內外EGR和噴油壓力對柴油機低溫燃燒的影響

張翔宇，鄭尊清，李研芳，祝宇軒，高英英，堯命發

(1.中國北方發動機研究所(天津)，天津 300400；2.天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072)

內外EGR和噴油壓力對柴油機低溫燃燒的影響

張翔宇1,2，鄭尊清2，李研芳1，祝宇軒2，高英英1，堯命發2

(1.中國北方發動機研究所(天津)，天津 300400；2.天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072)

在1臺裝有電液可變氣門的單缸柴油機上，通過改變內外EGR策略和噴油壓力，對柴油機小負荷工況下低溫燃燒的燃燒特性和排放特性進行了試驗研究。內部EGR通過排氣門兩次開啟實現，發動機轉速和噴油量分別固定為1 500 r/min和20 mg/cycle。研究結果表明，通過高EGR率控制可以實現超低NOx排放，其中采用高噴油壓力可以降低內部EGR的炭煙排放，而采用低噴油壓力可以降低外部中冷EGR的HC和CO排放。在內外EGR耦合控制策略中，提高內部EGR比例可以降低HC和CO排放，但改善效果逐漸減弱，同時為了抑制炭煙排放，需要結合更高噴油壓力，而提高外部中冷EGR比例可以獲得較高熱效率。

柴油機；廢氣再循環；噴油壓力；低溫燃燒

相比傳統燃燒，柴油機低溫燃燒可以獲得極低的NOx和soot排放，已在國內外得到了廣泛研究[1-3]。在小負荷工況，低溫燃燒存在CO和HC排放過高、燃油經濟性惡化問題[4-6]，同時較低的排氣溫度也不利于采用后處理技術[7-9]。研究表明[10-13]，采用內部EGR策略可以有效降低小負荷工況下的不完全燃燒損失并獲得較高熱效率和排氣溫度，但隨著負荷升高，內部EGR策略下soot排放急劇增加，需要采用外部中冷EGR策略來抑制soot排放。但同時文獻[14]也指出，在某一特定工況(平均指示壓力約為0.3 MPa)，單純采用內部或外部中冷EGR策略難以同時獲得較低soot，CO和HC排放。因此有必要在特定負荷工況下針對兩種EGR之間的過渡策略，即內外EGR耦合策略進行進一步研究。

噴油策略是柴油低溫燃燒過程控制的另一個主要技術途徑，可以通過形成合理的混合氣分層來進一步優化燃燒過程，控制有害物排放[15-16]，但關于內部EGR耦合噴油壓力以及內外EGR耦合噴油壓力對低溫燃燒影響的試驗研究鮮有報道。因此在小負荷工況下研究了內外EGR策略和噴油壓力對柴油機低溫燃燒的影響，探索了小負荷工況下實現柴油機高效清潔燃燒的控制方法。

1 試驗裝置和研究方法

圖1示出本研究所用的發動機試驗臺架，主要包括經過改造的單缸試驗用發動機、測功機、高壓共軌燃油噴射系統、模擬進氣增壓系統、外部中冷廢氣再循環(EGR)系統、進氣溫度控制系統、缸內壓力采集及分析系統、電液可變氣門控制系統和尾氣排放測試儀器等部分。缸內壓力采集和分析采用了一套自制的數據采集和燃燒分析系統完成，缸內壓力采樣間隔設為0.5°曲軸轉角，采集循環數設為50；發動機尾氣測量采用了Horiba MEXA-7100DEGR排氣分析儀以及AVL 415S煙度計；利用一套自制的電液可變氣門控制系統使排氣門在進氣過程中額外開啟一次，從而一部分發動機廢氣從排氣管倒吸回缸內形成內部EGR。利用MEXA排氣分析儀可測出外部中冷EGR流量以及過量空氣系數φa，利用空氣流量計可以測出新鮮空氣流量，采用GT-Power軟件通過對比模擬外部中冷EGR流量、新鮮空氣量、過量空氣系數與發動機實際所測值，即可以分別算出外部中冷EGR率、內部EGR率以及總EGR率[11,14]。EGR率計算公式如下：

式中：mEx-EGR為引入缸內的外部中冷EGR質量；mIn-EGR為引入缸內的內部EGR質量；mfresh為引入缸內的新鮮空氣質量；mresidual為缸內初始殘余廢氣質量。試驗用發動機主要結構參數以及試驗參數見表1。

圖1 發動機試驗臺架示意

缸徑/mm105行程/mm125連桿長度/mm210幾何壓縮比16∶1轉速/r·min-11500±2循環噴油量/mg·cycle-120±0．2進氣壓力/MPa0．13±0．001進氣溫度/℃40±1θCA50(ATDC)/(°)4±0．5排氣門關閉時刻(ATDC)/(°)-342

試驗中IMEP由壓縮和膨脹2個工作循環算出，試驗過程中的測量誤差見表2。

表2 試驗過程測量誤差

2 研究結果與分析

2.1內外EGR下噴油壓力對燃燒和性能的影響

圖2示出不同EGR策略和噴油壓力下滯燃期隨EGR率的變化趨勢。EGR率為0時，提高噴油壓力改善了燃油霧化質量，有利于形成易著火的混合氣濃度區域，滯燃期逐漸縮短但變化幅度逐漸減小。對于外部中冷EGR策略，不同噴油壓力下的滯燃期都隨著EGR率增加而逐漸延長，且彼此之間的差異無顯著變化。與此類似，對于內部EGR策略，不同噴油壓力下的滯燃期也隨著EGR率增加而逐漸延長，且彼此之間的差異無顯著變化，但由于引入高溫廢氣對混合氣進行加熱，導致其滯燃期隨內部EGR率的增加幅度明顯低于中冷EGR策略。

圖2 滯燃期隨EGR率的變化趨勢

圖3示出不同EGR策略和噴油壓力下燃燒持續期隨EGR率的變化趨勢。隨著噴油壓力的提高，內部或外部中冷EGR策略下的燃燒持續期都逐漸縮短；而隨著EGR率增大，各噴油壓力下的燃燒持續期都逐漸延長。但同時可發現，內部EGR策略下的燃燒持續期增加幅度比外部中冷EGR策略更為明顯，特別是當EGR率超過50%時，即使內部EGR策略采用150 MPa噴油壓力，其燃燒持續期也比外部中冷EGR策略采用40 MPa噴油壓力下的燃燒持續期要長。

圖3 燃燒持續期隨EGR率的變化趨勢

圖4示出不同EGR策略和噴油壓力下指示熱效率隨EGR率的變化趨勢。在外部中冷EGR或內部EGR策略下，噴油壓力對指示熱效率的影響不明顯，而EGR策略對缸內燃燒的差異是導致熱效率隨EGR率變化出現較大區別的最主要影響因素。相比內部EGR策略，外部中冷EGR策略由于較低的傳熱損失[13]以及較短的燃燒持續期，在高EGR率下可以獲得更高的指示熱效率。

圖4 指示熱效率隨EGR率的變化趨勢

2.2內外EGR下噴油壓力對排放的影響

圖5示出不同EGR策略和噴油壓力下NOx排放隨EGR率的變化趨勢。在EGR率為0%時，提高噴油壓力加快了燃燒反應速率，提高了缸內燃燒溫度，促使NOx排放增加。隨著EGR率增加，廢氣中稀釋效應對燃燒過程占主導作用，燃燒速度得到有效抑制，NOx排放迅速降低，噴油壓力以及EGR策略對NOx變化趨勢影響作用逐漸減弱，當EGR率大于50%時，各策略下NOx排放幾乎相當。

圖5 NOx排放隨EGR率的變化趨勢

圖6示出不同氣門策略和噴油壓力下煙度與NOx的折中關系。中冷EGR策略下滯燃期較長，即使在低NOx排放區間(低于0.4 g/(kW·h))，60～80 MPa噴油壓力下仍保持較低煙度(低于0.06 FSN)；而內部EGR策略由于引入廢氣混合的不均勻以及較低的過量空氣系數，隨著NOx排放逐漸降低，需要逐步采用更高噴油壓力來促進混合，降低局部過濃區，抑制炭煙排放。例如保持NOx排放為0.4 g/(kW·h)附近時，內部EGR策略結合150 MPa高噴油壓力下的煙度與外部中冷EGR結合60 MPa噴油壓力下的煙度相當。

圖6 煙度與NOx的折中關系

圖7和圖8分別示出不同EGR策略和噴油壓力下HC和CO與NOx的折中關系。在低NOx排放區域，相比內部EGR策略，外部中冷EGR策略下缸內平均燃燒溫度較低，提高噴油壓力形成了更稀的混合氣分層，HC與CO排放隨之增加；而內部EGR策略整體過量空氣系數的減少導致局部缺氧區域增多，這成為HC與CO排放迅速增加的主要因素，提高噴油壓力可以有效增加燃油與氧分子碰撞概率，從而HC與CO排放略有改善。

圖7 HC與NOx的折中關系

圖8 CO與NOx的折中關系

2.3內外EGR耦合下噴油壓力對低溫燃燒的影響

缸內平均溫度較高以及燃燒持續期較長所引起的傳熱損失增加，是導致內部EGR策略熱效率低于中冷EGR策略的主要原因，有必要在滿足低排放的條件下采用合適的混合氣溫度、濃度分層來控制缸內燃燒反應路徑，以獲得高效的燃燒過程。圖9示出不同噴油壓力控制下的NOx排放與煙度，圖10示出獲得上述低NOx排放與煙度下不同噴油壓力所對應的控制參數(總EGR率、內外EGR率分配比例和對應過量空氣系數)。在同一噴油壓力(60 MPa)條件下，增加內部EGR率比例一方面加劇混合氣濃度分層，另一方面降低了過量空氣系數，兩方面共同作用導致缸內局部當量比增大，煙度有所增加。因此，為了控制煙度在同一水平，隨著內部EGR率比例的升高，需要采用與之對應的更高噴油壓力。隨著噴油壓力及內部EGR率比例的增加，為了獲得同樣的低NOx排放，總EGR率略微增加但變化不大。這是因為一方面在低NOx排放下，噴油壓力作用減弱，另一方面采用更高比例內部EGR率導致缸內溫度較高，不利于控制NOx排放，但與此同時更低的過量空氣系數(氧濃度)同樣抑制了燃燒反應速率，以上因素共同作用，導致同樣的NOx排放水平下總EGR率相差不大。

圖9 NOx排放與煙度

圖10 低NOx排放與煙度的控制參數

圖11示出不同噴油壓力耦合不同比例內外EGR率下的缸壓和放熱率曲線。隨著內部EGR率比例增加，容積效率降低，導致著火前缸內壓力有一定下降，與此同時氧濃度的減小導致放熱率峰值降低，燃燒反應速率下降。圖12示出不同噴油壓力下的滯燃期與燃燒持續期。隨著噴油壓力以及對應的內部EGR率比例增加，一方面油氣混合速度增加，有利于快速形成易著火的混合氣濃度區間，另一方面缸內平均溫度上升使混合氣活性增強，最終導致滯燃期逐漸降低，但降幅逐漸減小。盡管噴油壓力的提高以及缸內溫度的上升同樣有利于加快燃燒反應速率，但急劇下降的過量空氣系數對燃燒過程產生不利影響，最終導致燃燒持續期逐漸延長，這表明廢氣的稀釋效應對燃燒持續期的影響占主導地位。

圖11 缸內壓力和放熱率

圖12 滯燃期與燃燒持續期

圖13示出不同噴油壓力下的排氣溫度和指示熱效率。隨著噴油壓力以及對應的內部EGR率比例增加，一方面缸內熱廢氣循環比例提高，留存缸內熱量更多，另一方面容積效率的下降導致缸內工質熱容降低，缸內整體平均燃燒溫度增加，這兩點是導致排氣溫度迅速上升的主要原因。除此之外，由于固定了θCA50，燃燒持續期的延長意味著更多燃油遠離上止點燃燒，同樣導致排氣溫度升高。隨著噴油壓力以及對應的內部EGR率比例增加，一方面缸內傳熱損失增加，另一方面燃燒持續期的延長降低了燃燒定容度，最終導致指示熱效率逐漸下降。圖14示出不同噴油壓力下的HC與CO排放。在保證低NOx排放與煙度下，隨著內部EGR率增加及相應噴油壓力的提高，缸內平均溫度的升高有利于CO和HC的進一步氧化，CO與HC排放逐漸降低，但降低程度逐漸減弱。

圖13 排氣溫度和指示熱效率

圖14 HC和CO排放

3 結論

在平均指示壓力約為0.3 MPa工況下，對實現柴油機高效清潔燃燒的控制方法進行了試驗研究，研究結果表明：

a) 外部中冷EGR策略結合較低噴油壓力(60～80 MPa)在保持低NOx排放與煙度的同時避免生成較高的HC和CO排放；

b) 內部EGR策略結合較高噴油壓力(150 MPa)可以有效抑制低NOx條件下過高的煙度，同時也可進一步改善HC和CO排放；

c) 在低NOx排放和煙度條件下(NOx排放約0.4 g/(kW·h)，煙度約0.1 FSN), 提高外部中冷EGR比例可以獲得更高熱效率，而采用高比例內部EGR與高噴油壓力可以獲得更低HC和CO排放以及更高排氣溫度，可根據控制目標(經濟性和排放)選擇合理的內外EGR耦合比例以及相適應的噴油壓力。

[1] Kook S，Bae C，Miles P C，et al.The influence of charge dilution and injection timing on low-temperature diesel combustion and emissions[C].SAE Paper 2005-01-3837.

[2] 韓東,呂興才,黃震.柴油機低溫燃燒的研究進展[J].車用發動機,2008(2):5-9.

[3] 欒興存，成曉北，殷勇，等.多次噴射對柴油機燃燒與排放影響的試驗研究[J].車用發動機,2015(3):11-16.

[4] Ogawa H，Raihanl K，Iizuka K，et al.Cycle-to-cycle tra-nsient characteristics of diesel emissions during starting[C].SAE Paper 1999-01-3495.

[5] Bielaczyc P，Merkisz J，Pielecha J.A method of reducing the exhaust emissions from diesel engines by the introduction of a fuel cut off system during cold start[C].SAE Paper 2001-01-3283.

[6] Roberts A，Brooks R，Shipway P.Internal combustion engine cold-start efficiency: A review of the problem，causes and potential solutions[J].Energy Conversion & Management,2014,82(4):327-350.

[7] Ii J E P，Prikhodko V，Storey J M E，et al.Emissions from premixed charge compression ignition (PCCI) combustion and affect on emission control devices[J].Catalysis Today，2010,151(3/4):278-284.

[8] Heo I，Wiebenga M H，Gaudet J R，et al.Ultra low te-mperature CO and HC oxidation over Cu-based mixed oxides for future automotive applications[J].Applied Catalysis B Environmental,2014,160-161(1):365-373.

[9] Ye S，Yap Y H，Kolaczkowski S T，et al.Catalyst “light-off” experiments on a diesel oxidation catalyst connected to a diesel engine-methodology and techniques[J].Chemical Engineering Research & Design,2012,90(6):834-845.

[10] Fessler H，Genova M.An electro-hydraulic “Lost Motion” VVA system for a 3.0 liter diesel engine[C].SAE Paper 2004-01-3018.

[11] Millo F，Mallamo F，Arnone L，et al.Analysis of different internal EGR solutions for small diesel engines[C].SAE Paper 2007-01-0128.

[12] Balaji J，Ganesh Prasad M V，Rao L N，et al.Mode-lling and experimental study of internal EGR system for NOxcontrol on an off-road diesel engine[C].SAE Paper 2014-01-2645.

[13] Baratta M，Finesso R，Misul D，et al.Comparison between internal and external EGR performance on a heavy duty diesel engine by means of a refined 1D fluid-dynamic engine model[J].SAE International Journal of Engines,2015,8(5):1977-1992.

[14] Xiangyu Zhang,Hu Wang,Zunqing Zheng,et al.Effects of late intake valve closing (LIVC) and rebreathing valve strategies on diesel engine performa-nce and emissions at low loads[J].Applied Thermal Engineering,2016,98(5):310-319.

[15] 楊彬彬,堯命發,鄭尊清,等.燃料組分和噴油壓力對寬餾分燃料燃燒與排放影響的試驗研究[J].工程熱物理學報,2013(6):1174-1178.

[16] 鄭尊清,黎長樂,劉海峰,等.摻混比例和噴油壓力對柴油/正丁醇低溫燃燒的影響[J].內燃機學報,2014(2):119-124.

Keywords: diesel engine；exhaust gas recirculation(EGR)；injection pressure；low temperature combustion

EffectsofInternalandExternalEGRandInjectionPressureonLowTemperatureCombustionofDieselEngine

ZHANG Xiangyu1,2，ZHENG Zunqing2，LI Yanfang1，ZHU Yuxuan2，GAO Yingying1，YAO Mingfa2

(1.China North Engine Research Institution(Tianjin)，Tianjin 300400，China； 2.State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The combustion and emission characteristics of low temperature combustion at low load were investigated by changing strategies of internal and external EGR and injection pressure on a single cylinder diesel engine equipped with a electro-hydraulic variable valve actuator system. The internal EGR was achieved by opening exhaust valve twice during the intake process. The test was conducted at engine speed of 1 500 r/min with 20 mg/cyc fuel injection. The results show that the ultra-low NOxemission can be obtained by controlling EGR rates. The soot emission of internal EGR reduces at a high injection pressure, while HC and CO emissions of external EGR reduce at a low injection pressure. For the coupling control strategy of internal and external EGR, the increase of internal EGR ratio can reduce HC and CO emissions at a small range and a higher injection pressure is hence introduced to suppress soot emission. In addition, the increase of the external EGR ratio can achieve higher thermal efficiency.

2017-03-17；

2017-05-09

國家自然科學基金資助項目(51576138)

張翔宇(1984—)，男，助理研究員，博士，主要研究方向為柴油機燃燒與排放控制；fdj@qq.com。

堯命發(1968—)，男，研究員，博士，主要研究方向為柴油機燃燒理論與數值模擬技術；y_mingfa@tju.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.001

TK427

B

1001-2222(2017)05-0001-05

[編輯： 潘麗麗