缸柴油發動機進行了試驗研究,研究表明，低EGR率下，峰值放熱率逐漸增加，高EGR率下，峰值放熱率逐漸降低。劉忠民等[9]通過建立燃燒室有限元模型，計算EGR率和進氣溫度對重油燃燒過程中NOx排放的影響，最終通過耦合EGR率和進氣溫度來控制NOx的排放。柴智剛等[10]在電控高壓共軌柴油機上進行試驗研究，發現EGR率的升高提高了進氣比熱容，降低缸內平均溫度，從而降低了NOx排放，且在中小EGR率下，提高噴油壓力加速了燃油和空氣的混合程度，從而有效降低炭煙排放。胡松等[11]考慮了進氣溫度等5個參數，基于三韋伯方程建立了增壓柴油機燃燒模型，計算出各燃燒參數，且分析比較了模型的優越性。張玉[12]通過對4100柴油機數值模擬發現：當進氣溫度低40 ℃時，發動機炭煙和NOx的排放會同時降低；在進氣溫度為20 ℃時，柴油機的排放性能最佳。天津大學的楊彬彬[13]通過試驗發現：隨著進氣溫度的提高，燃料活性增加，滯燃期逐漸縮短，但變化幅度較小；EGR 率為40%時，不同進氣溫度下的燃燒始點基本不變；隨著進氣溫度的升高，新鮮進氣量減少，缸內峰值壓力下降。

本研究基于搭建的冷熱EGR雙回路試驗臺架，通過調節EGR閥及排氣背壓閥來控制EGR率和進氣溫度，研究了EGR率和進氣溫度對于燃燒性能和排放的影響，并且在低溫燃燒負荷上限對EGR率和進氣溫度耦合作用的規律進行了探索。

1 試驗臺架及方案

本研究選用的是一臺135單缸水冷式四沖程柴油機，在原有系統的基礎上改造了高壓共軌噴射系統，其原理示意見圖1。試驗中所使用的主要儀器有AVL五氣分析儀、煙度分析儀、壓電缸壓傳感器、FC2210油耗儀、數據采集卡、Kistler電荷放大器。

圖1 試驗發動機臺架示意

2 EGR率對兩段噴射低溫燃燒的影響

本研究分別在固定發動機運行工況和固定噴油參數的條件下，探究EGR率的改變對低溫燃燒和排放的影響。在本試驗中為了使進氣溫度對燃燒和排放的影響足夠小，關閉了熱EGR閥，循環廢氣經過冷卻EGR回路回流到氣缸中，調節冷卻EGR回路的冷卻水量使得進氣溫度維持在(25±5) ℃。其他試驗參數設置為轉速1 200 r/min，首段噴射燃油比例80%，首段噴射提前角(以曲軸轉角計)上止點后-60°，末段噴射提前角上止點后-20°，循環噴油量90 mg/cycle。

在定噴油參數和定工況的條件下，改變閥門開度即改變EGR率，試驗選取9個閥門開度進行研究，對應的EGR率分別為0%，10%，22%，32%，41%，50%，56%，71%及82%。在該工況下，放熱率、缸內壓力隨曲軸轉角的變化見圖2。

圖2 1 200 r/min, Tin= 25 ℃時，不同EGR率下缸壓、 放熱率隨曲軸轉角的變化規律

由圖2a可以看出，隨著EGR率的增大，燃燒的缸壓曲線向右下方移動，說明燃燒持續期延長，同時燃燒的最大壓力降低。圖2b中燃燒始點隨EGR率增加而推遲，放熱率峰值相位也隨之推遲，EGR率大于41%時更加明顯，說明兩段燃油噴射的低溫燃燒對EGR率的變化很敏感，控制EGR率能夠有效控制燃燒相位，所以調節EGR率是優化低溫燃燒的有效方法。

圖3示出了EGR率對燃燒始點、燃燒持續期、平均有效壓力(IMEP)和指示熱效率(ηi)的影響。

由圖3a可見，燃燒始點對EGR率的變化很敏感，隨著EGR率的增加而推遲；燃燒持續期隨著EGR率的增加而縮短，與傳統燃燒方式(隨EGR率的增加而延長)不同，燃燒持續期對EGR 率的變化不敏感，整個燃燒放熱過程因滯燃期縮短而縮短，所以燃燒持續期也相應縮短。

由圖3b可見，平均有效壓力和ηi隨EGR率的增加而增加，由于可以通過EGR率對燃燒持續期及燃燒相位進行控制，所以采用合適的EGR率可以有效地避免燃燒過早或過遲，從而提高平均有效壓力和ηi。

圖3 1 200 r/min, Tin= 25 ℃時，EGR率對燃燒始點、 燃燒持續期、平均有效壓力和指示熱效率的影響

圖4示出了EGR率對NOx，CO和HC排放的影響情況。

圖4 1 200 r/min, Tin= 25 ℃時,EGR率對NOx， CO和HC的影響

圖4中，NOx的排放量隨EGR率的增加而明顯降低，CO的排放量隨EGR率的增加而升高。這是因為燃燒溫度隨EGR率的增加而降低，而形成NOx及CO轉化為CO2都需要高溫、富氧。該工況為高負荷(循環噴油量為90 mg/cycle)工況, 缸內溫度要比低負荷時高很多，所以NOx排放量也相對較高，在該工況下，為了滿足NOx排放量少于100×10-6，需要將EGR率控制在40%以上。在EGR率低于40%時，CO的排放量增加很緩慢，高于40%后增加迅速，這與EGR率對溫度的影響規律相符合。

同時可以看出，以EGR率40%為分界點，HC的排放量隨EGR率的增加而先緩慢增多，后急劇增加，這是因為隨著EGR率的增加，燃燒始點推遲，燃燒溫度降低，引起氣缸壁周圍的邊界層厚度增大，而氣缸壁附近的邊界層的低溫混合油氣很難燃燒，從而排氣中的HC排放量增加。

3 負荷上限進氣溫度對兩段噴射低溫燃燒的影響

本研究通過調節冷熱EGR閥的開度實現對進氣溫度的控制，同時利用了循環高溫廢氣來加熱新鮮空氣。由試驗可知，EGR率過小，可控溫度范圍較窄，EGR率過高燃燒不穩定，EGR率取50%時，進氣溫度可控制范圍較大，為30～95 ℃之間。本研究以NOx排放大于100×10-6為負荷上限的判斷標準，這樣可以充分保證低溫燃燒的低NOx排放優勢。試驗中將燃燒上限拓展到了循環油量90 mg/cycle，研究進氣溫度對燃燒和排放的影響。試驗參數設置為EGR率50%，首段噴射燃油比例80%，首段噴射提前角上止點后-60°，末段噴射提前角上止點后-20°，轉速1 000 r/min。

圖5至圖7分別示出了進氣溫度在負荷上限時對最大燃燒放熱率、最高燃燒溫度、燃燒始點及排放產物的影響。

圖5 負荷上限，1 000 r/min， EGR率50%時,缸壓和 最大燃燒放熱率的變化規律

由圖5a可以看出，隨著進氣溫度的升高，燃燒的缸壓曲線略微向下移動，說明燃燒的最大壓力隨進氣溫度的升高而略有降低。圖5b中，負荷上限工況下，循環油量較大，缸內空燃比較小，進氣溫度的升高減少了新鮮空氣充量，降低了氧濃度，對燃燒反應起到了一定的抑制作用，進氣溫度升高對進氣量不利，最大燃燒放熱率下降。

圖6a中燃燒始點隨著進氣溫度的提高而略有提前，但是變化的幅度較小。一方面，進氣溫度的提高促進了預混燃油的蒸發和混合，使燃燒放熱始點有提前的趨勢；另一方面，由于此時循環油量較大，缸內空燃比較低，而進氣溫度的升高減少了新鮮的空氣充量，使得缸內氧濃度降低，對燃燒反應的發生起到了抑制作用，使燃燒放熱始點有推遲的趨勢。兩方面因素對燃燒過程的綜合作用使得燃燒始點隨著進氣溫度的提高而略有提前。對于基于兩段噴射的低溫燃燒，其燃燒終點的位置受燃燒邊界條件的影響不大。因而燃燒始點提前的同時，燃燒持續期也增大。

圖6b中，平均有效壓力和ηi隨進氣溫度的增加而降低。在負荷上限，缸內噴油量大，缸內燃空比較大，不會對平均有效壓力的提高起到抑制作用。

圖6 負荷上限，1 000 r/min，EGR率50%時，進氣溫度對最高燃燒溫度和燃燒始點的影響

由圖7可見，NOx排放量很少，且隨進氣溫度變化的幅度不大,這是因為本研究是基于兩段噴射的預混燃燒，EGR率大，燃燒溫度較低，可以避開生成NOx較多的高溫區域。在負荷上限，隨進氣溫度升高，新鮮充量會被稀釋，氧濃度降低，燃燒溫度也隨之降低，CO，HC的排放量均隨著進氣溫度的升高而增多。

圖7 負荷上限，1 000 r/min，EGR率50%時，進氣溫度 對排放的影響

4 負荷上限時EGR率和進氣溫度的耦合作用規律

以NOx的排放大于100×10-6為負荷上限的判斷標準。試驗中將燃燒上限拓展到了循環油量90 mg/cycle。試驗參數設置如下：EGR率分別取15%，30%，45%，60%，首段噴射燃油比例80%，首段噴射提前角上止點后-60°，末段噴射提前角上止點后-20°，轉速1 000 r/min。

4.1 對燃燒的耦合作用規律

由圖8可以看出，在負荷上限(循環噴油量為90 mg/cycle)時，隨著EGR率的減小與進氣溫度升高，燃燒始點提前、燃燒持續期增大。這是因為缸內的氧濃度上升，燃油蒸發率增大，缸內均質混合氣增多，缸內溫度升高，這些因素對燃燒著火起到了有利的作用，故燃燒始點提前。基于兩段噴射的低溫燃燒的燃燒終點受邊界條件的影響不大，故燃燒持續期增大。

圖8 負荷上限，1 000 r/min ，EGR率和進氣溫度對燃燒 相位的耦合作用規律

由圖9可見，在負荷上限，當EGR率升高、進氣溫度降低時，平均有效壓力增大，發動機輸出功率增高。進氣溫度的降低增加了進氣密度，提高了進入氣缸的新鮮充量，有利于平均有效壓力的提高。而在大負荷下，由于缸內噴油量大，缸內燃空比較大，燃燒相位過于靠前，不利于平均有效壓力的提高，EGR 率的提高可以有效推遲燃燒相位，使燃燒的指示功增加，平均有效壓力提高。所以，提高EGR率可以有效推遲燃燒相位，增加指示功，提高平均有效壓力。

圖9 負荷上限，1 000 r/min ，EGR率和進氣溫度對 平均有效壓力的耦合作用規律

4.2 對排放的耦合作用

由圖10可見，在負荷上限時，NOx排放受EGR率影響很大，而受進氣溫度的影響較小。隨著EGR率的提高，NOx排放量迅速降低，原因是提高EGR率可以明顯降低燃燒溫度，從而優化NOx排放。在此工況下，若要達到NOx排放在100×10-6以下，EGR率要在40%以上。HC和CO的排放量受進氣溫度和EGR率的共同影響，但主要受進氣溫度的影響；進氣溫度的升高和EGR率的增大，對新鮮充量的稀釋作用明顯，HC，CO等不完全燃燒產物排放量增多。由此可見，在負荷上限時， EGR率升高，缸內燃燒溫度下降，氧濃度也下降，NOx排放量隨之明顯下降；進氣溫度升高使新鮮空氣充量減少，導致HC，CO排放量增多。

圖10 負荷上限，1 000 r/min ，EGR率和進氣溫度對排放 的耦合作用規律

5 結論

a) 對于兩段噴射的低溫燃燒，增大EGR率能夠推遲燃燒始點，有效延長燃燒持續期；調節EGR率可以實現對燃燒相位的控制；定噴射參數的工況下調節EGR率來優化燃燒相位，可以提高平均有效壓力，還能有效降低NOx的排放，但HC和CO的排放增加；

b) 負荷上限時，進氣溫度升高對進氣充量的稀釋作用占主導地位；隨進氣溫度升高，燃燒相位小幅度提前，缸壓和燃燒放熱率下降，HC和CO排放增多；

c) 負荷上限時，在EGR率減小、進氣溫度升高的條件下，燃燒始點將提前、燃燒持續期增大；在進氣溫度降低、EGR率升高的條件下，平均有效壓力將增大；EGR率和進氣溫度對排放的影響體現在，EGR率越高，NOx排放越低，而HC和CO的排放主要受進氣溫度的影響，進氣溫度升高，HC，CO排放量增多。

[1] 石磊.內外部EGR與電控燃油噴射控制柴油均質燃燒的研究[D].上海：上海交通大學，2007.

[2] 包祖峰,成曉北,邱亮，等.低溫預混合燃燒模式的燃燒與排放特性試驗研究[J].內燃機工程，2016，37(4)：45-51.

[3] 陳貴升，鄭尊清，堯命發，等.不同增壓方式下EGR對高壓共軌柴油機燃燒和排放的影響[J].燃燒科學與技術，2011，17(6):512-520.

[4] Nishi Mina,Kanehara Masato,Iida Norimasa.Assessment for Innovative Combustion on HCCI Engine by Controlling EGR Ratio and Engine Speed [J].Applied Thermal Engineering,2016,99:42-60.

[5] 周龍保.內燃機學[M].北京:機械工業出版社,2010.

[6] 白富強,周龍保,王賀武.采用含氧燃料和EGR同時降低直噴式柴油機炭煙和NOx排放的試驗研究[J].燃燒科學與技術，2002,8(6)：515-519.

[7] Yin B,Wang J,Yang K,et al.Optimization of EGR and Split Injection Strategy for Light Vehicle Diesel Low Temperature Combustion [J].Korean Society of Automotive Engineers,2014,15(7)：1043-1051.

[8] Zhao W,Zhang Q C,Zhang C H.Effect of Post-Injection timing and EGR Ratio on Diesel Low Temperature Combustion and Emission [J].Editorial Department of Journal of Chang'an University (Natural Science Edition),2014,34(4)：167-171.

[9] 劉忠民，唐龍鑫，顏金龍.EGR和進氣溫度對重油燃燒過程中NOx的影響[J].內燃機，2015(1)：14-20.

[10] 柴智剛，張付軍，劉波瀾，等.噴油策略與EGR對柴油機低溫燃燒影響試驗研究[J].內燃機工程，2016，37(5)：45-49.

[11] 胡松，王賀春，孫永瑞，等.增壓柴油機零維預測燃燒模型建模方法[J].內燃機學報，2016，34(4)：311-318.

[12] 張玉.進氣溫度對高密度-低溫柴油機燃燒的數據模擬[J].重型汽車，2011(5):17-19.

[13] 楊彬彬.燃料特性和燃燒模式對柴油機低溫燃燒影響的研究[D].天津:天津大學，2013.

[編輯： 姜曉博]

Experimental Research on Low Temperature Combustion under Coupled Effect of EGR Rate and Intake Temperature

YANG Xinxin1， SHI Lei1， QU Shuan2， LIU Sheng2， CAO Jie2， DENG Kangyao1, YANG Zhenhuan2

(1. School of Mechanical and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400， China)

Based on the hot and cold dual circuit EGR, the impacts of EGR rate and intake temperature on combustion performance and emissions and the coupled laws on EGR rate and intake temperature at the upper limit of low temperature combustion load were studied through decoupling of intake temperature and EGR rate. The results showed that the rise of intake temperature dominated in the dilution effect of intake charge at the upper load limit, but suppressed the combustion. The combustion timing advanced and the combustion duration increased at low EGR rate and high intake temperature and the indicated work and the mean effective pressure increased at high EGR rate and low intake temperature. In addition, the NOxemission decreased with the increase of EGR rate and the HC and CO emissions increased with the increase of intake temperature.

internal combustion engine； exhaust gas recirculation; intake temperature; combustion; emission

2016-12-18；

2017-05-10

國家自然科學基金(51576129)

楊欣欣(1991—)，男，碩士，主要研究方向為內燃機燃燒與性能仿真；1057024344@qq.com。

石磊(1977—)，男，副研究員，博士，主要研究方向為柴油機均質低溫燃燒技術、柴油機增壓與性能、內燃機測試與控制技術； shi_lei@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.03.002

TK421.5

B

1001-2222(2017)03-0008-06