王佳 尹必峰 盧振濤 黃晨春 賈和坤

（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院江蘇鎮(zhèn)江212013）

IEGR對小型非道路柴油機(jī)性能影響的可視化研究*

王佳 尹必峰 盧振濤 黃晨春 賈和坤

（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院江蘇鎮(zhèn)江212013）

以某小型非道路柴油機(jī)為樣機(jī)，搭建了柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧燃燒過程可視化研究平臺，進(jìn)行缸內(nèi)燃燒過程高速攝影研究，分析內(nèi)部廢氣再循環(huán)（Internal Exhaust Gas Recirculation，IEGR）對小型非道路柴油機(jī)燃燒及排放性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，引入IEGR會縮短滯燃期，延長燃燒持續(xù)期。IEGR在低負(fù)荷時(shí)可提高缸內(nèi)燃燒溫度，在中高負(fù)荷時(shí)則可以降低缸內(nèi)燃燒溫度。隨著IEGR率增大，NOx逐漸降低，且這種降低的趨勢隨負(fù)荷率的增加愈趨明顯，SOOT均有一定程度的升高，但并未嚴(yán)重惡化。IEGR對柴油機(jī)油耗有一定的改善效果，且隨負(fù)荷率的減小，IEGR對油耗率的改善效果增強(qiáng)。

非道路單缸柴油機(jī)IEGR可視化

引言

隨著近年來排放法規(guī)的不斷嚴(yán)格，對于非道路柴油機(jī)的排放要求也提出了更加苛刻的要求[1，2]。同時(shí)小型非道路柴油機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊復(fù)雜，且廣泛應(yīng)用于農(nóng)村農(nóng)業(yè)動力配套，小型非道路柴油機(jī)行業(yè)的發(fā)展正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[3]。廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）由于具有降低燃燒溫度的作用成為控制NOx排放的關(guān)鍵技術(shù)之一[4]。而內(nèi)部廢氣再循環(huán)作為降低NOx排放量的一種物美價(jià)廉的技術(shù)手段，近年來得到了國內(nèi)外學(xué)者們的關(guān)注和研究。

石磊等人[5]分別對比了IEGR與外部廢氣再循環(huán)（External exhaust gas recirculation，EEGR）對柴油機(jī)排放性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明IEGR有利于均質(zhì)混合氣的形成，使柴油HCCI燃燒的煙度排放減小，但相對于EEGR其低NOx排放負(fù)荷范圍減小。孫賓賓等人[6]利用AVL-BOOST建立了發(fā)動機(jī)仿真模型，提出了單進(jìn)氣門二次開啟來實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)內(nèi)部廢氣再循環(huán)以降低汽油機(jī)NOx排放的技術(shù)方案，結(jié)果表明，在車用發(fā)動機(jī)工作的中低轉(zhuǎn)速、部分負(fù)荷的典型工況下，在一定的EGR率范圍內(nèi)，采用該方案可使發(fā)動機(jī)的NOx排放和燃油經(jīng)濟(jì)性均比應(yīng)用凸輪軸可變配氣機(jī)構(gòu)的原機(jī)有明顯改善。Chen Rui[7]對IEGR在可控自燃（Controlled auto-ignition，CAI）汽油機(jī)上應(yīng)用進(jìn)行了研究，并利用排氣門早關(guān)和進(jìn)氣門晚開的方法實(shí)現(xiàn)IEGR，結(jié)果表明：IEGR能夠同時(shí)降低發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能和排放性能。祁俊榮等人[8]對IEGR對汽油燃料均質(zhì)壓燃（Homogeneous Charge Compress Ignition，HCCI）燃燒影響進(jìn)行了研究分析，結(jié)果表明：IEGR對HCCI著火過程有著顯著影響，且隨著EGR率的不同，燃料著火時(shí)間和缸內(nèi)燃燒溫度有著較大程度的改變。

國內(nèi)外學(xué)者對IEGR的研究促進(jìn)了該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，但目前對于IEGR在小型非道路柴油機(jī)上的應(yīng)用研究相對較少，本文以某小型非道路柴油機(jī)為樣機(jī)，使用AVL513D內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒圖像采集與處理系統(tǒng)，搭建了柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧燃燒過程可視化研究平臺，進(jìn)行缸內(nèi)燃燒過程高速攝影研究，分析內(nèi)部EGR對小型非道路柴油機(jī)燃燒過程及排放性能的影響規(guī)律。探索采用內(nèi)部EGR技術(shù)改善小型非道路柴油機(jī)排放性能的有效途徑。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文以某非道路單缸柴油機(jī)為研究對象，其基本參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)中采用的AVL513D Visio Scope系統(tǒng)為內(nèi)窺鏡式拍攝系統(tǒng)，通過將內(nèi)窺鏡伸入燃燒室采集缸內(nèi)燃燒火焰的高清晰彩色圖像，可以實(shí)時(shí)采集、分析燃燒圖像。需要在氣缸蓋上布置兩個(gè)光學(xué)通道，一個(gè)引入頻閃光源，另一個(gè)插入內(nèi)窺鏡。如圖1所示，布置方案設(shè)計(jì)時(shí)首先通過ProE軟件建立缸蓋、燃燒室及噴霧油線三者的三維模型，確定三者的空間相對位置，然后在保證探頭與油線互不干涉的前提下確定取像口與光源的布置方案。

分別在原機(jī)系統(tǒng)和帶有內(nèi)部EGR系統(tǒng)的條件下完成了燃燒過程的高速攝影、排放性能測試。試驗(yàn)中設(shè)定拍攝角度間隔為0.2℃A，范圍是從-20℃ABTDC到70℃A ATDC，包括了從噴油開始到看不到缸內(nèi)火焰（亮光）為止的持續(xù)時(shí)間。試驗(yàn)時(shí)高速攝影系統(tǒng)的主要參數(shù)為：曝光速率10 Hz，圖像分辨率為640×480像素，曝光時(shí)間為50 μs。此外，試驗(yàn)過程中所用的主要設(shè)備還包括：CWF37電渦流測功機(jī)、MCS-960油耗儀、AVL-CEB200氣體分析儀、AVLSPC472顆粒分析儀。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)工況的轉(zhuǎn)速和扭矩分別為：轉(zhuǎn)速為2300 r/min（標(biāo)定轉(zhuǎn)速）和1840 r/min（最大扭矩轉(zhuǎn)速），負(fù)荷率分別為100%、75%、50%、25%以及10%。

圖1 內(nèi)窺鏡布置方案

1.2 IEGR的方案設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的IEGR結(jié)構(gòu)方案如圖2所示，通過在原機(jī)進(jìn)氣凸輪上增加一個(gè)預(yù)進(jìn)氣小凸輪，使其在排氣行程階段，使進(jìn)氣門提前打開，使部分廢氣進(jìn)入進(jìn)氣道，在下一循環(huán)中與新鮮空氣一起進(jìn)入氣缸參與燃燒，從而實(shí)現(xiàn)IEGR。其中Φ為凸輪基圓直徑，h1為主進(jìn)氣凸輪升程，h2為預(yù)進(jìn)氣凸輪升程，h2越大，IEGR率越大。

圖2 IEGR結(jié)構(gòu)方案示意圖

柴油機(jī)配氣相位示意圖如圖3所示，其中排氣門正常開啟段和進(jìn)氣門正常開啟段與原機(jī)配氣相位方案一致。引入IEGR后，由于預(yù)進(jìn)氣小凸輪的作用，在排氣門正常開啟段開啟了進(jìn)氣門，從而得到了進(jìn)氣門預(yù)開啟段，使得部分廢氣能夠進(jìn)入進(jìn)氣道，實(shí)現(xiàn)IEGR。

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圖3 引入IEGR后柴油機(jī)配氣相位圖

其中：α為進(jìn)氣提前角，β為進(jìn)氣延遲角，δ為排氣延遲角，γ為排氣提前角，Ψ為預(yù)進(jìn)氣關(guān)閉角度，ω為預(yù)進(jìn)氣開啟角度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 缸內(nèi)燃燒過程可視化分析

為了直觀地分析IEGR對柴油機(jī)燃燒過程的影響，圖4中給出了1840 r/min轉(zhuǎn)速，10%與50%負(fù)荷率條件下燃油著火過程圖片。以50%負(fù)荷率工況為例，引入IEGR前后分別在6°CA和5°CA缸內(nèi)出現(xiàn)了零星的著火點(diǎn)，分別在10°CA和9°CA開始形成明亮的燃燒火焰。引入IEGR后，缸內(nèi)混合氣初始溫度升高，滯燃期縮短，兩個(gè)負(fù)荷率工況下著火時(shí)刻提前。同時(shí)，比較不同負(fù)荷率工況下的照片可以看出隨著負(fù)荷率的增加著火時(shí)刻逐漸提前。

圖5給出了缸內(nèi)燃燒末期的圖片，從圖中可以看出，兩個(gè)負(fù)荷率工況下，引入IEGR后，相同曲軸轉(zhuǎn)角下缸內(nèi)未完全熄滅的火焰團(tuán)的面積要略大一些。以50%負(fù)荷率工況為例，60°CA時(shí)，原機(jī)缸內(nèi)燃燒火焰已經(jīng)幾乎完全熄滅，而帶有內(nèi)部EGR系統(tǒng)的缸內(nèi)存在尚未熄滅的燃燒火焰。這是由于EGR的引入，稀釋了新鮮充量，惰性氣體成分增加，混合氣的比熱容增大，從而延長了整個(gè)燃燒持續(xù)期。同時(shí)，從缸內(nèi)火焰熄滅的時(shí)刻可以看出隨著負(fù)荷率的增加，噴入的燃油量增多，燃燒持續(xù)期也有所延長。

圖4 內(nèi)部EGR對燃油著火過程的影響

可視化技術(shù)結(jié)合雙色法是研究柴油機(jī)燃燒過程的有效手段，可以利用高速彩色CCD攝像機(jī)的三基色用雙色法對缸內(nèi)溫度場進(jìn)行計(jì)算[9]。因此，采用雙色法，對缸內(nèi)燃燒過程高速攝影得到的燃燒火焰圖片進(jìn)行了缸內(nèi)溫度場的計(jì)算，圖6給出了不同EGR率條件下，燃燒壓力峰值所對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角下缸內(nèi)溫度場。從圖中可以看出，10%工況下，缸內(nèi)氧含量充足，引入EGR后進(jìn)氣加熱作用有利于高質(zhì)量混合氣的形成，促進(jìn)了燃燒，燃燒壓力峰值對應(yīng)的缸內(nèi)燃燒溫度高于原機(jī)；50%工況下，引入內(nèi)部EGR導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣處于貧氧，缸內(nèi)火焰平均溫度下降，高溫強(qiáng)輻射區(qū)域的比例也減少。

圖5 內(nèi)部EGR對燃燒結(jié)束時(shí)刻的影響

2.2 IEGR對排放的影響

圖6內(nèi)部EGR率對缸內(nèi)溫度場的影響

圖7 IEGR對NOx的影響

圖8 IEGR對SOOT的影響

從圖8中可以看出，引入IEGR后，在兩個(gè)轉(zhuǎn)速的各個(gè)負(fù)荷工況下SOOT均有一定程度的增加，IEGR率越大，SOOT增加越多，且增加的幅度隨著負(fù)荷的增加有不斷增大的趨勢。因?yàn)樵诖筘?fù)荷率工況下，引入廢氣后進(jìn)一步降低缸內(nèi)氧濃度，會增加混合氣局部較濃的區(qū)域，導(dǎo)致SOOT生成量增加。與此同時(shí)，惰性氣體的增加，會導(dǎo)致燃燒過程變長，產(chǎn)生后燃，燃燒后期生成的SOOT得不到氧化，并且當(dāng)煙度較高的廢氣被重新引入氣缸參與下一循環(huán)燃燒時(shí)，將對下一循環(huán)的燃燒產(chǎn)生不利的影響。而在小負(fù)荷率時(shí)，缸內(nèi)氧含量相對充足，并且廢氣對新鮮充量有一定的加熱作用，有利于均質(zhì)混合氣的形成，縮短著火延遲期，促進(jìn)缸內(nèi)燃燒完全，因此SOOT排放僅略有增加。

2.3 IEGR對油耗的影響

圖9示出了IEGR對柴油機(jī)燃油消耗率的影響，從圖中可以看出，IEGR對柴油機(jī)燃油消耗率具有一定的降低效果，且這種改善趨勢隨負(fù)荷率的降低與IEGR率的增大愈趨明顯。這主要是由于，小負(fù)荷率工況下，缸內(nèi)混合氣空燃比較高，引入的廢氣可以提高進(jìn)氣溫度，促進(jìn)油氣混合，實(shí)際上對燃燒起到了改善的作用，因此燃油消耗率得到了較大的改善；隨著負(fù)荷率的增加，缸內(nèi)氧濃度不斷降低，廢氣的引入進(jìn)一步增加了混合氣的濃度，使得混合氣的燃燒不完全，而且引入的廢氣為惰性氣體，抑制了混合氣的燃燒速度，使得燃燒滯后，因此中高負(fù)荷率工況下燃油消耗率變化不大。

圖9 IEGR對燃油消耗率的影響

3 結(jié)論

1）通過設(shè)置在進(jìn)氣凸輪上的預(yù)開啟凸輪，實(shí)現(xiàn)IEGR，并證實(shí)了IEGR是改善柴油機(jī)綜合性能的有效技術(shù)手段。

2）引入IEGR會縮短滯燃期，延長燃燒持續(xù)期。IEGR在低負(fù)荷時(shí)可提高缸內(nèi)燃燒溫度，在中高負(fù)荷時(shí)降低缸內(nèi)燃燒溫度。

3）隨著IEGR率增大，NOx逐漸降低，且這種降低的趨勢隨負(fù)荷率的增加愈趨明顯。SOOT均有一定程度的升高，但并未嚴(yán)重惡化。

4）IEGR對柴油機(jī)油耗有一定的改善效果，且隨負(fù)荷率的減小，IEGR對油耗率的改善效果增強(qiáng)。

1USA non-road diesel engines emission standards.http：// www.dieselnet.com/standards/us/offroad.html

2中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB 20891-2007非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅰ，Ⅱ階段）[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007

3劉勝吉，尹必峰，王建，等.滿足單缸柴油機(jī)國-Ⅱ排放的技術(shù)難題與對策[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2009，38（4）：85～88

4譚建勛，王志偉，李偉，等.內(nèi)部EGR增壓中冷柴油機(jī)排放性能試驗(yàn)研究[J].車用發(fā)動機(jī)，2011（6）：51～54

5石磊，鄧康耀，崔毅，等.不同EGR方法對柴油燃料HCCI燃燒影響的探討[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2005，23（5）：463～468

6孫賓賓，常思勤，劉梁.用進(jìn)氣門二次開啟控制策略實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR的研究[J].汽車工程，2014，36（2）：145～150

7Chen Rui，Milovanovic Nesa，Turner J.W.G，et al.The thermal effect of internal exhaust gas recirculation on controlled auto ignition[C].SAE Paper 2003-01-0751

8祁俊榮，鐘紹華.內(nèi)部EGR與汽油燃料HCCI燃燒關(guān)系的探討[J].內(nèi)燃機(jī)，2006（5）：28～30

9Adam Anne，Leick Philippe，Bittlinger，Gerd，et al.Visualization of the evaporation of a diesel sprays using combined Mie and Rayleigh scattering techniques[J].Experiments in Fluids，2009，47（3）：439～449

Visualization Study on the Influence of IEGR on Performance for Small Off-Road Diesel Engine

Wang Jia1，Yin Bifeng1，Lu Zhentao1，Huang Chenchun2，Jia Hekun1
1-School of Automobile and Traffic Engineering，Jiangsu University（Zhenjiang，Jiangsu，212013，China）2-Changchai Company Limited

Taking one small off-road diesel engine as the research object，a visualization platform for cylinder spray and combustion process was built.Influence of IEGR on combustion and emission characteristics was researched with the cylinder combustion process high-speed photograph.The result indicates that the ignition delay was shortened and the combustion process extended with the introduction of IEGR. Combustion temperature increased at low load，while reduced at medium and high load.With the increase of IEGR rate，NOxreduced gradually，which will be more and more evident with the rise of load rate，and SOOT increased with a certain degree.IEGR has a certain effect on the improvement of the fuel consumption，which will be enhanced with the reduction of load rate.

Off-road，Single cylinder diesel engine，IEGR，Visualization

TK421.5

A

2095-8234（2014）05-0014-05

2014-07-08）

江蘇省科技支撐計(jì)劃（BE2013042）；常州市科技支撐計(jì)劃（CE20120095）；江蘇大學(xué)高級專業(yè)人才科研啟動基金項(xiàng)目（13JDG075）；江蘇省優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目。

王佳（1989-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)排放控制。