楊欣欣， 石磊， 曲栓， 劉勝， 曹杰， 鄧康耀， 楊震寰

(1. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200240; 2. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

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EGR率和進(jìn)氣溫度耦合作用下的低溫燃燒試驗(yàn)研究

楊欣欣1， 石磊1， 曲栓2， 劉勝2， 曹杰2， 鄧康耀1， 楊震寰2

(1. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200240; 2. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

基于冷熱廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)雙回路系統(tǒng)，通過進(jìn)氣溫度與EGR率解耦控制，研究了EGR率和進(jìn)氣溫度對(duì)柴油低溫燃燒和排放的影響，并在低溫燃燒負(fù)荷上限探索EGR率和進(jìn)氣溫度耦合作用規(guī)律。研究結(jié)果表明，負(fù)荷上限時(shí)，進(jìn)氣溫度升高對(duì)進(jìn)氣充量的稀釋作用占主導(dǎo)地位，進(jìn)氣溫度升高對(duì)燃燒起抑制作用。 EGR率和進(jìn)氣溫度的耦合作用在負(fù)荷上限時(shí)體現(xiàn)在：低EGR率、高進(jìn)氣溫度時(shí)，燃燒始點(diǎn)提前、燃燒持續(xù)期增大；高EGR率、低進(jìn)氣溫度時(shí)，指示功增加，平均有效壓力增大。EGR率升高，NOx排放量降低，進(jìn)氣溫度升高，HC，CO排放量升高。

內(nèi)燃機(jī)； 廢氣再循環(huán)； 進(jìn)氣溫度； 燃燒； 排放

低溫燃燒是一種高效清潔的燃燒技術(shù)，已經(jīng)成為近年來(lái)內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的熱門研究問題之一。廢氣再循環(huán)(EGR)與進(jìn)氣溫度都是低溫燃燒的重要邊界條件，二者的控制往往耦合在一起。

EGR技術(shù)是將循環(huán)廢氣導(dǎo)入氣缸，對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行稀釋，可以降低缸內(nèi)氧濃度，從而降低燃燒速率，直接對(duì)燃燒和排放產(chǎn)生影響；同時(shí)，采用EGR技術(shù)將大量較空氣比熱容高的三原子氣體 (H2O，CO2)引入氣缸，可以提高缸內(nèi)工質(zhì)的平均比熱容，對(duì)燃燒溫度的升高起到抑制作用，而EGR引入的惰性分子減緩了燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速率，可以降低最高燃燒溫度；若EGR引入氣缸內(nèi)的廢氣溫度高于新鮮進(jìn)氣，那么EGR會(huì)對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行加熱，進(jìn)氣溫度升高將有利于柴油的蒸發(fā)混合 ，促進(jìn)均質(zhì)混合氣的形成 ，同時(shí)預(yù)混壓燃在溫度較高時(shí)易于發(fā)生。廢氣再循環(huán)已成為控制低溫燃燒的重要方法之一[1-4]。

對(duì)于基于兩段噴射的低溫燃燒，進(jìn)氣溫度對(duì)燃燒和排放具有兩方面影響：一方面，進(jìn)氣溫度的提高會(huì)使進(jìn)氣充量的密度降低，對(duì)燃燒效率和平均有效壓力的提高不利；另一方面，進(jìn)氣溫度的提高有利于主噴射燃油的蒸發(fā)，有助于形成更多的均質(zhì)混合氣，而且高的缸內(nèi)溫度會(huì)對(duì)低溫燃燒起到促進(jìn)作用。在不同的負(fù)荷工況下，上述兩個(gè)影響規(guī)律所占的比重也會(huì)改變，使得進(jìn)氣溫度對(duì)低溫燃燒的影響規(guī)律更加復(fù)雜[5-6]。

所以探究EGR率和進(jìn)氣溫度的耦合作用對(duì)低溫燃燒試驗(yàn)的影響具有非常重要的意義。許多學(xué)者對(duì)EGR率和進(jìn)氣溫度對(duì)低溫燃燒的影響對(duì)進(jìn)行了大量研究。Yin B等[7]發(fā)現(xiàn)具有較高EGR率的延遲噴射策略可以同時(shí)降低NOx和炭煙。Zhao Wei等[8]通過改變EGR率和后噴射正時(shí)對(duì)改進(jìn)的單缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,研究表明，低EGR率下，峰值放熱率逐漸增加，高EGR率下，峰值放熱率逐漸降低。劉忠民等[9]通過建立燃燒室有限元模型，計(jì)算EGR率和進(jìn)氣溫度對(duì)重油燃燒過程中NOx排放的影響，最終通過耦合EGR率和進(jìn)氣溫度來(lái)控制NOx的排放。柴智剛等[10]在電控高壓共軌柴油機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)EGR率的升高提高了進(jìn)氣比熱容，降低缸內(nèi)平均溫度，從而降低了NOx排放，且在中小EGR率下，提高噴油壓力加速了燃油和空氣的混合程度，從而有效降低炭煙排放。胡松等[11]考慮了進(jìn)氣溫度等5個(gè)參數(shù)，基于三韋伯方程建立了增壓柴油機(jī)燃燒模型，計(jì)算出各燃燒參數(shù)，且分析比較了模型的優(yōu)越性。張玉[12]通過對(duì)4100柴油機(jī)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：當(dāng)進(jìn)氣溫度低40 ℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)炭煙和NOx的排放會(huì)同時(shí)降低；在進(jìn)氣溫度為20 ℃時(shí)，柴油機(jī)的排放性能最佳。天津大學(xué)的楊彬彬[13]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著進(jìn)氣溫度的提高，燃料活性增加，滯燃期逐漸縮短，但變化幅度較小；EGR 率為40%時(shí)，不同進(jìn)氣溫度下的燃燒始點(diǎn)基本不變；隨著進(jìn)氣溫度的升高，新鮮進(jìn)氣量減少，缸內(nèi)峰值壓力下降。

本研究基于搭建的冷熱EGR雙回路試驗(yàn)臺(tái)架，通過調(diào)節(jié)EGR閥及排氣背壓閥來(lái)控制EGR率和進(jìn)氣溫度，研究了EGR率和進(jìn)氣溫度對(duì)于燃燒性能和排放的影響，并且在低溫燃燒負(fù)荷上限對(duì)EGR率和進(jìn)氣溫度耦合作用的規(guī)律進(jìn)行了探索。

1 試驗(yàn)臺(tái)架及方案

本研究選用的是一臺(tái)135單缸水冷式四沖程柴油機(jī)，在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改造了高壓共軌噴射系統(tǒng)，其原理示意見圖1。試驗(yàn)中所使用的主要儀器有AVL五氣分析儀、煙度分析儀、壓電缸壓傳感器、FC2210油耗儀、數(shù)據(jù)采集卡、Kistler電荷放大器。

圖1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架示意

2 EGR率對(duì)兩段噴射低溫燃燒的影響

本研究分別在固定發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況和固定噴油參數(shù)的條件下，探究EGR率的改變對(duì)低溫燃燒和排放的影響。在本試驗(yàn)中為了使進(jìn)氣溫度對(duì)燃燒和排放的影響足夠小，關(guān)閉了熱EGR閥，循環(huán)廢氣經(jīng)過冷卻EGR回路回流到氣缸中，調(diào)節(jié)冷卻EGR回路的冷卻水量使得進(jìn)氣溫度維持在(25±5) ℃。其他試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為轉(zhuǎn)速1 200 r/min，首段噴射燃油比例80%，首段噴射提前角(以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì))上止點(diǎn)后-60°，末段噴射提前角上止點(diǎn)后-20°，循環(huán)噴油量90 mg/cycle。

在定噴油參數(shù)和定工況的條件下，改變閥門開度即改變EGR率，試驗(yàn)選取9個(gè)閥門開度進(jìn)行研究，對(duì)應(yīng)的EGR率分別為0%，10%，22%，32%，41%，50%，56%，71%及82%。在該工況下，放熱率、缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化見圖2。

圖2 1 200 r/min, Tin= 25 ℃時(shí)，不同EGR率下缸壓、 放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律

由圖2a可以看出，隨著EGR率的增大，燃燒的缸壓曲線向右下方移動(dòng)，說(shuō)明燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)，同時(shí)燃燒的最大壓力降低。圖2b中燃燒始點(diǎn)隨EGR率增加而推遲，放熱率峰值相位也隨之推遲，EGR率大于41%時(shí)更加明顯，說(shuō)明兩段燃油噴射的低溫燃燒對(duì)EGR率的變化很敏感，控制EGR率能夠有效控制燃燒相位，所以調(diào)節(jié)EGR率是優(yōu)化低溫燃燒的有效方法。

圖3示出了EGR率對(duì)燃燒始點(diǎn)、燃燒持續(xù)期、平均有效壓力(IMEP)和指示熱效率(ηi)的影響。

由圖3a可見，燃燒始點(diǎn)對(duì)EGR率的變化很敏感，隨著EGR率的增加而推遲；燃燒持續(xù)期隨著EGR率的增加而縮短，與傳統(tǒng)燃燒方式(隨EGR率的增加而延長(zhǎng))不同，燃燒持續(xù)期對(duì)EGR 率的變化不敏感，整個(gè)燃燒放熱過程因滯燃期縮短而縮短，所以燃燒持續(xù)期也相應(yīng)縮短。

由圖3b可見，平均有效壓力和ηi隨EGR率的增加而增加，由于可以通過EGR率對(duì)燃燒持續(xù)期及燃燒相位進(jìn)行控制，所以采用合適的EGR率可以有效地避免燃燒過早或過遲，從而提高平均有效壓力和ηi。

圖3 1 200 r/min, Tin= 25 ℃時(shí)，EGR率對(duì)燃燒始點(diǎn)、 燃燒持續(xù)期、平均有效壓力和指示熱效率的影響

圖4示出了EGR率對(duì)NOx，CO和HC排放的影響情況。

圖4 1 200 r/min, Tin= 25 ℃時(shí),EGR率對(duì)NOx， CO和HC的影響

圖4中，NOx的排放量隨EGR率的增加而明顯降低，CO的排放量隨EGR率的增加而升高。這是因?yàn)槿紵郎囟入SEGR率的增加而降低，而形成NOx及CO轉(zhuǎn)化為CO2都需要高溫、富氧。該工況為高負(fù)荷(循環(huán)噴油量為90 mg/cycle)工況, 缸內(nèi)溫度要比低負(fù)荷時(shí)高很多，所以NOx排放量也相對(duì)較高，在該工況下，為了滿足NOx排放量少于100×10-6，需要將EGR率控制在40%以上。在EGR率低于40%時(shí)，CO的排放量增加很緩慢，高于40%后增加迅速，這與EGR率對(duì)溫度的影響規(guī)律相符合。

同時(shí)可以看出，以EGR率40%為分界點(diǎn)，HC的排放量隨EGR率的增加而先緩慢增多，后急劇增加，這是因?yàn)殡S著EGR率的增加，燃燒始點(diǎn)推遲，燃燒溫度降低，引起氣缸壁周圍的邊界層厚度增大，而氣缸壁附近的邊界層的低溫混合油氣很難燃燒，從而排氣中的HC排放量增加。

3 負(fù)荷上限進(jìn)氣溫度對(duì)兩段噴射低溫燃燒的影響

本研究通過調(diào)節(jié)冷熱EGR閥的開度實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣溫度的控制，同時(shí)利用了循環(huán)高溫廢氣來(lái)加熱新鮮空氣。由試驗(yàn)可知，EGR率過小，可控溫度范圍較窄，EGR率過高燃燒不穩(wěn)定，EGR率取50%時(shí)，進(jìn)氣溫度可控制范圍較大，為30～95 ℃之間。本研究以NOx排放大于100×10-6為負(fù)荷上限的判斷標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以充分保證低溫燃燒的低NOx排放優(yōu)勢(shì)。試驗(yàn)中將燃燒上限拓展到了循環(huán)油量90 mg/cycle，研究進(jìn)氣溫度對(duì)燃燒和排放的影響。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為EGR率50%，首段噴射燃油比例80%，首段噴射提前角上止點(diǎn)后-60°，末段噴射提前角上止點(diǎn)后-20°，轉(zhuǎn)速1 000 r/min。

圖5至圖7分別示出了進(jìn)氣溫度在負(fù)荷上限時(shí)對(duì)最大燃燒放熱率、最高燃燒溫度、燃燒始點(diǎn)及排放產(chǎn)物的影響。

圖5 負(fù)荷上限，1 000 r/min， EGR率50%時(shí),缸壓和 最大燃燒放熱率的變化規(guī)律

由圖5a可以看出，隨著進(jìn)氣溫度的升高，燃燒的缸壓曲線略微向下移動(dòng)，說(shuō)明燃燒的最大壓力隨進(jìn)氣溫度的升高而略有降低。圖5b中，負(fù)荷上限工況下，循環(huán)油量較大，缸內(nèi)空燃比較小，進(jìn)氣溫度的升高減少了新鮮空氣充量，降低了氧濃度，對(duì)燃燒反應(yīng)起到了一定的抑制作用，進(jìn)氣溫度升高對(duì)進(jìn)氣量不利，最大燃燒放熱率下降。

圖6a中燃燒始點(diǎn)隨著進(jìn)氣溫度的提高而略有提前，但是變化的幅度較小。一方面，進(jìn)氣溫度的提高促進(jìn)了預(yù)混燃油的蒸發(fā)和混合，使燃燒放熱始點(diǎn)有提前的趨勢(shì)；另一方面，由于此時(shí)循環(huán)油量較大，缸內(nèi)空燃比較低，而進(jìn)氣溫度的升高減少了新鮮的空氣充量，使得缸內(nèi)氧濃度降低，對(duì)燃燒反應(yīng)的發(fā)生起到了抑制作用，使燃燒放熱始點(diǎn)有推遲的趨勢(shì)。兩方面因素對(duì)燃燒過程的綜合作用使得燃燒始點(diǎn)隨著進(jìn)氣溫度的提高而略有提前。對(duì)于基于兩段噴射的低溫燃燒，其燃燒終點(diǎn)的位置受燃燒邊界條件的影響不大。因而燃燒始點(diǎn)提前的同時(shí)，燃燒持續(xù)期也增大。

圖6b中，平均有效壓力和ηi隨進(jìn)氣溫度的增加而降低。在負(fù)荷上限，缸內(nèi)噴油量大，缸內(nèi)燃空比較大，不會(huì)對(duì)平均有效壓力的提高起到抑制作用。

圖6 負(fù)荷上限，1 000 r/min，EGR率50%時(shí)，進(jìn)氣溫度對(duì)最高燃燒溫度和燃燒始點(diǎn)的影響

由圖7可見，NOx排放量很少，且隨進(jìn)氣溫度變化的幅度不大,這是因?yàn)楸狙芯渴腔趦啥螄娚涞念A(yù)混燃燒，EGR率大，燃燒溫度較低，可以避開生成NOx較多的高溫區(qū)域。在負(fù)荷上限，隨進(jìn)氣溫度升高，新鮮充量會(huì)被稀釋，氧濃度降低，燃燒溫度也隨之降低，CO，HC的排放量均隨著進(jìn)氣溫度的升高而增多。

圖7 負(fù)荷上限，1 000 r/min，EGR率50%時(shí)，進(jìn)氣溫度 對(duì)排放的影響

4 負(fù)荷上限時(shí)EGR率和進(jìn)氣溫度的耦合作用規(guī)律

以NOx的排放大于100×10-6為負(fù)荷上限的判斷標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)中將燃燒上限拓展到了循環(huán)油量90 mg/cycle。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：EGR率分別取15%，30%，45%，60%，首段噴射燃油比例80%，首段噴射提前角上止點(diǎn)后-60°，末段噴射提前角上止點(diǎn)后-20°，轉(zhuǎn)速1 000 r/min。

4.1 對(duì)燃燒的耦合作用規(guī)律

由圖8可以看出，在負(fù)荷上限(循環(huán)噴油量為90 mg/cycle)時(shí)，隨著EGR率的減小與進(jìn)氣溫度升高，燃燒始點(diǎn)提前、燃燒持續(xù)期增大。這是因?yàn)楦變?nèi)的氧濃度上升，燃油蒸發(fā)率增大，缸內(nèi)均質(zhì)混合氣增多，缸內(nèi)溫度升高，這些因素對(duì)燃燒著火起到了有利的作用，故燃燒始點(diǎn)提前。基于兩段噴射的低溫燃燒的燃燒終點(diǎn)受邊界條件的影響不大，故燃燒持續(xù)期增大。

圖8 負(fù)荷上限，1 000 r/min ，EGR率和進(jìn)氣溫度對(duì)燃燒 相位的耦合作用規(guī)律

由圖9可見，在負(fù)荷上限，當(dāng)EGR率升高、進(jìn)氣溫度降低時(shí)，平均有效壓力增大，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率增高。進(jìn)氣溫度的降低增加了進(jìn)氣密度，提高了進(jìn)入氣缸的新鮮充量，有利于平均有效壓力的提高。而在大負(fù)荷下，由于缸內(nèi)噴油量大，缸內(nèi)燃空比較大，燃燒相位過于靠前，不利于平均有效壓力的提高，EGR 率的提高可以有效推遲燃燒相位，使燃燒的指示功增加，平均有效壓力提高。所以，提高EGR率可以有效推遲燃燒相位，增加指示功，提高平均有效壓力。

圖9 負(fù)荷上限，1 000 r/min ，EGR率和進(jìn)氣溫度對(duì) 平均有效壓力的耦合作用規(guī)律

4.2 對(duì)排放的耦合作用

由圖10可見，在負(fù)荷上限時(shí)，NOx排放受EGR率影響很大，而受進(jìn)氣溫度的影響較小。隨著EGR率的提高，NOx排放量迅速降低，原因是提高EGR率可以明顯降低燃燒溫度，從而優(yōu)化NOx排放。在此工況下，若要達(dá)到NOx排放在100×10-6以下，EGR率要在40%以上。HC和CO的排放量受進(jìn)氣溫度和EGR率的共同影響，但主要受進(jìn)氣溫度的影響；進(jìn)氣溫度的升高和EGR率的增大，對(duì)新鮮充量的稀釋作用明顯，HC，CO等不完全燃燒產(chǎn)物排放量增多。由此可見，在負(fù)荷上限時(shí)， EGR率升高，缸內(nèi)燃燒溫度下降，氧濃度也下降，NOx排放量隨之明顯下降；進(jìn)氣溫度升高使新鮮空氣充量減少，導(dǎo)致HC，CO排放量增多。

圖10 負(fù)荷上限，1 000 r/min ，EGR率和進(jìn)氣溫度對(duì)排放 的耦合作用規(guī)律

5 結(jié)論

a) 對(duì)于兩段噴射的低溫燃燒，增大EGR率能夠推遲燃燒始點(diǎn)，有效延長(zhǎng)燃燒持續(xù)期；調(diào)節(jié)EGR率可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒相位的控制；定噴射參數(shù)的工況下調(diào)節(jié)EGR率來(lái)優(yōu)化燃燒相位，可以提高平均有效壓力，還能有效降低NOx的排放，但HC和CO的排放增加；

b) 負(fù)荷上限時(shí)，進(jìn)氣溫度升高對(duì)進(jìn)氣充量的稀釋作用占主導(dǎo)地位；隨進(jìn)氣溫度升高，燃燒相位小幅度提前，缸壓和燃燒放熱率下降，HC和CO排放增多；

c) 負(fù)荷上限時(shí)，在EGR率減小、進(jìn)氣溫度升高的條件下，燃燒始點(diǎn)將提前、燃燒持續(xù)期增大；在進(jìn)氣溫度降低、EGR率升高的條件下，平均有效壓力將增大；EGR率和進(jìn)氣溫度對(duì)排放的影響體現(xiàn)在，EGR率越高，NOx排放越低，而HC和CO的排放主要受進(jìn)氣溫度的影響，進(jìn)氣溫度升高，HC，CO排放量增多。

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[編輯： 姜曉博]

Experimental Research on Low Temperature Combustion under Coupled Effect of EGR Rate and Intake Temperature

YANG Xinxin1， SHI Lei1， QU Shuan2， LIU Sheng2， CAO Jie2， DENG Kangyao1, YANG Zhenhuan2

(1. School of Mechanical and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400， China)

Based on the hot and cold dual circuit EGR, the impacts of EGR rate and intake temperature on combustion performance and emissions and the coupled laws on EGR rate and intake temperature at the upper limit of low temperature combustion load were studied through decoupling of intake temperature and EGR rate. The results showed that the rise of intake temperature dominated in the dilution effect of intake charge at the upper load limit, but suppressed the combustion. The combustion timing advanced and the combustion duration increased at low EGR rate and high intake temperature and the indicated work and the mean effective pressure increased at high EGR rate and low intake temperature. In addition, the NOxemission decreased with the increase of EGR rate and the HC and CO emissions increased with the increase of intake temperature.

internal combustion engine； exhaust gas recirculation; intake temperature; combustion; emission

2016-12-18；

2017-05-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(51576129)

楊欣欣(1991—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒與性能仿真；1057024344@qq.com。

石磊(1977—)，男，副研究員，博士，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)均質(zhì)低溫燃燒技術(shù)、柴油機(jī)增壓與性能、內(nèi)燃機(jī)測(cè)試與控制技術(shù)； shi_lei@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.03.002

TK421.5

B

1001-2222(2017)03-0008-06