廢氣再循環(huán)(EGR)的溫度對(duì)可變EGR率的重型直噴式柴油機(jī)性能和排放的影響模板

1、廢氣再循環(huán)（EGR的溫度對(duì)可變EG碎的重型直噴式柴油機(jī)性能和排放的影響D.T.Hountalasa,GC.Mavropoulosa,K.B.Binderba.InternalCombustionEnginesLaboratory,ThermalEngineeringSection,MechanicEngineeringDepartment,NationalTechnicalUniversityofAthens,9HeroonPolytechniou,15773Zografou,GreecebDevelopmentBasicSystems,HeavyDutyEngines,DaimlerChry

2、slerAG0546Stuttgart,GermanyReceived10December2006摘要直噴柴油機(jī)是當(dāng)今公認(rèn)的卡車(chē)和其他有關(guān)重型車(chē)輛的動(dòng)力總成。與此同時(shí)，排放法規(guī)（主要針對(duì)NOx和顆粒物）變得更加嚴(yán)格，排放物限值降低到非常低的水平。采用高比例廢氣再循環(huán)（EGR）是控制NOx排放以達(dá)到未來(lái)排放法規(guī)的一種有效方法，同時(shí)需要采用進(jìn)氣增加來(lái)降低對(duì)碳煙排放的負(fù)面影響。該方法基于降低燃燒室內(nèi)的氣體溫度和氧濃度，但通常會(huì)對(duì)碳煙排放和有效油耗率（BSFC）產(chǎn)生不利影響。在采用高比例EGR時(shí)，需要EGR氣體冷卻以降低其在煙塵排放的不利影響。尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷時(shí)EGR流量和排氣溫度高時(shí)候，為此，本

3、文，采用多區(qū)燃燒模型，在不同EGR比例下研究了冷卻EGR溫度對(duì)渦輪增壓直噴重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況下性能和排放的影響。研究結(jié)果表明，降低EGR溫度對(duì)有效油耗率和碳煙（低值）具有積極作用，同時(shí)，對(duì)NO也有一定的有利影響。綜上所述，低EGR溫度的效果優(yōu)于高EGR溫度。關(guān)鍵詞：廢氣再循環(huán)；柴油機(jī)；EGR溫度；排放1引言在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展中，工程師和制造商面臨的最困難的問(wèn)題之一是控制和減少污染物排放1,2達(dá)到相關(guān)立法可接受的”水平。在過(guò)去的幾十年里，減少NOx和煙塵的排放量已取得重大進(jìn)展。但是與此同時(shí)，在歐V排放法規(guī)中，柴油機(jī)的允許排放的限值也變得更加嚴(yán)格。柴油機(jī)被廣泛的應(yīng)用在交通運(yùn)輸中，作為在未來(lái)主

4、要的動(dòng)力來(lái)源來(lái)說(shuō)，降低其排放是亟待解決的?？刹捎孟冗M(jìn)的燃燒技術(shù)和（或）后處理系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)排放的控制。作為公認(rèn)的唯一有可能實(shí)現(xiàn)未來(lái)限值的是使用內(nèi)部措施結(jié)合現(xiàn)有廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)3,4。在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣沖程時(shí)，廢氣循環(huán)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)是降低NOx5,6最知名的也是最成熟的技術(shù)之一。然而，在現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中要協(xié)調(diào)好各種影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的因素。通過(guò)這種方式，就可以確保達(dá)到預(yù)期的限值（降低污染物排放）同時(shí)避免犧牲現(xiàn)有的有利因子”（如發(fā)動(dòng)機(jī)效率等）。建模的貢獻(xiàn)是可以有效的研究所涉及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的各種參數(shù)。其中一個(gè)重要的參數(shù)就是再循環(huán)的廢氣的溫度。圖一.（a）區(qū)域在噴射方向形成-z”平面（b）區(qū)域形成在“

5、-r”平面總體來(lái)說(shuō)，介紹了EGR對(duì)柴油機(jī)燃燒三種不同的方式：熱，化學(xué)和稀釋。熱效應(yīng)對(duì)進(jìn)氣溫度影響與容積效率的增加有關(guān)（熱節(jié)流）和增加的電荷比熱容取決于CO2和H2O的存在。另一方面，在燃燒過(guò)程中的化學(xué)作用是氣體的解離有關(guān)，而稀釋是指減少氧氣供應(yīng)。目前我們主要集中在第一種，即熱效應(yīng)，考慮再循環(huán)廢氣溫度對(duì)性能和排放的影響。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)廢氣再循環(huán)的冷卻是研究的EGR氣體溫度對(duì)不同EGR率下的性能和排放的影響一個(gè)重要課題，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的使用和排放。因此，我們研究重型直噴式單缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)能否在高的峰值燃燒壓力7進(jìn)行工作。歐盟項(xiàng)目HEDE-應(yīng)用先進(jìn)的噴射定時(shí)來(lái)改善有效燃油消耗率（BSFC）但

6、是顯然對(duì)NOx排放有不利影響?？刂频趸?，冷卻EGR被認(rèn)為是使用一個(gè)固定的對(duì)于所有的測(cè)試情況下的溫度來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。在目前的工作中研究不同EGR溫度來(lái)確定其對(duì)燃燒和污染物的形成機(jī)制。目前的研究已經(jīng)表明，如果我們希望沒(méi)有顯著犧牲發(fā)動(dòng)機(jī)的效率時(shí)，保留低的NOx排放是對(duì)EGR冷卻是有利的。EGR冷卻對(duì)防止煙塵排放量上升到不可接受的水平是必要的。在高EGR率和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，需要EGR的冷卻將更明顯。從理論的調(diào)查證明了，不同EGR溫度對(duì)部分負(fù)荷下的內(nèi)燃機(jī)有不同的影響。由于空間的限制，本研究是應(yīng)用在滿(mǎn)負(fù)荷和在最高EGR質(zhì)量流量的要求下不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為的條件的情況。理論研究是利用現(xiàn)有的三維多區(qū)模型8,9

7、進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?包括影響EGR率和溫度。為分析增壓壓力和噴油定時(shí)保持恒定時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，EGR率和EGR溫度作為計(jì)算參數(shù)。如圖所示EGR溫度對(duì)有效發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和煙塵的排放量產(chǎn)生不利的影響，而在EGR溫度范圍內(nèi)對(duì)NO排放沒(méi)有或者有小的影響。如果EGR上部溫度范圍內(nèi)增加江油更顯著的影響存在(熱EGR)。如發(fā)現(xiàn)，EGR(廢氣再循環(huán))冷卻降溫是有益的BSFC和煙塵，而其影響取決于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和EGR率。2仿真模型在這項(xiàng)研究中使用的模型已在過(guò)去8,9提出后被開(kāi)發(fā)了。它已被修改為包括EGR率和溫度影響的應(yīng)用現(xiàn)狀。因此只簡(jiǎn)要的介紹了其主要原理。所使用的模型是一個(gè)多區(qū)燃燒區(qū)域之一。燃料射流被分成同心的三個(gè)區(qū)使用

8、考慮。這使發(fā)動(dòng)機(jī)熱力參數(shù)在燃料射流及其對(duì)污染物排放10-12形成詳細(xì)的估計(jì)。它也揭示了EGR對(duì)污染物的形成機(jī)制的影響。2.1. 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的仿真燃料混合后，在噴射前分為不同的量稱(chēng)為“zones”壓力被認(rèn)為在整個(gè)燃燒室是均勻。每個(gè)區(qū)都有自己的溫度和組成，運(yùn)用熱力學(xué)第一定律和質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒方程確定。圖.1a和b是同心的射流區(qū)。噴射軸線使用的射流軸被指定為“X和其他兩個(gè)軸垂直于它的軸線作為“Zf口”R：在軸向方向上的區(qū)域的數(shù)量是由注射時(shí)間和時(shí)間步長(zhǎng)來(lái)確定，目前是05CA。在其他兩個(gè)方向的區(qū)域的數(shù)量為五，在圓周方向上的徑向數(shù)量是八。2.1.1 熱交換傳熱計(jì)算特性速度是采用湍流動(dòng)能的粘性耗散率k”模

9、型1,8,9,13T7確定。熱交換率是這樣得到的：44Q=Ahc(Tg-Tw)Cr(Tg-Tw)(1)其中Tg是由射流體積溫度:-3 -(2Tg 二'、mGkTk'、mkCvkk1（指數(shù)k表示“kth區(qū)的總、數(shù)n）熱交換率的估計(jì)是根據(jù)公式分布式噴射區(qū)中的公式:Qk 二Q(mGkTk)n(3)m&k2.1.2. 空氣渦流以吸入空氣的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為藍(lán)本，有效地假設(shè)固體旋轉(zhuǎn)包圍的勢(shì)流區(qū) 2,18 。該 方案考慮造成汽缸壁附近的邊界層空氣的粘性。切向速度分布是由以下方程描 述：u=WRfor 00RK Reu=WR（Re/r） 0.05for Rc<R< m在RC點(diǎn)是固

10、體旋轉(zhuǎn)結(jié)束的點(diǎn)，由下面的經(jīng)驗(yàn)公式給出:(4)Rc=Rin(Db/2Rp)(5)RP是圓柱體的半徑和Rin氣缸閥的軸向距離。解決的方法用旋轉(zhuǎn)速度來(lái)確定, 數(shù)據(jù)由切提供。2.1.3. 噴霧模型從燃油噴射系統(tǒng)的仿真模型，確定了噴嘴出口處的初始條件。最初，燃料行 駛距離?。〝嗔验L(zhǎng)度）的內(nèi)筒，在破碎成液滴。斷裂長(zhǎng)度是由公式2,8,9,18給出了.PL uinj tbreak G ()d inj a(6)其中Ci是一個(gè)常數(shù)，Ra和Rl分別是空氣和燃料的密度。速度沿噴霧軸線分散后是區(qū)分噴霧穿透18,19隨時(shí)間產(chǎn)生的相關(guān)性為:up2.95, P、0.250.5X -0.5(丁)* t2 g-4 -在射流區(qū)外圍

11、，滲透速度乘以式（7）計(jì)算下列系數(shù):(8)在nj, i是本地區(qū)的速度修正系數(shù)，是其相對(duì)于射流軸線區(qū)起始位置（見(jiàn) 圖1b） , n" n2是常數(shù)。這樣得到的速度分布，類(lèi)似于實(shí)際在噴外圍滲透比較慢 的中央的一個(gè)區(qū)。噴霧錐角是用來(lái)估計(jì)的噴射區(qū)域的幾何位置由下列關(guān)系2,18確定的:二二0.05（dinj；2 P）0.25 -a(9)計(jì)算在徑向和軸向方向上的空氣流速的局部成分和中軸線使用動(dòng)量守恒方 程，我們要考慮空氣渦流射流的幾何影響。碰壁后每個(gè)區(qū)域的滲透速度是由下面的關(guān)系17確定0 252.95 P 0.25 .0.5 thit25up = （ （ ； ） dinj 0.75，2： gt(1

12、0)在區(qū)后沖擊被假定為平行于氣缸壁的路徑，這是接近現(xiàn)實(shí)。2.1.4. 空氣卷吸進(jìn)入?yún)^(qū)加氣用動(dòng)量守恒估計(jì)，這已被證明是穩(wěn)定的，簡(jiǎn)單的和幾乎不需要調(diào)整發(fā)動(dòng) 機(jī)的操作條件?？諝饩砦M(jìn)區(qū)總量從注射時(shí)刻確定；mfUinj =(ma mf)Up= ma = mf uj - mfup(11)2.1.5. 液滴破裂和蒸發(fā)噴射的燃料是根據(jù)瞬時(shí)噴油率分布區(qū)。每個(gè)區(qū)域內(nèi)的燃料分按以下具有相同 的直徑Dd組分布2,8,9:dVVDd 3 DdDd=13.5( 丁)3 exp -3(丁)d (-).DsmDsmDsm(12)索特平均直徑的Dsm是從半經(jīng)驗(yàn)公式得到的，來(lái)自實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):DSM ,10.250.32 / V1、

13、0.37 ,1、-0.47 ,= 0.38Reinj W0nj()() dinj,Va,(13)-19 -Dsm,2nd.ReW.；%)0.5%=)0.%明(14)Vaaa其中下標(biāo)1”2'"'分別為的完整和不完整的噴霧。索特平均直徑為上述兩個(gè)值的最大值。博爾曼和約翰遜20的模型為蒸發(fā)過(guò)程的之后，如.燃燒模型燃燒啟動(dòng)點(diǎn)火延遲期的關(guān)系a21,2©:-spr(15)25104dt=1adeE.eq.exp(5000Tg)其中“蠶”是在混合區(qū)內(nèi)當(dāng)?shù)氐娜剂峡諝猱?dāng)量比，adei是一個(gè)常數(shù)。點(diǎn)火后的局部反應(yīng)率取決于燃料的質(zhì)量濃度，氧氣和溫度適宜的地方。下面

14、的關(guān)系給出了燃料的反應(yīng)速率：afcao一Ec/T1m七=KbCfCoe-,(16)6N其中Kb是常數(shù)，Ec是降低的活化能(K),Cf,Co分別是燃料和氧氣的質(zhì)量濃度。2.2. 氣體交換使用的填充和排空的方法，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)排氣系統(tǒng)的模擬，取得了良好的效果1,2,160該模型是模擬渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)，即模擬渦輪增壓器和空氣冷卻器的運(yùn)行16O2.3. 一氧化氮和煙塵的形成的模型2.3.1 一氧化氮的形成一氧化氮在每個(gè)區(qū)域內(nèi)都可形成，可以使用化學(xué)平衡。認(rèn)為在每一區(qū)都存在這11種物質(zhì)23：O2,N2,CO2,H2O,H,H2,N,NO,O,OH,CO。在每個(gè)區(qū)域中的這些元素的平衡濃度是使用由作者開(kāi)發(fā)的方法確定7

15、,15。-氧化氮的形成是由化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制。在目前的工作中澤利多維奇用于涉及以下三個(gè)方程擴(kuò)展機(jī)制：10N+NOgN2+Okif=1.6漢0N+O2HNO+Ok2f=6.4106Texp(-3125/T)(17)(18)N+OH修NO+Hk3f=4.2M010在每個(gè)區(qū)域的NO濃度變化可以表示為：1d(NOV)_2(1-：2)RVdt-1：R1/(R2R3)其中，R=k1fNeNQe,R=k2fNeQe,R=k3fN4OHe=NO/NOeo在以前的關(guān)系指數(shù)e表示平衡。以往的微分方程我們可以得到在每個(gè)區(qū)NO濃度整和。2.3.2.碳煙的形成煙灰形成的速率是使用Hiroyasou半經(jīng)驗(yàn)確定，模型2,15,

16、26.碳煙的生成和氧化是由以下方程描述：dmtf05f=Afmf,evP0.5exp-Esf/(RUlT)dt(19)dmsb=A3ms(PO2)P1.8exp-Esb/(RmolT)dtP(20)其中，f”表示碳煙的形成，b”表示燃燒，mev是區(qū)域中燃料蒸發(fā)的量，PO是氧氣分壓。煙塵的形成Esf和燃燒Esb的活化能分別是82,000和120,000kJ/kmol,凈碳煙的形成率用下面的公式確定，(21)dms_dmsfdmsbdtdtdt3 .測(cè)試內(nèi)燃機(jī)的描述在使用的內(nèi)燃機(jī)基于戴姆勒-克萊斯勒500系列的單缸直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。引擎的基本參數(shù)在表1中給出。壓縮機(jī)已被風(fēng)機(jī)所取代，噴嘴渦輪由具有

17、等效流動(dòng)面積提供了類(lèi)似的平均排氣壓力的真正的發(fā)動(dòng)機(jī)。采用廢氣再循環(huán)的壓縮機(jī)排出的高壓回路。在歐盟項(xiàng)目HEDE”中特定的引擎已經(jīng)開(kāi)發(fā)出并能承受高的峰值燃燒壓力達(dá)280巴7。通過(guò)戴姆勒克萊斯勒提供的HEDE項(xiàng)目發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)過(guò)程中獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用不同的EGR率和恒定的EGR溫度140°C （冷卻EGR）。因此，一個(gè)懸而未決的問(wèn)題仍然是關(guān)于EGR氣體溫度水平對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響。這進(jìn)行電流計(jì)算研究的主要?jiǎng)訖C(jī)4 .模型驗(yàn)證r|.Tflfflna-OdHARDCEngriflQwiiAraei&g內(nèi)燃機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角（度）39-EGRemcicf?tun?KT3tint.Hininq-S

18、tieyAIDCiH-T111TJT|51。1620EGRPugiPF;忖t悵|EGR率圖2.比較在1130轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速100%負(fù)圖3.比較在1130和1420轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)速荷和-9°的噴油定時(shí)，不同EGR率。計(jì)下100%負(fù)荷和-9°的噴油定時(shí)不同EGR算和實(shí)驗(yàn)的氣缸壓力圖率，計(jì)算和試驗(yàn)有效熱效率值的大小圖使用的多區(qū),K型來(lái)檢測(cè)EGR溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放污染物的影響，有必要驗(yàn)證其能力作為EGR的效果而言。為此，對(duì)上述單缸試驗(yàn)機(jī)我們使用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在戴姆勒-克萊斯勒公司的研究實(shí)驗(yàn)室做的。試驗(yàn)是使用EGR率從0%增加30%然后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測(cè)。如上所述自從先進(jìn)的噴射

19、定時(shí)被用來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。EGR的使用檢測(cè)了作為控制NOx排放的意義。在目前的工作中獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速用于模型驗(yàn)證，即在全負(fù)荷時(shí)，1130和1420轉(zhuǎn)使用在上止點(diǎn)-9訥噴油定時(shí)提前角（對(duì)1130轉(zhuǎn)速和1400轉(zhuǎn)速來(lái)說(shuō)，普通值為上止點(diǎn)-2。-5°）。在試馬之中，EGR氣體溫度控制在140°C（冷卻EGR）。測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放與理論計(jì)算的數(shù)據(jù)相比較獲得EGR對(duì)性能和排放的影響。這要求我們使用模擬研究的理論基礎(chǔ)，研究EGR溫度對(duì)性能和排放量的影響。在無(wú)EGR時(shí)，1130轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和100%負(fù)荷下對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)。參數(shù)調(diào)整為：缸壓峰值使用修正的事實(shí)或空氣卷吸率，

20、點(diǎn)火延遲和煙塵的離子尾管值調(diào)整為常數(shù)，列入相關(guān)方程常數(shù)的值。我們將保持發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件不變。4.1. EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的效果預(yù)測(cè)在圖2中給出了在1130轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，100%負(fù)荷采用-9ATDC噴射定時(shí)的0%,10%和20%的EGR計(jì)算和實(shí)驗(yàn)氣缸壓力曲線的比較。觀察到與計(jì)算的所有EGR率測(cè)量值有一個(gè)良好的一致性。仿真成功捕捉了EGR對(duì)缸內(nèi)壓力軌跡的影響，導(dǎo)致在壓縮過(guò)程中缸內(nèi)壓力小是減少燃燒和膨脹過(guò)程中更強(qiáng)烈的一個(gè)。這一結(jié)果由于廢氣的存在增加，從電荷比熱容，02的可用性，對(duì)燃燒速率的影響減少可以看出C02和H20的解離。應(yīng)該說(shuō)，（全負(fù)荷）空氣燃料比（AFR）的值接近它們的最低限度。因此，廢氣再

21、循環(huán)的存在在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)一步降低氧氣供應(yīng)，在目前情況下對(duì)即將到來(lái)的燃燒是一個(gè)主導(dǎo)因素。因此，EGR發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的百分比增加降低了氣缸峰值壓力值。圖4.在1130和1420轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，100%負(fù)荷和-9上噴油定時(shí)。EGR 率對(duì)計(jì)算和測(cè)量NO和碳煙排放的影響5R巴百巴當(dāng)蕓擊 e一 KQ包一ZLoad: 100%l< Timing:-4 d ATOCsgEHvR 一<EGR Tempefalure f*CEGR Percenl3ge (%)圖5.發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在100%負(fù)荷和91上的 噴射定時(shí)的影響，EGR溫度和不同 EGR率對(duì)空燃比的影響然而，在部分負(fù)荷下的不同的情況可以參照在高EG

22、R溫度的經(jīng)驗(yàn)（熱EGR）,氧利用率明顯高于全負(fù)荷。由于EGR增加入口空氣溫度增加可以減少點(diǎn)火延遲，在某些情況下會(huì)導(dǎo)致隨EGR率的增加，氣缸峰值壓力增加27,28?？紤]到以前，預(yù)期EGR將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)效率產(chǎn)生負(fù)面影響。這是由驗(yàn)證觀察圖3提供的計(jì)算和發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率為1130和1420轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在100%負(fù)荷下EGR率的函數(shù)的測(cè)量值的比較。計(jì)算出的值是接近實(shí)驗(yàn)值和對(duì)EGR率對(duì)速度為定值的發(fā)動(dòng)機(jī)的有效效率的最重要的模擬預(yù)測(cè)的檢查。顯然，采用EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)效率的負(fù)面影響的百分比幾乎呈線性增加。尤其是在低轉(zhuǎn)速時(shí)這種效果更加明顯。4.2. 尾氣排放為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)能力，對(duì)EGR率對(duì)污染物的排放量的影響是

23、圖4給出的計(jì)算在1130和1420轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，100%負(fù)載和不同EGR率的NO和煙塵測(cè)量值之間的比較。煙塵的值是從尾氣過(guò)濾器采集的（FSN）o觀察模擬預(yù)測(cè)足夠的EGR率對(duì)污染物的影響。EGR率的增加結(jié)果為降低NO,急劇增加的碳煙。在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速對(duì)污染物、的作用強(qiáng)。隨著EGR率的增加，NO降低，而煙塵的排放幾乎線性的指數(shù)增加。因此，模擬可以預(yù)測(cè)定EGR率對(duì)性能和排放的影響，因此它也似乎適合于研究EGR溫度的影響。5 .EGR溫度對(duì)性能和排放的影響的理論研究在覆蓋整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍白三種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速即1130,1420,1710轉(zhuǎn)下和100%負(fù)荷的情形下，探討EGR溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排

24、放的影響效果。在這一點(diǎn)上必須指出，由于考慮其重要性，在滿(mǎn)負(fù)荷的情況下它是燃料消耗和污染物排放最優(yōu)的結(jié)果（由于空間限制）。然而，研究了在低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷條件下試驗(yàn)不同EGR率，即5%,10%和15%的結(jié)果，此時(shí)噴油提前角（-9ATDC）和增壓壓力是恒定值。對(duì)于每個(gè)測(cè)試案例，用不同的EGR溫度進(jìn)行試驗(yàn)，范圍從90°C到240°C,每50C為試驗(yàn)一次。以前的溫度范圍是選取的一個(gè)溫度代表，在滿(mǎn)負(fù)荷使用冷卻EGR,在許多情況下，冷卻介質(zhì)是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液。EGR率定義為miEGR（%）=mEGR100%巾mEGRmtGR是廢氣再循環(huán)的質(zhì)量，由是新鮮空氣的質(zhì)量，進(jìn)氣溫度考慮新鮮空氣和廢氣的進(jìn)氣

25、質(zhì)量流量用熱力學(xué)第一定律估計(jì)。5.1. EGR溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響很明顯，在恒定白增壓壓力下，EGR率的增加的結(jié)果是每循環(huán)引入的新鮮空氣的量減少。因此，由于每循環(huán)噴射的燃料的量仍保持不變，空燃比應(yīng)減少。增加EGR氣體溫度在一個(gè)給定的EGR率時(shí)的效果與預(yù)期類(lèi)似。圖5提供了在不同EGR率下的EGR氣體溫度，空燃比在所有案例的變化。AFR的EGR氣體溫度的變化幾乎是線性的。在同一圖給出了空燃比與EGR率的在EGR氣體溫度較高和較低時(shí)檢測(cè)的相對(duì)變化，與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)EGR時(shí)空燃比相借鑒。據(jù)觀察，溫度的增加的EGR對(duì)AFR增加產(chǎn)生負(fù)面影響。對(duì)于所有的試驗(yàn)情況下，EGR率和溫度的影響在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速更為明顯

26、。因此，在滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)的熱節(jié)流效應(yīng)（減少氣缸進(jìn)氣量）是重要的，尤其是在EGR溫度提高到較高的值。在滿(mǎn)負(fù)載和轉(zhuǎn)速1130轉(zhuǎn)下，EGR氣體溫度對(duì)最高燃燒壓力的影響呈現(xiàn)在圖6.EGR氣體溫度增加降低了最高燃燒壓力，尤其在高EGR率下更強(qiáng)烈。這顯示最高爆發(fā)壓力的百分?jǐn)?shù)的變化的曲線相比沒(méi)有EGR來(lái)說(shuō)是更好的結(jié)果。在其他兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下類(lèi)似的結(jié)果已被試驗(yàn)得到。有一點(diǎn)上應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在滿(mǎn)負(fù)荷，空燃比接近下限的情況下。因此，使用高EGR溫度進(jìn)一步降低了氧的量。這在氣缸進(jìn)氣后氧氣不足將導(dǎo)致燃燒率降低，從而延緩燃燒，降低了氣缸最大爆發(fā)壓力。另一方面對(duì)點(diǎn)火延遲的影響幾乎可以忽略不計(jì)，因?yàn)闈M(mǎn)負(fù)荷時(shí)，較高的壓力和溫

27、度下的燃?xì)鈱?dǎo)致非常低的點(diǎn)火延遲值。從以前的結(jié)果來(lái)看，增加EGR氣體溫度的影響燃燒機(jī)理導(dǎo)致最高燃燒壓力的減小很明顯。因此，圖7表示，它在全負(fù)荷下不同EGR率和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響有效熱效率。如圖所示，有效熱效率隨EGR溫度線性降低。有效熱效率下降的原因主要是空燃比降低，從而影響燃料的燃燒率，增加氣缸內(nèi)的平均氣體溫度，影響熱損失。從提供發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率的變化（減少）隨著較高和較低的EGR氣體溫度下試驗(yàn)的EGR率來(lái)看，這曲線顯示的很明顯。圖6.EGR溫度對(duì)不同EGR率的峰值缸壓力在 1130轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，100%負(fù)荷和-9 °上的噴油定時(shí) 的影響圖7.EGR溫度對(duì)不同EGR率，發(fā)動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速在10

28、0%負(fù)荷和-9。的噴射定時(shí)的有 效熱效率的影響在EGR溫度高和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低時(shí)，EGR的效果更加明顯。當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?130增加到1420時(shí)，轉(zhuǎn)有效效率急劇增加，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1710轉(zhuǎn)時(shí)降低。這種變化可以在圖5中看出，參考EGR下空燃比和EGR氣體溫度的變化。在1420和1710轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速下空燃比的值是非常相似，而在1130轉(zhuǎn)，其相應(yīng)的顯著降低了。這是由于EGR實(shí)施相結(jié)合對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的不同影響。在目前滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行的情況下，熱節(jié)流效應(yīng)（即進(jìn)氣沖程期間減少空氣和氧氣的量）是重要的，當(dāng)EGR溫度值較高時(shí)，隨著EGR溫度的提高而增加。這顯然對(duì)燃燒產(chǎn)生負(fù)面影響。同時(shí)，由氣缸內(nèi)溫度水平的增加，導(dǎo)致高的EGR溫度

29、，從而導(dǎo)致熱損失的增加。最后，由于EGR的存在，進(jìn)氣時(shí)氧濃度降低，對(duì)燃燒有顯著的負(fù)面影響。上述結(jié)果充分說(shuō)明圖7中觀察到有效熱效率。5.2. EGR溫度對(duì)排放的影響總所周知，采用EGR有效降低NOx的排放量。通過(guò)這點(diǎn)，圖8介紹不同的EGR率的EGR溫度對(duì)NO變化的函數(shù)。如圖所示，在滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)，選擇溫度在取值范圍內(nèi)時(shí)，NO的排放是一個(gè)定值，在高EGR率下有個(gè)小的增加34可以觀察出?？紤]到氮氧化物的形成溫度和氧氣敏感性，得出了燃燒室內(nèi)部的溫度增加，如下在圖10中所示，由于EGR溫度的增加是由AFR比減少來(lái)補(bǔ)償。觀察在較高和較低的EGR溫度值的EGR率下NO的變化，試驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)了在試驗(yàn)范圍內(nèi)在所有發(fā)動(dòng)

30、機(jī)轉(zhuǎn)速NO沒(méi)有明顯變化，僅在高EGR率下NO有微小的變化增加。另一方面，EGR率的影響在低轉(zhuǎn)速稍高。正如已經(jīng)提到的，這是因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速較低的空燃比引起的。在熱EGR的情況下（沒(méi)有冷卻）進(jìn)氣溫度的增加會(huì)顯著，預(yù)計(jì)將導(dǎo)致冷卻的EGR的案例5,6,27NO將增加。如圖9顯示，增加EGR溫度，碳煙排放量隨著其值的增加而增加。原因可能是因?yàn)锳FR的減少。氧氣的濃度的減少影響了碳煙的形成和排放。在高EGR率和低轉(zhuǎn)速下，EGR溫度的影響幾乎呈線性明顯變化。在同一表格給出了對(duì)于三種發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和EGR氣體溫度上限和下限時(shí)，碳煙的排放隨EGR率的相對(duì)變化，與沒(méi)有EGR時(shí)作比較。EGR率對(duì)碳煙的效果在高EGR溫

31、度更強(qiáng)。此外，如圖所示，EGR溫度的影響在低轉(zhuǎn)速更大，碳煙變化的最大值可以觀察5,35。在煙塵的排放量可以預(yù)期，使用較高的EGR溫度可以提高碳煙氧化，減少煙塵排放情況。這可能是為重型柴油機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行由于采用AFR即使使用EGR氧利用率高碳煙也少的原因的解釋。然而，在滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，沒(méi)有的這種情況。作為EGR溫度的增加對(duì)AFR產(chǎn)生負(fù)面影響，因?yàn)闆](méi)有足夠的氧氣來(lái)氧化碳煙。提供對(duì)以前的意見(jiàn)，關(guān)于EGR溫度對(duì)NO和煙塵的影響有了更好的解釋。圖10給出了滿(mǎn)負(fù)載EGR溫度對(duì)平均氣體溫度的變化，本地區(qū)的溫度（區(qū)1,1,1-1st外圍區(qū)），NO和碳煙的形成歷史。EGR溫度從90°C到240°C

32、的增加導(dǎo)致了主燃燒期氣體的溫度的和個(gè)別區(qū)的溫度的增加。最后是由于增加的EGR溫度的結(jié)果，減少了空燃比和增加區(qū)內(nèi)卷吸的空氣溫度的補(bǔ)償?shù)?，?duì)CO2和H2O的離解產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)。氣體溫度增加，從而氧氣供應(yīng)不足，煙塵不能氧化，熱節(jié)流增加。導(dǎo)致煙塵排放的增加。BnvJ il9 15 TT I DLad”MMF. Timing -> *>g ATDCEOR Fv«i：wil*u« m I圖8.對(duì)不同EGR率，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在100% 負(fù)荷和91上的噴油定時(shí)對(duì)NO排放的EGR溫度的影響-ns的總:而i面口，Tllnq-.才中二圖9.煙塵排放量在100%負(fù)荷和91上的 噴油定時(shí)的EG

33、R溫度和不同轉(zhuǎn)速 率的變化。很明顯，當(dāng)使用高EGR氣體溫度，由于缺乏氧氣，碳煙氧化在膨脹沖程中更早時(shí)停止。這提供了EGR氣體溫度對(duì)碳煙排放增加的負(fù)面效應(yīng)的一個(gè)解釋?？紤]圖5提供EGR溫度對(duì)整體的空燃比的影響，在EGR溫度下NO有一個(gè)微小的變化是解釋是局部區(qū)域氣體溫度的變化。隨著EGR溫度增加，局部氣體溫度的增加對(duì)NO的形成有一個(gè)小小的積極影響，這顯然是因?yàn)镺2百分比的減少。最后這兩機(jī)制在EGR溫度水平試驗(yàn)下NO有一個(gè)非常小的增加，在高EGR率下,更加明顯。標(biāo)i.CJ-rM-alLAaiyili圖10.EGR溫度對(duì)平均工作氣體溫度，溫度效應(yīng)，NO和煙塵的形成歷史的影響結(jié)論本研究，采用現(xiàn)有的三維多

34、區(qū)模型研究EGR溫度對(duì)渦輪增壓直噴柴油機(jī)性能和排放的影響。全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，在涵蓋全部轉(zhuǎn)速范圍下的三個(gè)不同轉(zhuǎn)速下對(duì)不同EGR溫度和EGR率進(jìn)行了研究。研究表明，EGR溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率，最高燃燒壓力和碳煙排放均有不利影響。采用高EGR溫度（低冷卻）也會(huì)對(duì)空燃比負(fù)面影響。同樣，有效效率也會(huì)受到不利影響。EGR溫度的增加和氧濃度的降低，對(duì)碳煙排放產(chǎn)生了不利影響，同時(shí)阻礙了碳煙的生成和氧化。由于EGR溫度的升高，增加溫度和降低氧濃度的綜合作用，對(duì)一氧化氮凈排放量的影響較小。因此，一氧化氮排放量基本保持不變，僅隨EGR溫度有輕微上升，這在高EGR率條件下更加明顯。在低轉(zhuǎn)速和高EGR率時(shí)，EGR溫度對(duì)有效

35、熱效率和碳煙的影響較大。目前的研究已經(jīng)表明，如果我們希望沒(méi)有顯著犧牲發(fā)動(dòng)機(jī)的效率時(shí)，保留低的NOx排放是對(duì)EGR冷卻是有利的。EGR冷卻對(duì)防止煙塵排放量上升到不可接受的水平是必要的。在高EGR率和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，需要EGR的冷卻將更明顯。從理論的調(diào)查證明了，不同EGR溫度對(duì)部分負(fù)荷下的內(nèi)燃機(jī)有不同的影響。致謝我們想對(duì)歐盟委員會(huì)在財(cái)政上的支持表示感謝，目前項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)施。也感謝對(duì)姆勒-克萊斯勒汽車(chē)公司為這一研究提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和對(duì)本項(xiàng)目的協(xié)助指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)1 BensonRS,WhitehouseND.Internalcombustionengines.Oxford:PergamonPress;19

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