EGR對(duì)柴油機(jī)循環(huán)波動(dòng)及燃燒過程的影響

1、EGR對(duì)柴油機(jī)循環(huán)波動(dòng)及燃燒過程的影響王忠1袁銀南1陳上華2王林2吳昌林2張曉春 2(江蘇大學(xué),鎮(zhèn)江 212013,南京依維柯汽車有限公司,南京210028【摘要】論文分析了評(píng)價(jià)EGR柴油機(jī)循環(huán)波動(dòng)的指標(biāo)和方法。以排氣再循環(huán)(EGR的4102Q柴油機(jī)為研究對(duì)象,通過對(duì)不同廢氣引入量、負(fù)荷、轉(zhuǎn)速工況下的示功圖的測(cè)量以及不同工況下柴油機(jī)性能參數(shù)的測(cè)量,討論了EGR引入量、柴油機(jī)循環(huán)供油量及運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)對(duì)柴油機(jī)循環(huán)波動(dòng)的影響,探明了GER對(duì)柴油機(jī)的循環(huán)波動(dòng)特性的影響程度。關(guān)鍵詞:柴油機(jī)循環(huán)波動(dòng)排氣再循環(huán)Effect of EGR on Cycle-to-Cycle Variation of Diesel

2、 EngineAbstract T his paper experimentally studies the cycle-to-cycle variation with exhaust gas re-circulation in 4102Q diesel engine. The effect of EGR on working parameters, performance, fuel supply per cycle of diesel engine are analyzed, especial the influence on variation of working cycle ,eng

3、ine performances are also analyzed based on the measuring of combustion diagram and engine performances under different working conditions. This provides a basement for the future real application of EGR.Key words:Diesel, V ariation, EGR一.前言廢氣再循環(huán)(EGR是降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx污染物的有效方法。對(duì)每循環(huán)引入的廢氣量進(jìn)行控制,可以在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性

4、的條件下降低NOx,這一技術(shù)已得到廣泛的應(yīng)用,但廢氣進(jìn)入氣缸后對(duì)柴油機(jī)工作循環(huán)的波動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生了一定的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)波動(dòng)是評(píng)價(jià)各個(gè)氣缸燃燒均勻性、各缸的功率輸出均勻性的重要指標(biāo),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、噪聲以及發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性等有很大的影響。因而,有必要進(jìn)行研究分析。一般認(rèn)為,在正常工作條件下,柴油機(jī)的循環(huán)波動(dòng)是很小的,循環(huán)波動(dòng)對(duì)多缸發(fā)動(dòng)機(jī),尤其對(duì)汽油機(jī)的影響較大。國內(nèi)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)波動(dòng)的研究大部分都是針對(duì)汽油機(jī)的進(jìn)氣過程、燃燒過程及各缸工作均勻性開展的,取得了一些成果。采用EGR后,對(duì)汽油機(jī)來說,循環(huán)變動(dòng)如同爆震一樣,限制了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提高,循環(huán)變動(dòng)還限制排氣再循環(huán)的凈化能力的發(fā)揮。(1。由于柴油機(jī)

5、的著火過程、燃燒特性與汽油機(jī)有較大的不同,除了由于燃油系統(tǒng)缺陷造成的不均勻外,每個(gè)工作循環(huán)的進(jìn)氣狀態(tài),缸內(nèi)氣體流動(dòng),燃料霧化及混合質(zhì)量、燃料微團(tuán)的著火準(zhǔn)備等因素,也使發(fā)動(dòng)機(jī)各循環(huán)之間出現(xiàn)顯著差別(2。尤其但對(duì)于單缸柴油機(jī),燃燒過程產(chǎn)生的循環(huán)波動(dòng)會(huì)影響到柴油機(jī)的振動(dòng)、平衡及工作穩(wěn)定性等。國內(nèi)曾對(duì)柴油摻水后的循環(huán)波動(dòng)進(jìn)行研究。對(duì)柴油機(jī)采用EGR的工作循環(huán)波動(dòng)研究還未見文獻(xiàn)報(bào)道。本文以4102Q柴油機(jī)為研究對(duì)象,實(shí)際測(cè)量了不同EGR引入量時(shí)的燃燒過程參數(shù),分析了EGR對(duì)柴油機(jī)循環(huán)波動(dòng)的影響,總結(jié)了引入EGR的實(shí)際效果與引起的問題,為研究EGR對(duì)柴油機(jī)循環(huán)波動(dòng)及性能指標(biāo)的影響提供基礎(chǔ)。二.循環(huán)波動(dòng)的評(píng)

6、價(jià)指標(biāo)表征發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)波動(dòng)的指標(biāo)較多,針對(duì)不同的研究目的,可以提出不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)。柴油機(jī)的循環(huán)變動(dòng)可用其工作過程中各個(gè)階段的特征參數(shù)、噴油過程的循環(huán)變動(dòng)、燃燒過程的循環(huán)變動(dòng)來表示,對(duì)于各種參數(shù)的變化可其標(biāo)準(zhǔn)差或均方差來評(píng)價(jià)分析。根據(jù)柴油機(jī)的燃燒過程的特點(diǎn),一般的可以用下列指標(biāo)進(jìn)行分析:(1最大爆發(fā)壓力pz及出現(xiàn)的角度位置隨循環(huán)數(shù)N的波動(dòng)。它與發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和振動(dòng)有密切的關(guān)系,其均值可以評(píng)價(jià)動(dòng)力特性和整機(jī)的振動(dòng)情況,該指標(biāo)的波動(dòng)值P z可以評(píng)價(jià)柴油機(jī)每個(gè)循環(huán)的燃燒、燃燒噪聲的情況。(2最大壓力升高率dP/dm a x及出現(xiàn)的角度隨循環(huán)數(shù)N的波動(dòng)。該指標(biāo)的波動(dòng)值(dP/d 它與燃燒完善有關(guān),若該指

7、標(biāo)值越大,則燃燒不可逆損失就越大。(3循環(huán)平均指示壓力pi ,該指標(biāo)與發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和輸出功率有關(guān),其波動(dòng)值Pi 可以評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的穩(wěn)定性。(4著火延遲期i 及其變化,可以評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程準(zhǔn)備的完善程度,也可以分析采用EGR 后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的影響程度。(5最高循環(huán)燃燒溫度Tz 及波動(dòng)TZ ,該指標(biāo)與燃燒過程密切相關(guān)。其波動(dòng)值和均值之比TZ =T z /T min 可以評(píng)價(jià)各個(gè)循環(huán)燃燒的情況。(6每循環(huán)的噴油量Q f ,該指標(biāo)可以反映應(yīng)用EGR 后,燃油系統(tǒng)的波動(dòng)情況。(7 轉(zhuǎn)速波動(dòng)率n ,循環(huán)轉(zhuǎn)速的差值與循環(huán)轉(zhuǎn)速的差值的平均值之比。n =n/n min ,該指標(biāo)可以對(duì)采用EGR 柴油機(jī)

8、的著火、燃燒過程的綜合情況進(jìn)行分析。在對(duì)EGR 柴油機(jī)的循環(huán)波動(dòng)研究中,我們采用了Pz 、P z 、Pi 、Pi 、Tz 、i 等指標(biāo)進(jìn)行分析討論,文中除計(jì)算了這些參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差外,還引用了它們的偏差概率分布直方圖進(jìn)行分析。三.試驗(yàn)設(shè)備及排氣再循環(huán)量的測(cè)定試驗(yàn)工作是在4102Q 柴油機(jī)上進(jìn)行的。柴油機(jī)性能參數(shù)由浙江中誠測(cè)功器廠生產(chǎn)的電渦流測(cè)功器,工作過程參數(shù)由AVL 公司的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。4102Q 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù):標(biāo)定功率63kW ,標(biāo)定轉(zhuǎn)速3300r/min ,外特性最低燃油消耗<238g/kw.h 。試驗(yàn)時(shí),測(cè)取了標(biāo)定轉(zhuǎn)速3300 r /min ,不同負(fù)荷時(shí)的示功圖參數(shù)、以及排

9、氣再循環(huán)量的變化對(duì)性能及工作過程參數(shù)的影響。同時(shí)也測(cè)量了柴油機(jī)以外特性工作時(shí)的性能參數(shù)。 圖1循環(huán)波動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)示意圖排氣再循環(huán)量的測(cè)定,我們引入排氣再循環(huán)體積摻燒比R EGR 的概念,定義如下:R egr raa ra V V V +=式中 ra V -在進(jìn)氣管狀態(tài)下引入的排氣容積, a V 吸入氣缸的空氣容積。柴油機(jī)循環(huán)波動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示,廢氣由排氣管引出,經(jīng)控制閥引入進(jìn)氣管,廢氣量可以通過控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。四.試驗(yàn)結(jié)果分析4.1不同負(fù)荷時(shí)循環(huán)波動(dòng)的影響表1原機(jī)和應(yīng)用EGR 后循環(huán)參數(shù)波動(dòng)比較表1 圖1是原機(jī)和采用EGR 后,柴油機(jī)的最大爆發(fā)壓力的變化Pz 、平均指示壓力的變化P i 、最

10、大壓力升高率的變化(dP /d m a x隨柴油機(jī)負(fù)荷的變化情況,試驗(yàn)測(cè)量時(shí)排氣再循環(huán)EGR 的摻燒比R EGR =18%。由表1可以看出應(yīng)用EGR 后,在柴油機(jī)各種不同負(fù)荷的情況下,最大爆發(fā)壓力的波動(dòng)Pz 、平均指示壓力的波動(dòng)P i 、壓力升高率的波動(dòng)(dP /d m a x 均有所降低,柴油機(jī)的循環(huán)波動(dòng)情況有所改善。低負(fù)荷時(shí),引入EGR 可使柴油機(jī)的最大爆發(fā)壓力Pz 、最大壓力升高率(dP /d m a x 有明顯的降低;其最大爆發(fā)壓力的變化Pz 和壓力升高率的變化(dP /d m a x , 在7 5%負(fù)荷時(shí)分別降低了97.5%和71%。負(fù)荷 % 狀態(tài) pz (MPa pi (MPa (

11、dP /d m a x(MPa/CA100 原機(jī) EGR0.107 0.081 0.161 0.131 0.4420.467 75 原機(jī) EGR 0.163 0.040 0.024 0.018 0.598 0.173 50 原機(jī) EGR 0.165 0.070 0.021 0.017 0.34 0.161 25原機(jī) EGR0.181 0.0620.021 0.0170.307 0.162發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功器轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角信號(hào)層流流量計(jì)廢氣測(cè)量氣缸壓力調(diào)節(jié)閥圖2是不同EGR 摻燒比時(shí),最高爆發(fā)壓力pz 、平均指示壓力pi 和最大壓力升高率(dP/d m a x 及出現(xiàn)的角度隨循環(huán)數(shù)N 波動(dòng)均方差值S 的直方

12、圖。試驗(yàn)時(shí)測(cè)量了應(yīng)用EGR 前后,不同工況下的柴油機(jī)燃燒示功圖。圖2、3是標(biāo)點(diǎn)工況下,最高爆發(fā)壓力Pz 的循環(huán)變動(dòng)和循環(huán)分布圖。 圖 2 標(biāo)定工況下 pz 循環(huán)變動(dòng)圖由圖可以看出:未進(jìn)行EGR 時(shí),標(biāo)定工況下運(yùn)行時(shí) , 2 0 0個(gè)連續(xù)循環(huán)最大爆發(fā)壓力 pz的分布情況。根據(jù)各循環(huán)的 pz 值 ,計(jì)算出其平均值 pzm 為 9.3 3 MPa,循環(huán)變動(dòng)量P z 為 0.3 8MPa,循環(huán)變動(dòng)率pz 為 3.2 %。且由圖3中可見 ,在 2 0 0個(gè)循環(huán)中 , pz 的最大值為 1 0.2 1 MPa,最小值為 8.48MPa,變動(dòng)幅度為 1.73 MPa 。圖 2表明該柴油機(jī) 2 0 0個(gè)循環(huán)中

13、 pz 與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系 ,有 1 0 4個(gè)循環(huán)的 pz 值大于其平均值 pzm,而且其中大于 pzm 值5%的有 1 7個(gè) ;有 96個(gè)循環(huán)的 pz 值小于 pzm,但其中比pzm 小 5%的僅有 8個(gè) ,燃燒比較粗暴。隨R EGR 的增加pz 和(dP /d 迅速降低,在最大爆發(fā)壓力Pmax 的峰值下降的同時(shí),其最大值出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)角度有所前移,一般在24°CA 曲軸轉(zhuǎn)角之間。 圖4 采用EGR 時(shí)pz 循環(huán)變動(dòng)摻燒比REGR =18%圖4、5所示為EGR 的摻燒比R EGR =18%時(shí)標(biāo)點(diǎn)工況的pz 循環(huán)變動(dòng)和分布圖。可以看出:平均值 pzm 為 9.2 MPa,循環(huán)變動(dòng)量P

14、z 為 0 . 1MPa,循環(huán)變動(dòng)率pz 為 1.1 %。同樣,在 2 0 0個(gè)循環(huán)中 , pz 的最大值為 9.8 MPa,最小值為 8.8MPa,變動(dòng)幅度為1.0 MPa 。圖 5表明在 2 0 0個(gè)循環(huán)中 pz 與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系 ,有 近120個(gè)循環(huán)的 pz 值接近平均值 pzm,大于 pzm 值 5%的有 7個(gè),有 63個(gè)循環(huán)的 pz 值小于 pzm,但其中比pzm 小 5%的僅有 2個(gè),由此可以得出:EGR 降低了燃燒最高爆發(fā)壓力和壓力升高率,改善了柴油機(jī)的工作粗暴性,降低了循環(huán)波動(dòng)率。我們還可以這樣解釋:采用EGR 后,隨著R EGR 的增加,引入的廢氣量增多,氣溫度升高,著火

15、延遲期縮短。但由于廢氣中惰性氣體分子對(duì)燃燒反應(yīng)的阻滯作用,使燃燒速度減慢降低了擴(kuò)散燃燒過程中的壓力升高率,最終使得最高燃燒壓力和壓力升高率dp /d 。有所下降,改善了工作粗暴性,降低了循環(huán)波動(dòng)。部分負(fù)荷時(shí),廢氣的引人,提高了圖 3 標(biāo)定工況下 pz 循環(huán)變動(dòng)分布圖圖 5 標(biāo)定工況下 pz 循環(huán)變動(dòng)分布,摻燒比R EGR=18%進(jìn)氣溫度,改善了混合氣的質(zhì)量,同時(shí)改善了著火條件,燃燒循環(huán)波動(dòng)有降低。大負(fù)荷時(shí),主要是由于空燃比相對(duì)較小,廢氣量相對(duì)較多,氣缸的溫度提高和著火條件的改善不明顯。可以認(rèn)為,采用EGR 沒有惡化柴油機(jī)的循環(huán)波動(dòng),相反,在部分負(fù)荷時(shí)還有明顯的改善。 4.2 EGR 對(duì)著火延遲

16、期i 波動(dòng)的影響柴油機(jī)的著火延遲期主要取決于燃料的物理和化學(xué)過程,與氣缸內(nèi)的壓力、溫度和燃料的性質(zhì)有很大的關(guān)系。引入EGR 后,氣缸內(nèi)的溫度和燃料的性質(zhì)發(fā)生了一些變化,隨著引入廢氣量的增加,其著火延遲期也發(fā)生了變化。由圖6可見,柴油機(jī)的負(fù)荷較低時(shí),隨著R EGR 的增加,著火延遲期i 縮短;較大負(fù)荷時(shí),在R EGR =8%左右,i 同樣有所縮短,但在其余的R EGR 范圍內(nèi)i 變化不明顯。柴油機(jī)的著火延遲期是由物理延遲期和化學(xué)延遲期兩個(gè)階段組成的,通常它的前期以物理延遲期i1為主,著火后期以化學(xué)延遲期i2為主。一般情況下i1/i2=35。其影響因素主要取決于燃料的性質(zhì)、混合氣的濃度以及相應(yīng)的溫

17、度和壓力條件。我們認(rèn)為,EGR 對(duì)著火延遲期的影響主要有以下兩方:一方面是引入EGR 提高了進(jìn)氣溫度和壓力,這有利于著火延遲期i 的縮短;另一方面是使空燃比減小,混合氣中氧的濃度降低而惰性氣體分子數(shù)增多,因而有使著火延遲期i 延長(zhǎng)的作用。當(dāng)柴油機(jī)處于低負(fù)荷時(shí),由于進(jìn)入氣缸的燃油量少,混合氣中氧的濃度相對(duì)較大。因此,前一因素的影響起了主要作用,而后者影響甚微(在一定的R EGR 范圍內(nèi),所以火延遲期i 隨R EGR 增加而縮短。當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷增大時(shí),循環(huán)噴油量增加,空燃比減小,廢氣的引入對(duì)著火的不利影響增大,火延遲期i 將隨著R EGR 的增加有所延長(zhǎng),但其波動(dòng)值沒有明顯得變化。646810121

18、4R EG R % 摻燒比(C A Ne=63kw Ne=47kw Ne=16kwR E G R % 摻燒比T a ( C Ne=63kw Ne=47kw Ne=31kw圖6 不同摻燒比對(duì)著火延遲期波動(dòng)的影響 圖7 不同摻燒比對(duì)進(jìn)氣溫度的影響4.3 EGR 對(duì)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的影響圖7是進(jìn)氣溫度Ta ,隨R EGR 增加而變化的情況?？梢?隨著R EGR 的增加,Tr 有明顯增加。當(dāng)R EGR =14%時(shí),Ta 最大提高了17。這主要是因?yàn)镽 EGR 的增加,表示了引入的廢氣量增加,由于廢氣與新鮮空氣的熱交換作用,使得進(jìn)氣溫度提高且隨著柴油機(jī)負(fù)荷和排氣溫度的增加;進(jìn)一步地提高了引入廢氣的溫度。柴油機(jī)在全負(fù)荷和部分負(fù)荷下運(yùn)行,通過增加引入的廢氣量,測(cè)量柴油機(jī)的有效功率。開始時(shí),廢氣的引入量較小,柴油機(jī)的功率沒有變化,當(dāng)引入的廢氣量增加到一定程度時(shí),柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速開始下降,排氣煙度增加,功率下降。但在低負(fù)荷工況時(shí),同樣的廢氣引入量,發(fā)動(dòng)機(jī)的功率保持不變。我們認(rèn)為:采用EGR 時(shí),由于氣缸內(nèi)廢氣量增加,空燃比減小,降低了燃料的正常燃燒速度,使得較多的燃料不能在上止點(diǎn)附近燃燒完畢,且隨著廢氣引入量的增加,影響更加突出,造成了柴油機(jī)的功率下降。引入的廢氣產(chǎn)生的這種效應(yīng),隨負(fù)荷的不同而變化。負(fù)荷越高,廢氣對(duì)燃