EGR率和主噴時刻對生物柴油燃燒和排放的影響*

龍 騰 侯貝貝 王 儒 肖合林

(現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室1) 武漢 430070) (汽車零部件技術湖北省協同創新中心2) 武漢 430070)

0 引 言

生物柴油作為一種清潔含氧生物燃料，可供柴油機使用，是一種理想的替代燃料[1].既具有與石化柴油相似的物化性質，又具有其不可企及的優點，比如CO2排放低、污染物排放低等.但是柴油機燃用生物柴油仍存在燃燒噪聲較高、燃油消耗較高、排放需進一步優化等問題[2].

目前國內外學者已對生物柴油的燃燒排放性能進行了研究.朱磊[3]在一臺四缸柴油機上燃用生物柴油以及甲醇生物柴油和乙醇生物柴油混合燃料，分析了添加甲醇對生物柴油燃油經濟性和燃燒特性的影響；堯命發等[4]對柴油機摻燒不同比例的生物柴油的燃燒排放性能進行了研究，發現柴油機燃用混合燃料后，功率略有下降，燃油消耗率有所上升；煙度、CO和HC排放降低，但NOx排放上升；樓狄明等[5]研究預噴射對生物柴油發動機燃燒及排放特性影響，發現采用預噴射后滯燃期有所縮短，燃燒持續期有所增大.NOx排放均有所降低，大部分預噴射條件下PM排放有所增加；Deepak等[6]通過比較了4種不同EGR(exhaust gas recirculation)率下的排放情況，發現增大EGR率能有效的減少碳煙和NOx的排放；Fang等[7]通過不同的噴油策略實現生物柴油在直噴柴油機上的低溫燃燒，發現低溫燃燒模式下的燃燒放熱率曲線主要是由預混合燃燒組成，無明顯的擴散燃燒階段，且低溫燃燒能有效抑制碳煙的形成并降低NOx排放.

文中以純生物柴油為原料，研究不同噴油策略下在1 800 r/min工況下主噴時刻與EGR率對柴油機排放性能的影響，本研究將為后續生物柴油發動機采用預噴射研究提供基礎數據，其研究方法具有一定的工程應用價值.

1 試驗裝置及研究方法

1.1 試驗設備

實驗所用發動機型號為YC4FA115-40，四缸直列布置，高壓電控噴射系統，噴射壓力范圍為0～160 MPa,并且使用了廢氣渦輪增壓系統.主要設備為：測功機-CWG110；發動機控制柜-FST3；缸內壓力傳感器-Kistler6125C；電荷放大器-Type5018；缸內壓力采集系統-CB-466；顆粒物分析儀-DMS500和色譜儀-GC-7900.

試驗是在1臺改裝過的4缸4沖程水冷增壓直噴柴油機上進行，主要由改裝的ECU、可改變運行參數的柴油機、燃油供給裝置、電渦流測功機、油耗儀、機油、冷卻水循環裝置、數據采集系統和AVL尾氣分析儀等.AVL分析儀用于測量尾氣中HC、CO、NOx含量及過量空氣系數.實驗前，開啟儀器進行預熱及校正以保證實驗檢測數據準確無誤.測量完成后讀取數據，記錄于表格中，每種工況下連續測量三次，然后取平均值.其中HC測量精度為0.1%，CO和NOx為10-6，而煙度則是通過不透光煙度計NH-T6檢測不透光度來測量的，精度為±2.0%，顆粒物粒徑及質量濃度由DMS500進行測量.

試驗中，電渦流測功機與發動機通過聯軸器連接，調整發動機的轉矩輸出，使發動機的轉速保持在(1 800±5) r/min.發動機的工況由電子控制單元(ECU)控制，發動機的缸內壓力使用Kistler壓力傳感器測量，進氣壓力和進氣溫度使用壓縮機和空調系統控制．進氣溫度穩定在(25±0.5) ℃，發動機的冷卻液溫度通過溫度控制器被精確控制在(85±1) ℃，機油溫度穩定在±2 ℃.

1.2 測試燃料

表1為生物柴油和柴油理化特性的對比.

表1 生物柴油和柴油理化特性的對比

因原料油的不同，其理化特性存在一定差異，但這種差異并不太大.測試中所用生物柴油為由某公司提供，純度達到99%.

1.3 試驗方案

實驗過程中，EGR率是通過調節EGR閥門開度進行控制，EGR率即為來自廢氣的充量m1發動機每循環吸入的新鮮充量m2的比值.實際測量中，很難確定廢氣質量與進氣質量，但可以測出廢氣與進氣中CO2的質量.得到不同EGR開度對應的EGR率見表2.

表2 生物柴油和柴油理化特性的對比 %

實驗中，發動機轉速穩定在1 800 r/min，小負荷(30%)，定噴油量為22.2 mg/cyc，主噴油時刻Tψ分別設定為2.5°,7.5°,12.5°,17.5°,22.5°CA BTDC，在每個主噴時刻下，分別調整EGR率為20%,50%,80%,100%，測定缸內壓力、壓力升高率、放熱率等燃燒參數的變化趨勢以及排放尾氣中CO,HC,NOx及顆粒物質量濃度變化情況.為了降低實驗的測量誤差, 每個工況點下的數據最少進行3次測量.

2 試驗結果及分析

2.1 EGR率和主噴時刻對生物柴油燃燒的影響

圖1為9%,25%EGR率下燃用生物柴油在不同主噴時刻下的缸內壓力與放熱率曲線圖.由圖得在25%EGR率下，隨著主噴時刻Tψ提前，燃料與空氣混合充分，在著火前形成充足的可燃混合氣，缸內燃燒壓力升高.Tψ為22.5°CA BTDC時，燃油在發動機壓縮行程中噴入氣缸，壓縮時缸內壓力急劇增加.由于滯燃期較長，油氣混合均勻，柴油機容易出現工作粗暴現象，放熱過程劇烈，放熱率峰值較大，缸內溫度和壓力快速上升，缸內壓力升高率較大.主噴時刻在22.5°～12.5°CA BTDC之間時缸壓差別不大且無明顯雙峰.是因為主噴時刻較早，油氣均已混合完全，放熱主要集中在上止點附近，看不到明顯的壓縮峰.Tψ為2.5°CA BTDC時，噴油時刻的過度延遲導致燃燒主要發生在活塞下行階段，燃燒空間變大，缸內溫度和壓力都隨之下降，燃燒始點也隨之后移，缸內峰值壓力下降，較低的燃燒溫度和壓力易導致燃燒不完全.在9%EGR率下，缸壓和放熱率的變化趨勢與25%EGR率時基本一致，但燃燒始點并無明顯差異，說明在該工況下，主噴時刻對燃燒始點影響較小.這是因為在低EGR率下，缸內溫度較高，各種混合燃料在此條件下都容易著火，較高的溫度使滯燃期的影響并不明顯，故燃燒相位無明顯差異.

圖1 主噴時刻對缸壓放熱率影響圖

圖2為主噴時刻為2.5°,17.5°CA BTDC時，燃用生物柴油在不同EGR率下的缸內壓力和放熱率曲線圖.大比例EGR同樣是實現低溫燃燒[8]的有效途徑.Tψ為2.5°CA BTDC條件下，隨著EGR的增加，峰值燃燒壓力逐漸降低，峰值燃燒壓力所對應的時刻逐漸遠離活塞上止點.峰值放熱率也隨著EGR的增加而降低，且發生時刻逐漸遠離上止點.發動機燃燒廢氣中CO2和H2O分子的比熱容較大，導致廢氣的比熱容比新鮮空氣的比熱容大.隨著EGR的增大，廢氣對新鮮空氣的稀釋作用增加，氣缸內氧濃度降低.另一方面，隨著廢氣進入發動機氣缸內，缸內氣體溫度升高率降低，有助于延長滯燃期，燃燒開始點延遲，最終都有利于降低缸內溫度.缸內燃燒主要受溫度和氧濃度控制，較低的缸內溫度和氧質量濃度使反應速率降低.Tψ為17.5°CA BTDC條件下，隨著EGR率增大，缸內壓力和放熱率下降趨勢變緩.這是因為加入EGR延長滯燃期，促進混合氣形成，雖然較低的氧濃度影響缸內化學反應過程，但兩因素綜合作用使缸內壓力變化趨于平緩.

圖2 EGR率對缸壓放熱率影響圖

圖3為生物柴油滯燃期隨EGR率和主噴時刻變化規律，由圖3可知,同一主噴時刻隨著EGR率增加，滯燃期延長；同一EGR率下，隨主噴時刻推遲，滯燃期先縮短后延長.前者是由于EGR率升高，進氣比熱容增大使缸內溫度降低，滯燃期延長.后者是由于主噴時刻推遲，缸內溫度和壓力逐漸升高，有利于燃油的蒸發霧化，滯燃期縮短.當主噴時刻進一步推遲，雖然開始噴油時缸內溫度和壓力較高，但噴油時刻的過度延遲導致著火前活塞已經下行，缸內溫度和壓力已經下降，燃料蒸發霧化惡化，滯燃期延長.

圖3 EGR率和主噴時刻對滯燃期的影響

2.2 EGR率和主噴時刻對排放的影響

在試驗條件下，EGR率對NOx排放的影響見圖4.由于NOx排放在缸內生成的三要素為：高溫、富氧和作用時間.而生物柴油含氧，相比于普通石化柴油，柴油機燃燒生物柴油時，NOx排放較高.EGR增加后，進氣熱容增大，缸內最高燃燒溫度也降低，而廢氣再循環量增加，混合氣中氧濃度下降，然而滯燃期延長，燃料與空氣充分混合.綜合以上因素，總體上在同一主噴時刻中NOx排放隨EGR率升高而下降.在同一EGR率下，NOx排放隨主噴時刻提前而升高較快.在主噴時刻為2.5°CA BTDC時，著火時活塞下行，缸內溫度和壓力較低，燃氣在高溫高壓反應時間短，生成的NOx減少，而隨著主噴時刻提前，缸內最高壓力和溫度持續升高，燃氣在高溫高壓下反應時間增加，NOx排放相應上升.因此，較大的EGR率與主噴時刻的適當延遲能實現低溫燃燒，降低NOx排放.

圖4 EGR率和主噴時刻對NOx的影響

在試驗條件下，EGR對HC排放的影響見圖5.HC是燃油不完全燃燒的產物，影響HC排放的原因較多，而本實驗樣機是直噴柴油機，燃油受到的冷壁效應、狹縫效應、沉淀物吸附作用影響較小.因此在不同工況下，由不同的因素起著主導作用.Tψ為2.5°CA BTDC時，燃油噴入缸內時溫度和壓力較高，有助于混合氣的形成，但由于活塞處于下行階段，燃燒持續期較短，混合氣的不完全燃燒導致HC排放量較高.隨著Tψ增加，混合氣處于高溫高壓環境中時間延長，有助于降低HC排放濃度.Tψ繼續增大到12.5°CA BTDC時，HC的排放開始上升.原因是燃油噴入氣缸時缸內壓力和溫度變低，油束的貫穿距離較大，出現燃油的壁面淬熄[9]，使HC排放量增加.另外，剛加入EGR后，HC排放降低，因為滯燃期延長，燃料空氣混合良好，HC能較好的氧化而抵消缸內溫度降低的因素；而隨著EGR繼續增加，進氣中廢氣的摻混率提高，進氣中氧質量濃度降低，燃燒始點延后，滯燃期延長，缸內燃燒溫度下降，HC排放濃度升高.

圖5 EGR率和主噴時刻對HC的影響

在試驗條件下，主噴時刻和EGR對CO排放的影響見圖6.由圖6可知，CO排放隨主噴時刻提前而下降.相同主噴時刻下，在主噴提前角較小時，EGR率對CO排放影響較大，CO排放隨EGR上升而增大.這是因為在Tψ為2.5°CA BTDC時，由于大量燃燒發生在活塞下行階段，擴散燃燒能力下降，而隨著EGR的增加，新鮮空氣量減少，加劇了CO排放物的增加.Tψ增大后，CO排放逐漸降低.是因為主噴時刻提前，缸內燃燒溫度升高，利于CO的氧化，此時CO排放隨EGR變化率較小.

圖6 EGR率和主噴時刻對CO的影響

圖7為煙度隨EGR率和主噴時刻的變化曲線圖.碳煙與CO類似，也是碳氫燃料的不完全燃燒產物，在同一EGR率下，除了2.5°CA BTDC，碳煙生成量幾乎是先降低再升高的趨勢.原因是剛開始隨主噴時刻提前，缸內燃燒更充分，碳煙排放降低，而主噴時刻進一步提前，一部分油束會噴射到壁面，該部分燃油未充分氧化，因此碳煙排放升高.而在同一主噴時刻下，EGR率增大，碳煙排放呈不同程度的增加，原因是EGR升高使缸內氧的濃度降低，且氣體比熱增大，不利于碳煙氧化.

圖7 EGR率和主噴時刻對煙度的影響

圖8為主噴時刻為12.5°CA BTDC時不同EGR率下碳煙顆粒尺寸分布.一般來說，顆粒物的尺寸分布分為兩種模態：核模態顆粒(直徑<50 mm)和聚集態顆粒(直徑≥50 mm)[10].由圖8可知，隨EGR率增加，核模態顆粒分布減少，聚集態顆粒分布增加.這是由于EGR率增加會降低缸內氧濃度，減少聚集態顆粒的氧化.另外缸內溫度也會降低，使燃燒惡化，形成更多核模態顆粒凝結為聚集態顆粒.

圖8 EGR率對顆粒數密度尺寸分布特性的影響

圖9為EGR率25%下，不同主噴時刻的碳煙尺寸分布.由圖可知，主噴時刻對顆粒物尺寸及數量分布分為兩個階段，在22.5°～12.5°CA BTDC下，隨著噴油時刻的推遲，顆粒物中聚集態顆粒數目增加，核模態顆粒數目減少，而在12.5°～2.5°CA BTDC下呈相反趨勢.在前一階段，缸內壓力和溫度較高，燃油噴入缸內能較好的霧化，形成均勻的混合氣，隨主噴時刻推遲，滯燃期縮短，油氣混合較差，缸內溫度降低，因此碳煙氧化速率減慢，聚集態顆粒數目增多；在后一階段，主噴時刻進一步推遲，導致著火前活塞已下行，缸內溫度和壓力下降，不利于碳煙前驅物的生成，且滯燃期也變長，因此聚集態顆粒數目降低.

圖9 主噴時刻對顆粒物密度尺寸分布特性的影響

3 結 論

1) 隨著EGR率的增大，缸壓峰值和放熱率峰值降低，滯燃期延長.HC和CO排放升高，NOx排放降低，煙度升高，核模態顆粒物數目降低，聚集態顆粒物數目增加.

2) 隨著主噴時刻的提前，缸壓峰值和放熱率峰值升高，放熱始點提前，滯燃期先縮短后延長.HC和CO排放降低，NOx排放升高，煙度值先下降到最低值再上升，在17.5°～22.5°CA BTDC基本維持在較低的水平，顆粒物尺寸分布峰值在22.5°～12.5°CA BTDC隨主噴時刻推遲聚集態顆粒物濃度上升，核模態濃度下降，隨后呈相反趨勢.

[1] 張恬.直噴式柴油機燃用生物柴油燃燒特性的研究[D].鎮江：江蘇大學,2012.

[2] 梅德清,孫平,袁銀南,等.柴油機燃用生物柴油的排放特性研究[J].內燃機學報，2006，24(4)：331-335.

[3] 朱磊.生物柴油發動機燃燒控制與排放特性試驗研究[D].上海：上海交通大學,2010.

[4] 堯命發,覃軍.柴油機摻燒不同比例生物柴油的試驗研究[J].燃燒科學與技術,2007,13(4)：336-340.

[5] 樓狄明，吳陽.預噴射對生物柴油發動機燃燒及排放特性影響研究[J].車用發動機，2014，10(5)：41-45.

[6] DEEPAK A, SHAILENDRA S, KUMAR A A. Experimental investigation of control of NOxemission in biodiesel-fueled compression ignition engine[J]. Renewable Energy,2006,31(14):2356-2369.

[7] FANG T G, LEE C F F. Biodiesel effects on combustion processes in an HSDI diesel engine using advanced injection strategies[J]. Proceedings of the Combustion Institute,2009,32(2):2785-2792.

[8] 張志強,趙福全,李理光.柴油機低溫燃燒技術綜述[J].汽車工程學報,2016(4):235-243.

[9] 宋建桐.生物柴油在柴油機上的應用研究[D].西安:長安大學,2006.

[10] 肖合林,侯貝貝,張高燈,等.預噴射對 DMF/柴油混合燃料燃燒及排放的影響[J].華中科技大學學報(自然科學版),2016,44(9):77-82.