周明1 沈穎剛 朱文霞

（1-云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院云南昆明6502032-昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

·研究·開發(fā)·

富氧燃燒結(jié)合EGR技術(shù)控制柴油機(jī)排放的試驗(yàn)研究*

周明1沈穎剛2朱文霞2

（1-云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院云南昆明6502032-昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

提出了采用富氧燃燒結(jié)合EGR技術(shù)來解決柴油機(jī)碳煙和NOx排放凈化方法相互矛盾的問題。在一臺(tái)增壓柴油機(jī)上試驗(yàn)研究了不同進(jìn)氣氧濃度和不同EGR率組合對(duì)柴油機(jī)碳煙和NOx排放的影響，以及對(duì)有效燃油消耗率和最大輸出功率的影響，并利用MATLAB軟件處理，得到最佳富氧進(jìn)氣濃度和EGR率匹配控制排放的MAP圖。研究結(jié)果表明，富氧燃燒結(jié)合EGR技術(shù)能夠同時(shí)降低碳煙和NOx排放，并保證其經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性。

柴油機(jī)富氧燃燒EGR控制排放

引言

柴油機(jī)具有熱效率高和動(dòng)力性強(qiáng)且耐久性能好等優(yōu)勢(shì)，使用越來越廣泛，同時(shí)柴油機(jī)的排放問題逐漸引起廣泛關(guān)注[1]。柴油機(jī)排放污染物主要有微粒（PM）、NOx、HC、CO等，其中微粒、NOx和硫化物進(jìn)入大氣中形成氣溶膠，是產(chǎn)生霧霾的主要原因之一[2]。其中排氣微粒由可溶性有機(jī)組成（SOF）、碳煙和硫酸鹽組成[3]。隨著排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，不斷提高和創(chuàng)新柴油機(jī)燃燒和控制技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)未來柴油機(jī)排放和運(yùn)行要求的關(guān)鍵[4]。目前，廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)是控制柴油機(jī)NOx生成最有效的措施，但同時(shí)EGR參與燃燒會(huì)造成碳煙（Soot）和燃油消耗率（BFSC）快速升高等問題[5-6]。在柴油機(jī)上實(shí)現(xiàn)富氧燃燒可提高燃料和氧氣的混合質(zhì)量，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤紵郎囟壬?，提高了柴油機(jī)的熱效率，改善了HC、CO和碳煙排放，但會(huì)導(dǎo)致NOx排放升高[7-8]。

因此，本文旨在保證發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性的前提下，采用富氧燃燒結(jié)合EGR技術(shù)來探究增壓柴油機(jī)同時(shí)降低碳煙和NOx排放的新方法，為實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)高效清潔燃燒的有效控制提供一定的科學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)與布置圖

1實(shí)驗(yàn)裝置和方法

本研究選用氧氣罐來提供增壓柴油機(jī)進(jìn)氣所需的氧氣來源（純氧），罐內(nèi)液氧汽化后與空氣混合進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管。同時(shí)要求保證準(zhǔn)確得到實(shí)驗(yàn)所需要的EGR率，所以需要對(duì)整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)和EGR循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)研究所選用的樣機(jī)是一臺(tái)4100QBZL-2增壓柴油機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

試驗(yàn)中所用的設(shè)備主要有AVL電渦流測(cè)功機(jī)、AVL DIGAS 4000 Light五組分汽車排放分析儀、FBY-1型自動(dòng)煙度計(jì)、P-190-O2-R100%VOL型便攜式氧氣檢測(cè)儀等等。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)富氧燃燒和EGR技術(shù)結(jié)合來控制柴油機(jī)排放的特性，特別是增壓中冷柴油機(jī)由于其進(jìn)氣管平均壓力高于排氣管平均壓力，廢氣不能自動(dòng)從排氣管流向進(jìn)氣管，故需要專門設(shè)計(jì)一套氧氣供給系統(tǒng)和EGR循環(huán)系統(tǒng)，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)富氧進(jìn)氣濃度和所需EGR率的可控和靈活調(diào)節(jié)，試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)總布置見圖1。

在測(cè)試過程中，富氧進(jìn)氣濃度由安裝在進(jìn)氣管上的氧氣檢測(cè)儀來直接測(cè)試，氧濃度大小表示氧氣所占進(jìn)氣中的體積百分比，即：

式中：m為氧氣檢測(cè)儀的讀數(shù)，表示體積比。本文選用測(cè)量CO2來計(jì)算外部EGR率，根據(jù)測(cè)試CO2所占進(jìn)氣的體積百分比和排氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)之比來表示，EGR率計(jì)算公式為：

式中：（CO2）intake表示經(jīng)過EGR廢氣稀釋后的進(jìn)氣中CO2的體積百分比；（CO2）exhaust表示排氣中CO2的體積百分比。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本研究在天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)保持發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)不變，文中選取了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min來分析研究，其負(fù)荷由25%、50%、75%和100%依次遞增，進(jìn)氣氧濃度由原機(jī)、21%、22%、23%、24%依次遞增，EGR率由20%、35%、45%、50%依次遞增，文中采用佛山全自動(dòng)煙度計(jì)測(cè)量煙度，并以所測(cè)取的煙度來表示柴油機(jī)的微粒排放。

2.1煙度分析

圖2和圖3分別為轉(zhuǎn)速為1 600r/min時(shí)，75%負(fù)荷和全負(fù)荷的情況下，不同EGR率和氧濃度對(duì)柴油機(jī)煙度排放的影響。

由圖2和圖3可知，在同一進(jìn)氣氧濃度下，隨EGR率不斷升高，稀釋了進(jìn)氣新鮮充量，缸內(nèi)氧濃度降低，燃料燃燒不完全，導(dǎo)致柴油機(jī)煙度增大。而在相同EGR率下，其煙度隨進(jìn)氣氧濃度的升高而顯著降低。這是由于氧濃度增大，使燃燒更加充分，缸內(nèi)高溫過濃局部區(qū)域減少。

圖2 75%負(fù)荷時(shí)的煙度變化

圖3 100%負(fù)荷時(shí)的煙度變化

同時(shí)，由圖可以看出，與原機(jī)相比，在不同進(jìn)氣氧濃度和EGR率的組合下，其發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分組合都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原機(jī)的煙度，在富氧進(jìn)氣為24%和EGR為20%的組合情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)1 600 r/min-75%負(fù)荷工況點(diǎn)出現(xiàn)了煙度降低的最大幅度為71.4%。這是由于富氧進(jìn)氣與EGR共同作用，彌補(bǔ)了相互的不足，尤其是富氧進(jìn)氣濃度達(dá)到22%以上時(shí)，氧氣發(fā)揮主要作用，促進(jìn)了空氣與燃油的混合，使燃料完全燃燒。在直接引入發(fā)動(dòng)機(jī)排放尾氣進(jìn)行EGR時(shí)，設(shè)計(jì)了排氣穩(wěn)壓罐、中冷、混合穩(wěn)壓罐等來冷凝和沉淀廢氣中的微粒，有利于煙度降低，基本遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于原機(jī)。

2.2 NOx排放分析

圖4和圖5是轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí)，75%和100%負(fù)荷工況點(diǎn)下，不同EGR率和氧濃度對(duì)柴油機(jī)NOx排放的影響。圖6和圖7是轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí)，負(fù)荷分別為75%和100%工況點(diǎn)下，進(jìn)氣中NOx含量的變化。

由圖4和圖5可知，在同一進(jìn)氣氧濃度下，NOx隨著EGR率的增加而大幅度降低。這是由于隨著EGR率增加，缸內(nèi)CO2濃度增大，缸內(nèi)工質(zhì)比熱容增大，有效降低了最高燃燒溫度與壓力，從而減少了NOx排放。而在相同EGR率下，隨著進(jìn)氣氧濃度增大，燃燒更加充分，缸內(nèi)高溫富氧區(qū)域增多，導(dǎo)致其NOx排放升高。且在1 600 r/min、75%負(fù)荷工況點(diǎn)，在進(jìn)氣氧濃度為21%時(shí)NOx排放的最大降低幅度達(dá)到53.6%；同時(shí)在1 600 r/min、全負(fù)荷工況點(diǎn)，進(jìn)氣氧濃度為24%時(shí)其最大降低幅度達(dá)到58.8%。

與原機(jī)相比，在不同進(jìn)氣氧濃度與EGR率的組合下，富氧與EGR的共同作用下，柴油機(jī)NOx排放在部分組合下遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原機(jī)，特別是在較低氧濃度和高EGR率范圍工況內(nèi)，如在進(jìn)氣氧濃度為21%，轉(zhuǎn)速為1 600 r/min-100%負(fù)荷工況點(diǎn)，EGR率為50%時(shí)出現(xiàn)NOx排放最大降低幅度達(dá)到56.7%。

此外，由于直接使用發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣來進(jìn)行EGR，故在進(jìn)行EGR的同時(shí)就一起引入了部分NOx，并隨著EGR率的增加而增加（見圖6，圖7）。由圖可知，如果進(jìn)一步采取措施降低引入進(jìn)氣中的NOx含量，將會(huì)使得柴油機(jī)采用富氧燃燒與EGR結(jié)合的方法取得更好效果。因此，增壓柴油機(jī)采用富氧燃燒與EGR相結(jié)合的方法來同時(shí)降低煙度和NOx排放是可行的。

圖4 75%負(fù)荷時(shí)NOx排放的變化

圖5 100%負(fù)荷時(shí)NOx排放的變化

圖6 1600 r/min-75%負(fù)荷時(shí)進(jìn)氣中NOx含量

2.3 經(jīng)濟(jì)性分析

采用富氧燃燒結(jié)合EGR技術(shù)對(duì)增壓柴油機(jī)進(jìn)行排放特性研究的同時(shí)，還研究了其對(duì)經(jīng)濟(jì)性能的影響。圖8是在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min-100%負(fù)荷時(shí)，在不同進(jìn)氣氧濃度下，不同EGR率對(duì)柴油機(jī)有效燃油消耗率的影響。

圖7 1600 r/min-100%負(fù)荷進(jìn)氣中NOx含量

圖8 1600 r/min-100%負(fù)荷有效燃油消耗率的變化

由圖8可知，在1 600 r/min-100%負(fù)荷時(shí)，在相同進(jìn)氣氧濃度下，隨著EGR率增大，缸內(nèi)過量空氣系數(shù)降低，燃料不能充分燃燒，燃料利用率降低，導(dǎo)致有效燃油消耗率顯著升高。在同一EGR率下，有效燃油消耗率隨著進(jìn)氣氧濃度的增加呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)。這是由于富氧進(jìn)氣，使缸內(nèi)氧濃度增大，燃燒更加充分，彌補(bǔ)了EGR帶來的不足，有利于降低有效燃油消耗率。與原機(jī)相比，在富氧進(jìn)氣與EGR率的部分組合下其有效燃油消耗率與原機(jī)基本相當(dāng)。如在1 600 r/min全負(fù)荷工況下，EGR率在20%～45%范圍內(nèi)，其經(jīng)濟(jì)性基本與原機(jī)相同；當(dāng)EGR率在45%～50%（含45%）范圍內(nèi)與原機(jī)相比，其最大影響在10%左右。其中在進(jìn)氣氧濃度為21%～24%之間，當(dāng)富氧到達(dá)一定程度時(shí)，氧濃度對(duì)經(jīng)濟(jì)性影響趨于穩(wěn)定，柴油機(jī)的比油耗出現(xiàn)了小幅度的上升。

2.4 動(dòng)力性分析

富氧進(jìn)氣柴油機(jī)引入EGR后，對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性能產(chǎn)生了一定的影響。圖9是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1600 r/min全負(fù)荷時(shí)，在不同進(jìn)氣氧濃度下，不同EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的影響。

圖9 1600 r/min-100%負(fù)荷時(shí)最大輸出功率的變化

由圖9可知，在1 600 r/min-100%負(fù)荷工況下，同一進(jìn)氣氧濃度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率隨著EGR率的升高而降低。在同一EGR率下，隨著進(jìn)氣氧濃度增加，發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，且其降低幅度較小，僅約為3.1%（即1 600 r/min時(shí)進(jìn)氣氧濃度為23%～24%，EGR率為35%時(shí)）。這是因?yàn)楦谎踹M(jìn)氣與EGR共同作用對(duì)增壓柴油機(jī)的動(dòng)力性產(chǎn)生了影響。富氧進(jìn)氣，缸內(nèi)氧濃度增大，燃燒更加充分，特別是在全負(fù)荷時(shí)，氣缸內(nèi)過量空氣系數(shù)較小，利用富氧技術(shù)可以改善混合氣的形成和燃燒，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率隨著進(jìn)氣氧濃度的增大而升高。但進(jìn)氣氧濃度為21%～24%之間時(shí)，當(dāng)氧濃度增加到一定程度時(shí)，EGR比氧濃度更容易影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，故最大功率具有先升后稍降的趨勢(shì)。

與原機(jī)相比，EGR率20%～45%范圍內(nèi)與原機(jī)基本相當(dāng)，而EGR率在45%～50%時(shí)對(duì)其動(dòng)力性的影響程度受工況點(diǎn)影響較大。

2.5 富氧進(jìn)氣濃度與EGR率最佳組合的選擇與確定

圖10為1 600 r/min時(shí)，在不同負(fù)荷下，通過綜合考慮排放指標(biāo)（主要是煙度和NOx）、經(jīng)濟(jì)性以及動(dòng)力性指標(biāo)，得到進(jìn)氣氧濃度和EGR率的最佳組合MAP圖。

采用富氧進(jìn)氣結(jié)合EGR技術(shù)，二者可以互相彌補(bǔ)不足，大幅度降低排氣中碳煙和NOx排放。但是，采用EGR和富氧進(jìn)氣結(jié)合技術(shù)時(shí)，其EGR率與氧濃度的選擇需要通過在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行大量試驗(yàn)，對(duì)有害排放物（主要是NOx和微粒）、油耗、功率和燃燒過程等進(jìn)行分析對(duì)比，綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)參數(shù)，進(jìn)行精確匹配。在1 600 r/min時(shí)的10%、25%、50%、75%和100%負(fù)荷中，綜合考慮排放指標(biāo)（主要是煙度和NOx）、經(jīng)濟(jì)性以及動(dòng)力性指標(biāo)，可以確定在一定工況下進(jìn)氣氧濃度與EGR率的最佳組合，如圖10所示。

圖10 1600 r/min進(jìn)氣氧濃度與EGR率最佳組合的MAP圖

3結(jié)論

1）富氧燃燒結(jié)合EGR技術(shù)能夠同時(shí)降低煙度和NOx排放，并保證其經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性，柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)清潔排放可行。

2）富氧進(jìn)氣在21%～24%與EGR率在20%～50%的范圍內(nèi)組合匹配，與原機(jī)相比，大部分組合下發(fā)動(dòng)機(jī)煙度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)1 600 r/min-75%負(fù)荷，富氧進(jìn)氣24%和EGR20%的組合時(shí)，煙度降低的最大幅度達(dá)到71.5%。

3）富氧進(jìn)氣在21%～24%與EGR率在20%～50%的范圍內(nèi)組合匹配，與原機(jī)相比，在部分組合下增壓柴油機(jī)NOx排放低于原機(jī)，在1 600 r/min100%負(fù)荷，進(jìn)氣氧濃度21%、EGR率50%時(shí)，NOx排放最大降低比例達(dá)到56.7%。

4）富氧進(jìn)氣在21%～24%與EGR率在20%～50%的范圍內(nèi)組合匹配，與原機(jī)相比，1 600 r/min全負(fù)荷工況下，EGR率在20%～45%時(shí)，其比油耗和最大輸出功率基本與原機(jī)相當(dāng)。

5）直接引入發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣來進(jìn)行EGR的同時(shí)，引入了部分NOx，可使NOx排放在部分工況點(diǎn)優(yōu)于原機(jī)。

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An Experimental Research on the Emission Control via the Combination of Oxygen-enriched combustion and EGR Technology for a Turbocharged Diesel Engine

Zhou Ming1,Shen Yinggang2,Zhu Wenxia2
1-Yunnan Vocational College of Mechanical and Electrical Technology(Kunming,Yunan,650203,China) 2-Faculty of Transportation Engineering,Kunming University of Science and Technology

In this paper,a new controlling means is presented by the combinations of oxygen-enriched combustion and EGR technology together,in order to solve contradiction of purification method for PM and NOx.Not only effective specific fuel consumption and maximum power output but also Smoke and NOxemission are to be studied by combinations of mutative intake oxygen concentration and different EGR rate on a turbocharged diesel engine,and a MAP picture of optimal combinations between intake oxygen concentration and EGR rate is gained by using MATLAB software.The results show that the combinations of oxygen-enriched combustion and EGR technology could simultaneously reduce Smoke and NOx,and preserve the power performance and fuel economy.

Diesel engine,Oxygen-enriched combustion,EGR,Control,Emission

U464.172

A

2095-8234（2016）06-0001-06

2016-09-25）

國家自然科學(xué)基金（51366007）。

周明（1969-），男，副教授，主要研究方向?yàn)槠噾?yīng)用技術(shù)。

沈穎剛（1965-），男，教授，博士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制。