孫 飛

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海200092)

0 引言

柴油機(jī)比汽油機(jī)具有較高的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，故柴油機(jī)在商用車和工程機(jī)械等領(lǐng)域得到了大量的推廣.但隨著排放法規(guī)的升級(jí)，在保持柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也需要開展各項(xiàng)減少排放的技術(shù)措施研究.

廢氣再循環(huán)技術(shù)［1］是目前廣泛應(yīng)用在柴油機(jī)領(lǐng)域的減排技術(shù).它主要是通過將燃燒后的排氣重新引回缸內(nèi)，利用排氣中的CO2和N2等成分降低缸內(nèi)溫度，達(dá)到減少排放的目的［2］.

由于廢氣具有一定的熱作用和化學(xué)作用［3］，其能夠降低缸內(nèi)溫度和減少NOx排放.同時(shí)廢氣還可能會(huì)對(duì)燃燒過程和其他排放物的生成造成一定的影響.為此本文基于4D20柴油機(jī)，開展不同EGR率下的柴油機(jī)試驗(yàn)研究，研究不同EGR率對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放物生成的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)裝置和方法

試驗(yàn)用的柴油機(jī)為4D20高壓共軌柴油機(jī)，其主要參數(shù)如表1所示.

表1 柴油機(jī)基本參數(shù)

連桿長度/mm 149缸數(shù) 4排量/L 2.0壓縮比 16.2最大扭矩/(N·m) 300(2000 r/min)標(biāo)定功率/(kW) 100(4000 r/min)

試驗(yàn)過程轉(zhuǎn)速固定為1400r/min，每循環(huán)噴油量為14mg，其他工況參數(shù)如表2所示.

表2 試驗(yàn)研究工況參數(shù)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，該柴油機(jī)的第一缸的進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)被獨(dú)立出來，從而可以有效地控制和實(shí)現(xiàn)所需的EGR率，同時(shí)試驗(yàn)測試和分析的結(jié)果數(shù)據(jù)也只針對(duì)第一缸.試驗(yàn)過程主要用到的測試設(shè)備如表3所示.

表3 試驗(yàn)設(shè)備

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

為了探索EGR率對(duì)柴油機(jī)燃燒過程和排放物生成的影響規(guī)律，本文設(shè)定了四種EGR率，分別為0%，20%，40%和60%.

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)圖

圖2 不同EGR率下的缸壓

圖3 不同EGR率下的溫度

2.1 EGR率對(duì)燃燒過程影響

圖2，圖3和圖4給出了不同EGR下，缸內(nèi)壓力、溫度和放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律.分析可知，隨著EGR率的增大，缸內(nèi)壓力和溫度均降低.放熱過程出現(xiàn)明顯的滯后，同時(shí)放熱率的峰值降低.

圖5和圖6給出了不同EGR率下，滯燃期和CA50的對(duì)比，可知隨著EGR率的增大，燃燒起點(diǎn)和中間點(diǎn)(即CA50)均滯后，放熱過程遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，如此便會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)的指示熱效率下降和指示油耗的增加，分別如圖7和圖8所示.

圖4 不同EGR率下的放熱率

圖5 不同EGR率下的滯燃期

圖6 不同EGR率下的CA50

圖7 不同EGR率下的指示熱效率

圖8 不同EGR率下的指示油耗

2.2 EGR率對(duì)排放的影響

圖9和圖10給出了不同EGR下，NOx和soot生成的對(duì)比.NOx生成主要條件為高溫富氧［4］;當(dāng)EGR率增大時(shí)，缸內(nèi)溫度下降(如圖3所示)，和由于EGR的引入，新鮮充量減少，氧濃度降低;在這兩個(gè)方面的因素作用下，NOx排放隨著EGR率的增大而急劇下降.

圖9 不同EGR率下的NOx排放

圖10 不同EGR率下的soot排放

圖11 不同EGR率下的CO排放

圖12 不同EGR率下的HC排放

soot的生成主要條件為溫度為1500K以上和缺氧［5］;當(dāng)EGR率增大到40%以前，由于缸內(nèi)氧濃度略微減少，soot影響較小，有小幅上升;但當(dāng)EGR率增大到60%時(shí)，缸內(nèi)嚴(yán)重缺氧，導(dǎo)致soot排放急劇增加.

圖11和圖12給出了不同EGR率下CO和HC排放的對(duì)比.CO的生成主要受限于能否與氧氣充分接觸和燃燒溫度是否夠高［6，7］.在 EGR 率小于60%以前，缸內(nèi)氧濃度和燃燒溫度略微下降，CO排放略有增大.但當(dāng)60%時(shí)，燃燒溫度迅速降低，導(dǎo)致CO排放增加.HC排放隨EGR的變化規(guī)律與CO類似，即在EGR率小于60%以前，HC排放略微增大;而在EGR率達(dá)60%時(shí)，HC排放激增.

綜合可知，在中小EGR率(即EGR率為0%、20%和40%)時(shí)，EGR可以有效的降低NOx排放，同時(shí)其他排放也維持在適中的水平，柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性變化不大.但當(dāng)EGR率過大(即EGR率為60%)時(shí)，柴油機(jī)的排放迅速惡化，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性大幅下降.

3 結(jié)論

(1)隨著EGR率的增大，缸內(nèi)壓力和溫度下降，燃燒過程過程滯后，放熱率峰值減少，指示熱效率降低，指示油耗升高;

(2)EGR率的增大有利于減少NOx排放，同時(shí)在中小EGR率下(EGR率為0%，20%和40%時(shí))，soot，CO和 HC排放不會(huì)有太大影響，但大EGR率下(EGR率為60%)，soot，CO和 HC急劇惡化;

(3)為保持柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性良好，實(shí)際柴油機(jī)中采用的EGR率不應(yīng)太大.

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