12 L天然氣發動機專用廢氣再循環系統的性能評價

【美】 R.MITCHELL M.KOCSIS

0 前言

無論是輕型車還是重型車市場，發動機制造商們都在不斷努力，以減少排放并提高發動機的效率。重型柴油機以其高效能在重型車市場上占據主導地位。為了提高發動機燃油效率，用戶認可加裝昂貴的后處理系統。出于天然氣的普遍利用價值和減少溫室氣體排放的潛力，天然氣在重型柴油市場取代柴油燃料的趨勢越來越明顯。天然氣主要由甲烷組成，而甲烷具有較高氫碳比。在沒有甲烷泄漏的前提下，與柴油發動機相比，燃燒高氫碳比的燃料所產生的CO2相對較少，從而減少了溫室氣體的排放。

由于發動機爆燃的限制，與壓燃柴油發動機相比，火花點火發動機通常具有較低的制動熱效率(BTE)水平。天然氣具有較高的抗爆性，燃燒速率比較緩慢，這使得在火焰前鋒到達之前，天然氣有更多的時間來提高燃燒壓力。研究表明，通過改進燃燒相位，特別是對于汽油發動機，采用廢氣再循環(EGR)可以有效減少爆燃并提高燃燒效率[1-3]。該策略還可以用于天然氣發動機的爆燃抑制，以及控制氮氧化物(NOx)排放。美國西南研究院已經確定增加EGR水平作為滿足未來效率要求的途徑之一。由于燃燒速率的降低和發動機在較高EGR率下的不穩定性，EGR率一般限制在20%～30%左右[4]。通過向燃料中加入高活性組分，如H2和CO來重組燃料，燃燒過程顯示出更好的稀釋耐受性[5-6]。美國西南研究院通過引入專用D-EGR概念[7]，將其中1個氣缸用作重整器，天然氣燃料得到進一步應用。在本研究中，將D-EGR概念應用于重型天然氣發動機。初步研究表明，通過提高EGR率和減少爆燃傾向，天然氣燃料所帶來的潛在燃燒效率得到了改進。目前研究的目標是在基準發動機運行中平均提高10%的發動機燃燒效率。

1 試驗裝置

美國西南研究院采用康明斯-西港ISX-12G發動機用于試驗D-EGR在重型天然氣發動機上的燃燒優勢。基準發動機是化學計量發動機，額定功率為238 kW。表1為基準發動機的參數規格。基準發動機采用高壓回路冷卻EGR和三元催化器，以滿足美國2010年道路排放法規。此前，通過對該基準發動機的研究表明，NOx排放量為0.02 g /(hp·h)①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。。研究人員在基準發動機的6個氣缸中各安裝1個Kistler 6045A氣缸壓力傳感器，并使用西南研究院開發的高速數據采集系統進行分析，并將高速壓力數據同步到1 440o編碼器。

表1 康明斯-西港ISX 12G發動機參數規格

在試驗過程中，使用Horiba 5種氣體排氣分析儀測量CO2、CO、O2、總碳烴(THC)和NOx，在排氣流道或專用氣缸中增加了第2個采樣口，以確定專用氣缸的濃縮程度。此外，裝有壓縮天然氣的掛車為發動機提供燃料。利用微型氣相色譜儀對天然氣組合物燃料的入口流量進行取樣，以確定燃料的能量含量和化學計量的空氣燃料比。取樣結果為84.2%甲烷、15%乙烷和微量丙烷(以摩爾百分比計)，甲烷值計算為72.7。

2 D-EGR轉換

先前已經證明在輕型汽油發動機上利用D-EGR技術取得了很大成功[7]。在4缸輕型發動機應用中，將4個氣缸中的1個作為專用氣缸。從專用氣缸中排出的所有廢氣都作為再循環的廢氣，標稱EGR率的結果是25%。該配置使得專用氣缸能夠在化學計量比以外的條件下運行，因為該氣缸的排氣不會影響發動機的排放。試驗證明，專用氣缸可以用濃混合氣運行，以便產生發動機機內的再循環產物，同時達到與基準發動機幾乎相同的功率。對于重型發動機應用，選擇2個專用氣缸供應33%的標稱EGR率。如圖1所示，氣缸1和氣缸6被轉換成專用氣缸。這些氣缸各自裝備了寬域氧(UEGO)傳感器，用于控制專用氣缸中的當量比，并在渦輪增壓器中設置熱廢氣氧(HEGO)傳感器。在試驗過程中，通過EGR冷卻器收集來自2個氣缸的廢氣。在EGR冷卻器之后，設置2個閥來控制EGR和旁通流。在發動機起動期間，其中1個EGR閥完全關閉，而另1個EGR閥在三元催化器(TWC)之前完全打開通向排氣流。圖2為發動機EGR閥和混合器的發動機設置圖。

發動機起動后，EGR閥打開，旁通閥關閉，將排氣流引至混合器。混合器的作用是確保來自專用氣缸的排氣脈沖不會導致進氣口中的EGR分布不均勻。混合器設計使得內殼容積與外容積之比等于主缸容積與專用氣缸容積之比(圖3)。從外殼到內殼的孔的總面積等于排氣口的總流動面積，以使專用氣缸的背壓最小化，并允許廢氣與新鮮充量混合。

圖1 6缸重型柴油機應用的D-EGR配置示意圖

圖2 EGR閥位置和混合器的D-EGR發動機配置

圖3 D-EGR混合器和示意圖及實物

在基準發動機中使用1組天然氣噴射器，在進氣歧管內控制擴散混合化學計量空燃比，并通過添加PFI噴射器將過量燃料供應到專用氣缸。ISX 12G發動機有1個帶有連體進氣口的集成式進氣歧管(圖4)。氣缸1和氣缸6是專用氣缸，不共用進氣流道。此外，氣缸1和氣缸6還增加了噴射器端口末端的不銹鋼延長管，以最大限度地減少進入相鄰主缸的反向氣流。進氣道噴射(PFI)噴油器延長管和安裝位置如圖5所示。將燃料供應到主噴射器組件，并以100 psi的供應壓力切換到PFI噴射器。試驗采用Woodward發動機控制單元(ECU)用于D-EGR模式下的發動機控制。控制器使用發動機出口UEGO傳感器為主噴射器組提供閉環控制，并保持化學計量比的發動機排放。控制器允許單獨控制2個專用PFI噴射器，單獨控制每個氣缸的點火正時，以達到燃燒質量比例為50%(CA50)特定燃燒相位的目標。

圖4 集成進氣歧管和氣缸蓋

圖5 PFI安裝位置和專用氣缸適配器

本研究使用了美國西南研究院的雙線圈偏置(DCO)點火系統。此外，試驗所提供的結果是基于基準渦輪增壓器而得出的。 對于D-EGR技術的應用，因為通過渦輪增壓器的質量流量減少了，因此改用尺寸較小的渦輪來提供增壓，以滿足原始扭矩曲線。在測試時，沒有安裝新的渦輪增壓器，使用基準渦輪增壓器的發動機無法運轉到基準最大扭矩點。渦輪增壓器前的壓力也相對偏高。在未來的試驗中可以通過優化渦輪增壓器入口壓力來提升進氣效率。

3 試驗結果

在進行D-EGR技術試驗前，使用基準ECU收集數據。基準發動機的測試點超過70個，以生成完整的發動機邁譜圖。在這些點中選取連續測試循環(RMC)附加排放測試(SET)的13個測試點，用于D-EGR配置比較。這13個測試點及基準性能的最大扭矩和最高功率如表2所示，其中A、B和C是轉速設定值，數值為該轉速下的扭矩百分比。基準發動機在最大扭矩點持續運轉，選擇基準發動機的原有壓縮比，使燃燒相位延遲最小，并使發動機在最大扭矩點達到最佳燃燒效率。如圖6所示，在CA50相位點的曲軸轉角等高線圖和BTE等高線圖上可以觀察到額定扭矩點的最佳BTE值為37%。在最大制動扭矩(MBT)附近，保持燃燒相位，制動平均有效壓力(BMEP)高達1.3 MPa。在BMEP高于1.3 MPa的工況下，將燃燒相位延遲到CA50為16°CA ATDC，以避免爆燃現象的發生。

表2 基準發動機的性能

圖6 基準發動機的制動熱效率和燃燒定相

圖7示出了基準EGR率的等高線圖。EGR是用于減輕發動機爆燃的技術，發展方向是提高混合氣稀釋水平以滿足未來的熱效率標準。基準發動機在低負荷(EGR率為10%)和高負荷(EGR率為20%)之間運行，以滿足發動機熱效率要求。D-EGR發動機在整個工作范圍內以33%的EGR運行，這表明在低負荷下需要大幅增加EGR率，而在高負荷下EGR率調整較小。試驗所呈現的EGR率僅產生于外部EGR，不包含缸內殘余廢氣。

圖7 基準發動機EGR率

4 D-EGR

該項目的試驗目標是驗證使用D-EGR技術的基準發動機相對效率可以提高10%。這是輕型汽油發動機在D-EGR技術應用中獲得的熱效率改進。基準發動機和D-EGR技術轉換后的BTE結果比較如圖8所示。使用D-EGR技術的運行條件對應于表2中的工況點。因為基準發動機不能用基準渦輪增壓器來滿足目標扭矩，因此在任何100%負荷點都沒有可比較的工況點。此外，在C點也未進行比較。33%的高EGR率導致燃燒速率減慢，并且需要提前點火正時，在C點最高轉速測試點，點火正時必須有所提前。通過燃燒穩定性的表征指標表明，因為指示平均有效壓力(IMEP)的變異系數(CoV)太高而不能用于實際生產。因此，C點處的試驗結果未在圖8中示出。在圖8中，來自每個工況點的數據都采集于專用氣缸最高富集氧濃度，所有6個氣缸的CoV都小于5%。

圖8 基準發動機和D-EGR轉換的BTE比較

除B75工況點以外，應用D-EGR技術的其他工況點的BTE都有所增加。最大的熱效率改善是在A25工況點，相對于基準發動機，BTE改善了11%。在通常情況下，較低負荷工況下的熱效率提高原因是EGR率的增加。在任何給定的負荷百分比下，A點上的熱效率增加要比B點的大。在較低發動機轉速下，發動機運行更穩定，所以允許更大的富集氧濃度。

A75工況點是基準渦輪增壓器可以實現最大扭矩的工況點，并且是在重型天然氣發動機D-EGR測試早期開發階段中證明的最高熱效率工況點。A75工況點的EGR率從15%增加到33%，其中幾個關鍵燃燒指標如圖9所示。原始CA50位置為11oCA ATDC。增加的EGR率降低了爆燃強度，因此燃燒相位能夠提前到MBT工況點。通常，在汽油發動機上，專用氣缸的富集氧濃度改善了辛烷值，從而隨著富集氧濃度水平的增加而允許更大的CA50提前角。在這種情況下，即使沒有通過專用氣缸產生富集氧，基準燃燒相位也會處于MBT工況點。試驗無法確定專用氣缸富集氧濃度是否對燃料的甲烷含量有影響，改進燃燒相位也不能得到更多的益處。因此，可以認為大部分的熱效率增益是由于EGR率的增加，降低了燃燒溫度并降低了傳熱損失而獲得的。這表明利用D-EGR技術，可以提高壓縮比。專用氣缸再循環廢氣也可以加快燃燒速率，但從該測試中并未觀察到這一點，這是因為已燃燃料質量分數(MFB)在10～90持續時間顯示的更高富集氧濃度僅帶來略微改善。ISX 12G發動機最初是針對柴油燃料而設計，后轉換為天然氣發動機，配備了碗形活塞，通過擠壓產生快速燃燒。富集氧濃度對燃燒速率缺乏影響意味著湍流在燃燒持續時間中占主導地位。新的活塞設計可以減少擠壓量，從而更好地利用再循環廢氣，同時減少熱傳遞損失。

在點火正時中可以觀察到專用氣缸富集氧濃度的唯一顯著效果。專用氣缸當量比(PHI)為1.34，主氣缸的點火正時延遲大約20°CA。盡管如此，MFB 0～10的持續時間僅縮短約3°CA。結論是只有MFB 0～2的持續時間受到再循環廢氣的顯著影響，并且在初始火焰核形成后，燃燒速率主要受湍流影響。值得注意的是，在基準配置中，該發動機顯示了氣缸之間IMEP的較大差異。首先，注意到單個氣缸的IMEP和累積放熱率之間存在差異。如上所述，擴散系統假定是遠離上游，使得進入的充量得以充分混合，并且也假定EGR系統設計正確。因此，分析上述差異假定是由氣缸之間的空氣分布變差導致的。排氣收集器偏移直接與氣缸4的排氣口一致，為非對稱結構。氣流的變化導致不同的氣缸在CA50相位時的點火時間不同，這也導致了部分氣缸比其他氣缸更早地達到穩定極限。

圖9 CA50、MFB 0-10、MFB 10-90和A75專用氣缸富集掃描的點火正時

如EGR率基準圖顯示，高負載EGR的耐受性比低負載的更為優越。D-EGR在整個操作范圍內具有恒定的EGR率，導致在低負載狀態下燃燒不穩定。這一點通過降低專用氣缸富集氧濃度可以觀察到。在A75工況點，專用氣缸最大PHI為1.34，但在A25工況點，專用氣缸最大穩定PHI為1.07。對于A25工況點的情況，主要燃燒參數如圖10所示。與A75工況點類似，效率并沒有因燃燒相位的改進而提高，基準發動機和應用D-EGR發動機的CA50均為MBT正時。BTE隨著EGR率的大幅增加而得到改善。對于MFB 0～10和MFB 10～90的持續時間，再循環廢氣所產生的影響最小。隨著專用氣缸富集氧濃度增加，點火正時發生很大變化。更多的富集氧濃度使得點火正時能夠延遲15～20°CA。

圖10 CA50、MFB 10～90、MFB 0～10和A25專用氣缸富集區掃描的點火正時

如圖11所示，B25工況點測試的專用氣缸PHI為1.21，其他所有氣缸PHI僅穩定在1.07。在A75高度增壓工況點，所有氣缸PHI都穩定在1.34。當PHI達到1.4時，失火問題變得明顯，專用氣缸PHI達到了富集氧極限，發生完全失火，導致發動機無法保持正常運轉。失火問題沒有顯示出典型的CoV發展趨勢，而在其他3個條件下顯示出了指數趨勢。

C25工況點案例也顯示出與大多數其他條件不同的結果。基準發動機所有6個氣缸都處于不穩定工作狀態，但隨著富集氧水平的增加，主缸的穩定性提高到生產預期水平。這清楚地表明，采用D-EGR技術能夠增加發動機的容差能力。然而，專用氣缸會逐步變得不穩定，沒有辦法可以保證所有6個氣缸都保持穩定，這是BTE無法在C工況點進行比較的原因。

圖11 用于A75、A25、B25和C25工況點的D-EGR測試條件

測試結果的另一個重要結論是主氣缸能夠穩定運行33%的EGR率。專用氣缸的穩定性始終是提高EGR率的主要限制因素。提高EGR容差的關鍵是點火系統，正在進行新的點火系統能力測試比較，以提高專用氣缸的穩定性。在穩定極限工況內，所有6個氣缸測試的工況點都顯示出較好狀態。幾乎所有的測試點都表明，BTE比基準發動機提高約11%。初步試驗結果表明，該研究還有很大的優化改進空間。首先，由于渦輪機的質量流量減小，可以選擇合適的渦輪增壓器的尺寸，以最小化主氣缸背壓。其次，A75工況點或B75工況點都不受爆燃限制，為了最大化效率增益，D-EGR發動機可以增加壓縮比。EGR率的增加降低了爆燃傾向，從而允許增加壓縮比，并且提高理想奧托循環效率。最后，使用基準活塞和燃燒室設計并未完全實現D-EGR的優勢。無論專用氣缸產生多少再循環廢氣，高擠壓活塞都能實現快速燃燒。優化后的活塞設計可提高壓縮比，同時降低表面積與體積比。這將減少傳熱損失，并讓再循環廢氣取代湍流來控制燃燒速率。未來計劃測試研究新型高壓縮比活塞、新渦輪增壓器和各種點火系統。

5 結論

直列6缸12 L天然氣發動機通過2個專用氣缸轉換為D-EGR運行。轉換包括調整排氣歧管，增加1個D-EGR混合器和PFI噴射器用來為專用氣缸富集氧濃度。D-EGR發動機使用美國西南研究院的DCO點火系統進行測試，同時對專用氣缸富集氧濃度進行掃描。初始測試使用基準渦輪增壓器和活塞設計。在轉換為D-EGR之前，使用基準ECU測試基準發動機的性能。在RMC SET的13個工況點上比較基準發動機和D-EGR配置發動機。試驗得出以下結果：(1)D-EGR轉換能夠在低中速運行33%的EGR率。與基準發動機相比，高EGR率可以改善高達11%的制動熱效率。(2)進一步增強性能會受到專用氣缸的限制。需要采用新的點火系統來增加天然氣D-EGR發動機性能，尤其在高速工況點。(3)專用氣缸的富集氧濃度改善了早期火焰核的形成。隨著富集氧濃度的增加，點火時間可以延遲，但對MFB 0～10和MFB 10～90持續時間的影響最小。可以減少活塞擠壓氣流，以使富集氧濃度的效果在燃燒速率上變得更加明顯。(4)基準渦輪增壓器達不到爆燃限制條件，可以適當增加壓縮比。

該研究結果顯示了天然氣發動機運行D-EGR的前景，未來需要在一些領域繼續發展該技術。GT Power模型將根據基準數據進行校準，并更新模擬D-EGR配置。在爆燃受限條件下，采取一些基準點來調整爆燃模型。根據該爆燃模型預測，在最大扭矩點處的壓縮比可能增加1.0～1.5。某些單缸燃燒CFD模擬已被用于1種新型活塞，該活塞設計將提高壓縮比，降低擠壓氣流和表面積，從而減少傳熱損失。研究人員將測試新活塞，以確定是否確實存在更多潛在的熱效率優勢。此外，將測試確定是否有任何新的點火系統能夠延長混合氣稀釋或濃縮限制，并使D-EGR配置的發動機具備更好的性能。