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（1-云南省交通科學院云南昆明6500112-昆明理工大學云南省內(nèi)燃機重點實驗室）

EGR對富氧進氣增壓柴油機缸內(nèi)過程的影響*

倪志海1朱文霞2沈穎剛2

（1-云南省交通科學院云南昆明6500112-昆明理工大學云南省內(nèi)燃機重點實驗室）

運用EGR與富氧進氣技術在一臺增壓柴油機上進行了缸內(nèi)過程的試驗研究，研究了不同EGR率和富氧進氣濃度對發(fā)動機燃燒過程中缸內(nèi)最高燃燒壓力和最高壓力升高率的影響。研究結(jié)果表明，在同一工況相同進氣氧濃度下，最高燃燒壓力隨EGR率增加而降低，最高壓力升高率卻明顯升高，但發(fā)動機仍能保持平穩(wěn)運行；在同一工況相同EGR率時，隨著進氣氧濃度不斷升高，最高燃燒壓力、最高壓力升高率與原機基本相當。

柴油機EGR富氧進氣缸內(nèi)過程

引言

隨著全球環(huán)境污染的日益加重和世界石油資源的短缺，柴油機在節(jié)能減排方面面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。內(nèi)燃機的燃燒過程是發(fā)動機工作循環(huán)的中心環(huán)節(jié)，直接影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性能，受到研究者的特別關注［1］。

廢氣再循環(huán)（EGR）技術被認為是降低柴油機NOx排放的一種有效措施［2］，它是將一部分廢氣引入進氣管與新鮮空氣混合后進入氣缸內(nèi)以抑制燃燒速率與溫度，從而抑制NOx的生成，達到綜合控制排放的目的［3-4］。富氧燃燒技術是采用比空氣中氧含量高的富氧空氣助燃，氧富余，可以顯著提高燃燒效率和火焰溫度，從而改善燃燒和排放性能，但會導致NOx排放升高［5-6］。因此從發(fā)動機燃燒技術方面考慮，各國都在試圖尋找一種有效的途徑來提高柴油機功率，降低燃油消耗，減少排氣污染［7］。本文針對柴油機的工作特點，采用EGR與富氧進氣同時使用的控制方法，對增壓柴油機缸內(nèi)過程進行了試驗研究。

1　試驗裝置和系統(tǒng)

1.1試驗裝置

本研究試驗在天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室進行。試驗所選用的樣機是4100QBZL-2柴油機，該發(fā)動機的主要技術參數(shù)見表1。

表1　試驗發(fā)動機主要技術參數(shù)

試驗中所采用具體設備的特征參數(shù)與設備生產(chǎn)廠家見表2。

表2　試驗中主要的測試設備與型號

1.2試驗系統(tǒng)

在試驗過程中，針對本實驗專門設計了一套氧氣供給系統(tǒng)和EGR引入系統(tǒng)，采用缸內(nèi)壓力傳感器測量缸內(nèi)壓力，壓力測量所需的上止點信號和轉(zhuǎn)角信號由與曲軸相聯(lián)的編碼器提供，測得的電壓信號經(jīng)電荷放大器輸入數(shù)據(jù)采集儀，試驗裝置系統(tǒng)簡圖見圖1。測量缸內(nèi)壓力時需作特殊處理，因為測試缸內(nèi)壓力時缸內(nèi)傳感器處于高溫高壓狀態(tài)，既要保持傳感器的靈敏度和測試準確性，又要保持氣缸的密封狀態(tài)，故本實驗采用打孔和螺紋緊固來解決。打孔和加工螺紋時從缸蓋頂面開始直到缸蓋底面，其徑向尺寸與容納傳感器的銅套相匹配（銅套自主依據(jù)傳感器尺寸設計，使用銅套是為了使用螺紋緊固），并要求傳感器端面在安裝時與缸蓋底面相平齊，見圖2。

圖1　試驗裝置系統(tǒng)簡圖

圖2　壓力傳感器安裝圖

2　試驗結(jié)果及分析

本文在富氧進氣的基礎上，采用廢氣再循環(huán)（EGR）的方法來進一步研究柴油機的缸內(nèi)過程。EGR率用CO2所占進氣體積百分比和排氣中的CO2體積百分比之比來表示，EGR率計算公式為：

式中（CO2）intake是引入EGR后進氣中CO2的體積百分比；（CO2）exhaust是排氣中CO2的體積百分比。

2.1燃燒壓力分析

內(nèi)燃機氣缸內(nèi)部實際進行的工作循環(huán)是非常復雜的，為獲得正確反映氣缸內(nèi)部情況的實驗數(shù)據(jù)，通常利用不同形式的示功器或內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來觀察或記錄相對于不同活塞位置或曲軸轉(zhuǎn)角時氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力的變化，所得的結(jié)果即為P/φ示功圖［8］。

圖3a）和b）是1 600 r/min、75%負荷下進氣氧濃度分別為21%和23%時不同EGR率的示功圖對比。

圖3　不同進氣氧濃度下EGR率對缸內(nèi)壓力的影響

由圖3可知，同一工況相同進氣氧濃度下，缸內(nèi)最高燃燒壓力隨著EGR率的增加而降低，并且壓力峰值時刻隨EGR率的增大而滯后，著火時刻也相應地延遲。當EGR率從20%至55%變化時，在1600r/min、75%負荷時，不同進氣氧濃度（21%和23%）下，其最高燃燒壓力最大降低幅度均為0.5 MPa。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是引入EGR后，進氣中的CO2和水蒸汽等三原子分子氣體增加，缸內(nèi)工質(zhì)（缸內(nèi)混合氣）的比熱容增大。同時，隨著EGR率的不斷增加，CO2等惰性氣體增多，稀釋了混合氣，抑制了燃料的混合和燃燒，降低了燃燒速度和溫度，從而有效降低了最高燃燒溫度與壓力，導致著火時刻延遲。

圖4是1 600 r/min、100%負荷下在EGR率20%時缸內(nèi)壓力隨進氣氧濃度增加而變化的特性曲線圖。表3為1 600 r/min、100%負荷下不同進氣氧濃度的缸內(nèi)壓力峰值與原機相比較的降低量。

從圖4中看出，在相同EGR率20%時，隨著進氣氧濃度的增大，缸內(nèi)壓力與原機基本相當。在1 600 r/min、100%負荷、EGR率20%工況點的最高燃燒壓力與原機也基本相當，其最大變化幅度發(fā)生在21%進氣氧濃度時，下降最大幅度僅約為0.17 MPa，具體見表3。

圖4　不同進氣氧濃度對柴油機缸內(nèi)壓力的影響（EGR20%）

表3　不同氧氣濃度下缸內(nèi)最高壓力與原機相比較（1 600 r/min、100%負荷）

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是在同一EGR率時，由于進氣氧濃度不斷增加，有利于氧氣與燃油的混合，促進燃料充分燃燒。特別是在大負荷（全負荷）時，氣缸內(nèi)過量空氣系數(shù)較小，利用富氧技術可以改善混合氣的形成和燃燒，提高了缸內(nèi)最高燃燒溫度與壓力。但由于EGR率的使用，對混合氣形成不利，降低了燃燒的最高溫度與壓力，特別是使用了較高EGR率時，緩和了燃燒速度，所以，二者能夠相互彌補，使發(fā)動機缸內(nèi)最高燃燒壓力與原機基本相當。

2.2壓力升高率分析

柴油機是典型的壓燃式內(nèi)燃機，在其工作運轉(zhuǎn)時，滯燃期內(nèi)噴入氣缸的燃料在著火前已經(jīng)蒸發(fā)并與空氣混合，即預混燃燒。這部分混合氣的燃燒數(shù)量決定了燃燒過程中缸內(nèi)最高燃燒壓力和最大壓力升高率，即預混合燃燒量越多，放熱量越多，放熱速率越快，相對應的燃燒壓力與溫度就越高，導致壓力升高率較大［9］。根據(jù)柴油機急燃期燃燒特點，一般用平均壓力升高率來表示壓力升高的急劇程度。壓力升高率表示為，其計算公式為：

其中，Pt1為開始著火燃燒點，即壓力開始急劇升高的始點壓力；Pt2為壓力急劇升高的終點壓力。

壓力升高率是表征急燃期缸內(nèi)壓力升高的急劇程度。發(fā)動機缸內(nèi)壓力升高率過大過小都會影響柴油機正常工作。當柴油機壓力升高率過大時，柴油機工作比較粗暴，運動零件受到很大的沖擊負荷，發(fā)動機壽命就要縮短；壓力升高率過小時，不能保證柴油機所需要的壓縮溫度與壓力，使得柴油機性能惡化。為了保證柴油機運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，平均壓力升高率不宜超過0.6 MPa/°CA［8］。

當柴油機實現(xiàn)富氧進氣時，燃料與氧氣得到很好的混合，加快了燃油在缸內(nèi)的物理和化學準備過程，快速形成了適宜著火的均質(zhì)混合氣，縮短了滯燃期，導致在預混燃燒階段形成的均質(zhì)混合氣數(shù)量相對減少，影響了發(fā)動機的最大壓力升高率，使得柴油機最大壓力升高率隨著進氣氧濃度的增大而減小。但是引入EGR后，其壓力升高率發(fā)生了變化，具體變化見以下分析。

圖5是1 600 r/min、75%負荷工況下進氣氧濃度分別為21%和23%時，不同EGR率對柴油機壓力升高率的影響。

圖5　不同進氣氧濃度下EGR率對缸內(nèi)壓力升高率的影響

從圖5可以看出，同一工況相同進氣氧濃度下，柴油機的最高壓力升高率隨著EGR率的增加而顯著升高，其滯燃期隨著EGR率的增加而增大。在1 600 r/min、75%負荷下，進氣氧濃度為21%和23%時，EGR率由20%增加到55%，滯燃期延長約為8° CA。同時在EGR率為55%時，不同氧濃度（21%和 23%）下的最高壓力升高率均達到0.7MPa/°CA左右，而此時發(fā)動機仍能保持平穩(wěn)運行。

其主要原因是隨著EGR率的增大，稀釋了混合氣；同時CO2等惰性氣體的增加，抑制了燃料的混合和燃燒，混合氣準備著火時間延長，則滯燃期延長，導致最高壓力升高率提高。但是由于同時采用富氧進氣，所以即使在高EGR率的一定范圍內(nèi)，發(fā)動機仍能保持正常的工作運行。

圖6為1 600 r/min、100%負荷下EGR率20%時壓力升高率隨進氣氧濃度變化的特性曲線圖。表4為1 600 r/min、100%負荷下不同進氣氧濃度的壓力升高率峰值與原機壓力升高率峰值相比較的降低量。

圖6　不同進氣氧濃度對柴油機壓力升高率的影（EGR20%）

從圖6可以看出，在相同EGR率時，隨著進氣氧濃度的升高，壓力升高率與原機基本相當，其著火時刻亦與原機大致相同，其最大變化幅度不到1°CA。在1 600 r/min、100%負荷、EGR率為20%時，其最高壓力升高率與原機也基本相當，其最高壓力升高率的最大降低幅度在進氣氧濃度為24%時，大約為0.06 MPa/°CA，具體見表4。

其主要原因是由于進氣氧濃度的增加和20% EGR率加入的相互作用，使發(fā)動機缸內(nèi)最高壓力升高率與原機基本相當，著火時刻與原機大致相同。

表4　不同氧氣濃度下缸內(nèi)最高壓力升高率與原機相比較（1 600 r/min-100%負荷）

3　結(jié)論

1）EGR與富氧進氣同時在增壓柴油機上使用時，同一工況下相同進氣氧濃度時，缸內(nèi)最高燃燒壓力隨著EGR率的增加而降低，而最高壓力升高率卻隨EGR率增加而明顯升高。且隨著EGR率增大，其壓力峰值出現(xiàn)時刻滯后，著火時刻延遲。

2）EGR與富氧進氣同時在增壓柴油機上使用時，在相同EGR率時，隨著進氣氧濃度的升高，最高燃燒壓力和壓力升高率與原機基本相當，其著火時刻與原機大致相同。

3）在1 600 r/min、75%負荷下，EGR率為55%時，不同進氣氧濃度（21%和23%）的壓力升高率峰值均達到0.7 MPa/°CA左右，但發(fā)動機仍能保持平穩(wěn)運行。

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9孫士龍.基于燃油噴射參數(shù)的預混壓燃發(fā)動機燃燒及排放特性研究［D］.長春：吉林大學，2014

Influence of EGR on In-Cylinder Process for a Turbocharged Diesel Engine of Oxygen-Enriched Intake Air

Ni Zhihai1，Zhu Wenxia2，Shen Yinggang2
1-Yunnan Transportation Research Institute（Kunming，Yunnan，650011，China）2-Key Laboratory of Internal Combustion Engine of Yunnan Province，Kunming University of Science and Technology

A turbocharged diesel engine was used to conduct experimental study of in-cylinder working process by implementing EGR and oxygen-enriched intake air simultaneously.Moreover，maximum combustion pressure and maximum pressure rise rate were studied by combinations of different EGR rate and different intake oxygen concentration on combustion process of cylinder.The results showed that the growing rate of EGR could reduce maximum combustion pressure，but increase maximum pressure rise rate and ensure the engine working under a safety and reliable condition under the same test condition；intake oxygen concentration could keep that maximum combustion pressure and maximum pressure rise rate were the same as the base engine under the same operation condition.

Diesel engine，EGR，Oxygen-enriched intake air，In-cylinder process

TK421+.27

A

2095-8234（2016）03-0016-05

國家自然科學基金項目（51366007）。

倪志海（1966-），男，高級工程師，主要研究方向為汽車應用。

2016-03-21）