高壓廢氣再循環(huán)對柴油機(jī)燃燒性能和排放的影響

高壓廢氣再循環(huán)對柴油機(jī)燃燒性能和排放的影響

0兩級增壓增加排放嚴(yán)格的排放規(guī)則對降低no和pm排放提出了更高的要求。因此,如何在保持良好經(jīng)濟(jì)性的同時降低PM和NOｘ排放,實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)高效清潔燃燒以滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)已成為柴油機(jī)燃燒技術(shù)所面臨的共同難題與挑戰(zhàn)［１］。廢氣再循環(huán)(EGR)是現(xiàn)代柴油機(jī)降低NOｘ排放最有效的手段之一［２－４］。EGR通過將一部分廢氣重新引入氣缸參與燃燒,降低缸內(nèi)氧濃度和最高燃燒溫度,達(dá)到降低NOｘ排放的效果。EGR是柴油機(jī)滿足國-IV及之后排放法規(guī)的重要技術(shù)手段之一［５］。根據(jù)在增壓柴油機(jī)上取氣位置的不同,EGR可以分為高壓EGR(HP-EGR)和低壓EGR(LP-EGR)兩種形式。其中HP-EGR在渦輪前引出廢氣,重新引入到壓氣機(jī)后進(jìn)氣管;LP-EGR則在渦輪后引出排氣,重新引入到壓氣機(jī)前。不管是HP-EGR還是LP-EGR都對柴油機(jī)的進(jìn)氣增壓系統(tǒng)提出新的要求。傳統(tǒng)單級增壓器采用EGR通常會造成空燃比降低,導(dǎo)致煙度、CO和HC排放升高,燃油經(jīng)濟(jì)性變差。而采用兩級增壓能實(shí)現(xiàn)較高的增壓比,增加進(jìn)氣流量,提高柴油機(jī)功率密度,并減小由于采用EGR帶來的不利影響［６－９］。本文在一臺匹配了兩級增壓的高壓共軌柴油機(jī)上,對采用高壓和低壓兩種EGR系統(tǒng)對兩級增壓柴油機(jī)燃燒、性能和排放的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。該研究為兩級增壓柴油機(jī)EGR系統(tǒng)優(yōu)化匹配提供依據(jù),具有一定工程應(yīng)用價值。1hp-egr特性試驗(yàn)發(fā)動機(jī)為一臺電控高壓共軌重型柴油機(jī),采用BOSCH高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)。柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)詳見表1,圖1為試驗(yàn)臺架的示意圖,表2為主要試驗(yàn)儀器設(shè)備。本文研究是在進(jìn)氣增壓系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)優(yōu)化和噴油控制參數(shù)優(yōu)化基礎(chǔ)上進(jìn)行的。柴油機(jī)采用8孔帶錐度(KS)的噴油器,最高燃油噴射壓力為160MPa。高壓級增壓器為傳統(tǒng)帶廢氣旁通閥式增壓器,與流量范圍較寬的低壓級增壓器組建二級增壓系統(tǒng)。試驗(yàn)研究中,建立了一套電控高壓冷卻EGR系統(tǒng)(HP-EGR)和一套電控低壓冷卻EGR系統(tǒng)(LP-EGR)。其中HP-EGR主要由EGR冷卻器、單向閥、電控EGR閥及電控節(jié)氣門四部分組成。廢氣從渦輪前直接引入EGR冷卻器,經(jīng)單向閥和電控EGR閥流入進(jìn)氣管路。HP-EGR率的控制首先通過改變電控EGR閥開度來實(shí)現(xiàn)。若改變電控EGR閥開度仍不能滿足所需最大EGR率要求,則在EGR閥全開時調(diào)節(jié)安裝在進(jìn)氣管路上的電控節(jié)氣門開度進(jìn)一步增大EGR率。柴油機(jī)在部分工況下進(jìn)氣壓力會高于渦前壓力引起新鮮空氣倒流［１０］,所以在EGR回路中安裝了單向閥。LP-EGR主要由EGR冷卻器、EGR閥和排氣背壓閥組成。廢氣從渦輪后直接引入EGR冷卻器,經(jīng)EGR閥流入進(jìn)氣管路。低壓EGR率的控制首先通過改變EGR閥開度來實(shí)現(xiàn),若全開依然不能滿足EGR率的需求,則保持EGR閥全開調(diào)節(jié)排氣背壓閥使排氣壓力升高,增強(qiáng)排氣引入能力。由HoribaMEXA-7100DEGR排氣分析儀測量進(jìn)氣與排氣中CO２體積分?jǐn)?shù)計(jì)算得到EGR率,計(jì)算公式如下:碳煙比排放(Sｓｏｏｔ)通過AVL公司的415S煙度計(jì)測量煙度計(jì)算得到,碳煙和煙度的換算公式為式中,FＦＳＮ為實(shí)測煙度值;mａｉｒ?yàn)檫M(jìn)氣流量,kg/h;mｆｕｅｌ為柴油機(jī)的小時油耗量;Pｅ為有效功率;e≈2.7183。再循環(huán)廢氣中含一定比例的氧氣,為更準(zhǔn)確描述不同增壓方式下燃料與著火前缸內(nèi)的真實(shí)氧含量之間的關(guān)系,采用氧氣與燃油化學(xué)當(dāng)量比的表示方法。該當(dāng)量比由所測EGR率和廢氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)計(jì)算得到,計(jì)算公式為式中,A為空氣流量,kg/h;RＥＧＲ為EGR率,%;φＯ，ＥＶ為廢氣中O２體積分?jǐn)?shù),%;φＯ，Ｖ為空氣中O２體積分?jǐn)?shù),為20.95%;Oｍ為1kg柴油完全燃燒所需O２質(zhì)量,取3.33kg;Bｅ為油耗,kg/h;1.293和1.429分別為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓狀態(tài)下的空氣密度和氧氣密度,kg/m３。本研究選取該柴油機(jī)歐-IVESC循環(huán)的三個轉(zhuǎn)速1330r/min、1660r/min和1990r/min,在不同負(fù)荷、不同EGR方式下,進(jìn)行柴油機(jī)燃燒、性能與排放試驗(yàn)。并分別以1330r/min下25%和75%負(fù)荷與1660r/min下25%和75%負(fù)荷四個典型工況為分析重點(diǎn),對比研究了HP-EGR和LP-EGR方式對兩級增壓柴油機(jī)的燃燒、性能和排放的影響。2試驗(yàn)結(jié)果及分析以下圖表中LP和HP分別表示低壓EGR和高壓EGR。2.1轉(zhuǎn)速對排放控制效果的影響圖2為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1330、1660、1990r/min條件下,負(fù)荷分別為25%、50%、75%和100%時,保持進(jìn)氣節(jié)氣門和排氣背壓閥全開條件下,兩種EGR方式可實(shí)現(xiàn)的最大EGR率對比。圖3為各工況在不調(diào)節(jié)氣門和排氣背壓閥情況下,不同EGR方式下,EGR率最高時對應(yīng)的NOｘ排放。從圖2可看出,負(fù)荷相同時,隨著轉(zhuǎn)速提高,HP-EGR可實(shí)現(xiàn)的最大EGR率增大,LP-EGR可實(shí)現(xiàn)的最高EGR率變化較小,且LP-EGR可實(shí)現(xiàn)的最大EGR率始終高于HP-EGR。這是由于隨著轉(zhuǎn)速的提高,發(fā)動機(jī)渦輪前與壓氣機(jī)后的壓差不斷升高,HP-EGR的EGR實(shí)現(xiàn)能力相應(yīng)增強(qiáng),而渦輪后與壓氣機(jī)前的壓差受轉(zhuǎn)速影響較小,因此LP-EGR的最大EGR率變化不大。從圖3可看出,在中高轉(zhuǎn)速時僅通過調(diào)節(jié)EGR閥,HP-EGR和LP-EGR都可以將NOｘ排放控制在3.5g/(kW·h)以內(nèi),中高負(fù)荷時甚至可將NOｘ排放控制在1.0g/(kW·h)以內(nèi)。這說明兩種EGR方式在中高轉(zhuǎn)速下都能將NOｘ排放控制在較低水平。從圖2和圖3中還可以看出,當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時,隨著負(fù)荷的增加,LP-EGR可實(shí)現(xiàn)的最高EGR率變化不大,而HP-EGR可實(shí)現(xiàn)的最高EGR率減小,在低速時這種情況尤為明顯。在1330r/min、高負(fù)荷情況下,HP-EGR可實(shí)現(xiàn)的最高EGR率很低,以致于NOｘ排放無法控制在3.5g/(kW·h)以內(nèi)。若要滿足國-IV乃至更高的排放法規(guī),則需要依靠其他技術(shù)來增強(qiáng)EGR率的循環(huán)引入能力,如本文采用的進(jìn)氣節(jié)氣門,但這導(dǎo)致進(jìn)氣空氣量減少,碳煙排放和燃油消耗率升高。而LP-EGR則可以在無需其他輔助技術(shù)情況下實(shí)現(xiàn)較高EGR率,更有效地控制NOｘ排放。因此,低速高負(fù)荷工況更適合采用LP-EGR。2.2egr率對增壓效率的影響根據(jù)兩級增壓系統(tǒng)中高壓級和低壓級兩者壓氣機(jī)的MAP圖,將1330r/min、75%負(fù)荷不同EGR方式下實(shí)測的柴油機(jī)進(jìn)氣流量轉(zhuǎn)換成折合流量,結(jié)合增壓比可以在壓氣機(jī)MAP圖上得到不同EGR率下增壓器與柴油機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行線。圖4為1330r/min、75%負(fù)荷時,不同EGR方式下的高壓級壓氣機(jī)與柴油機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行線。圖5為在相同條件下的低壓級壓氣機(jī)與柴油機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行線。圖中126000、100000等數(shù)值表示增壓器葉片轉(zhuǎn)速,單位為r/min;0.745、0.712等數(shù)值表示壓氣機(jī)效率。由圖4和圖5可以看出,采用HP-EGR時,隨著EGR率的增大,高壓級和低壓級壓氣機(jī)都由中心高效區(qū)向低效區(qū)和小流量方向偏移,并向喘振線靠近。這是由于隨著EGR率增加,流經(jīng)渦輪的廢氣量減少,使得增壓器效率下降,新鮮進(jìn)氣流量減少。采用LP-EGR時,隨著EGR率的增加,低壓級和高壓級壓氣機(jī)的折合流量和壓比變化都很小,效率也沒有明顯變化。這是由于采用LP-EGR時,EGR率的改變對流經(jīng)渦輪的排氣量影響較小,因此對增壓器的工作不會產(chǎn)生明顯影響。2.3egr率對增壓的影響從圖6和圖7可以看出,采用LP-EGR時,柴油機(jī)在四個工況下的進(jìn)氣壓力和壓差變化都很小。這是由于采用LP-EGR時,所有排氣都先流經(jīng)渦輪做功,再通過LP-EGR回路進(jìn)入進(jìn)氣管當(dāng)中。所以EGR率的改變對增壓器影響很小,進(jìn)氣壓力與壓差變化很小。采用HP-EGR時,隨著EGR率的增加,進(jìn)氣壓力在各工況下出現(xiàn)不同程度的降低,這種降低趨勢在低負(fù)荷時表現(xiàn)尤為明顯。這是由于柴油機(jī)在低負(fù)荷工況運(yùn)行時,隨著EGR率的加大,采用HP-EGR時EGR的分流效果加大,兩級增壓系統(tǒng)的高、低壓級壓氣機(jī)都從高效運(yùn)行區(qū)移向低效運(yùn)行區(qū),使得進(jìn)氣壓力在低負(fù)荷時出現(xiàn)明顯降低。而在中速高負(fù)荷點(diǎn)時,由于廢氣能量比較充足,EGR率增大造成的進(jìn)氣壓力的降低幅度很小。采用HP-EGR時,渦前與進(jìn)氣壓差在各工況下均隨EGR率增大呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。這是由于隨著EGR率的增大,渦前壓力迅速下降,超過了進(jìn)氣壓力的下降速度,使得渦前與進(jìn)氣壓差變小。由圖6和圖7還可以看出,隨著EGR率的增加,兩種負(fù)荷下HP-EGR和LP-EGR的新鮮進(jìn)氣流量和氧燃當(dāng)量比都呈降低趨勢,但LP-EGR的新鮮進(jìn)氣量和氧燃當(dāng)量比始終高于HP-EGR,并且隨著EGR率的增加,大部分情況下二者的差距進(jìn)一步增大。這主要是由于LP-EGR方式對增壓器工作影響較小,隨EGR率增大HP-EGR增壓器做工能力減弱。同時可以發(fā)現(xiàn),在1660r/min、75%負(fù)荷工況,由于轉(zhuǎn)速和負(fù)荷升高,廢氣能量較大,HP-EGR對增壓器做功的影響減小,HP-EGR和LP-EGR在進(jìn)氣方面的差距明顯減小。2.4不同的egr模式對燃料和油耗的影響2.4.1不同負(fù)荷下lp-egr的燃燒特性圖8為1660r/min、25%負(fù)荷、EGR率約為31%時,兩種EGR方式下缸內(nèi)壓力和瞬時放熱率的對比。圖9為1660r/min、75%負(fù)荷、EGR率約為20%時,兩種EGR方式下缸內(nèi)壓力和瞬時放熱率的對比。由圖8和圖9可以看出,25%負(fù)荷與75%負(fù)荷時LP-EGR的缸內(nèi)壓力較高。這是由于在各工況下,采用LP-EGR時的進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣流量均較高,尤其是25%負(fù)荷,由于HP-EGR對進(jìn)氣量影響更大,因此對缸壓的影響更加明顯。由圖8可以看出,在25%負(fù)荷時,由于HP-EGR進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣流量都較低,降低了壓縮壓力和溫度,使得滯燃期延長,燃燒相位推遲,預(yù)混燃燒比例增大,燃燒速度和瞬時放熱率峰值升高。由圖9可以看出,在75%負(fù)荷時,HP-EGR和LP-EGR的放熱率曲線基本相同。這是由于在高負(fù)荷時,壓縮上止點(diǎn)的溫度和壓力較高,滯燃期較短,并且該工況下HP-EGR和LP-EGR在進(jìn)氣方面差別較小,因此對缸內(nèi)燃燒的影響不明顯。2.4.2型dgr率對油路率的影響圖10為25%負(fù)荷時,1330r/min和1660r/min轉(zhuǎn)速油耗率隨EGR率的變化。由圖10可看出,在25%負(fù)荷時,LP-EGR的油耗率在EGR率較低時變化很小;當(dāng)EGR率較高時,油耗率開始隨著EGR率的增加而出現(xiàn)較明顯升高的趨勢。而HP-EGR,隨著EGR率的增加油耗率先降低后升高。這是由于采用LP-EGR時,隨著EGR率的增加,總進(jìn)氣量變化不明顯,在一定EGR率范圍內(nèi)滯燃期變化較小,對油耗率不會產(chǎn)生明顯影響,只有當(dāng)EGR率較大時才會出現(xiàn)燃燒相位較明顯后移,油耗率出現(xiàn)升高趨勢。而采用HP-EGR時,隨著EGR率的增加,進(jìn)排氣壓差變小,新鮮進(jìn)氣量減少,總進(jìn)氣量相應(yīng)下降,壓縮壓力和溫度降低,滯燃期延長,預(yù)混燃燒程度加大。在一定EGR率范圍內(nèi),泵氣損失的減小對燃油經(jīng)濟(jì)性起到了主導(dǎo)作用,使油耗率隨EGR率增大明顯下降。而當(dāng)EGR率大到一定程度后,進(jìn)排氣壓差基本保持不變,而燃燒相位的推遲造成油耗率明顯升高。圖11為75%負(fù)荷時,1330r/min和1660r/min轉(zhuǎn)速時油耗率隨EGR率的變化。由圖11可以看出,在75%負(fù)荷時,隨著EGR率的增加,LP-EGR的油耗率都呈升高趨勢。這是由于LP-EGR對泵氣損失影響不大,但隨EGR率增大,燃燒相位推遲,燃燒反應(yīng)速度減慢。而對于HP-EGR,與25%負(fù)荷類似,隨EGR率增大油耗率先降低后升高。同樣,其影響來自泵氣損失和燃燒相位兩個方面:在EGR率較小時,泵氣損失降低起主要作用,使油耗率下降;在EGR率較大時,泵氣損失降低的作用減小,燃燒相位推遲和反應(yīng)速度減慢使油耗率明顯上升,尤其是1330r/min、75%負(fù)荷工況,當(dāng)EGR增大到一定程度時,氧燃當(dāng)量比也降低到一定的數(shù)值,對燃燒反應(yīng)的影響更明顯,油耗率上升的趨勢更顯著。對于不同轉(zhuǎn)速來說,1660r/min、75%負(fù)荷時由于HP-EGR和LP-EGR進(jìn)氣量接近,而隨EGR率增大HP-EGR泵氣損失明顯低于LP-EGR,其油耗率也隨EGR升高逐漸低于LP-EGR。而1330r/min、75%負(fù)荷工況,隨EGR率增大,由于HP-EGR進(jìn)氣量較小造成燃燒相位推遲,以及由于氧含量較低造成反應(yīng)速度減慢,使其油耗率高于LP-EGR。2.5不同轉(zhuǎn)速條件下排放的碳煙和氧燃分量比圖12為1330r/min和1660r/min下25%負(fù)荷時,兩種EGR方式下的NOｘ和碳煙比排放之間此消彼長的關(guān)系。由圖12可以看出,在1330r/min、負(fù)荷25%時,HP-EGR和LP-EGR的NOｘ和碳煙排放隨著EGR率的增加而減少。這是由于在低速低負(fù)荷時,氧燃當(dāng)量比較高,滯燃期較長。隨著EGR率的增加,缸內(nèi)壓縮始點(diǎn)的溫度升高,進(jìn)一步延長了滯燃期,促進(jìn)了混合,在降低NOｘ排放的同時降低了碳煙排放。并且HP-EGR由于滯燃期更長,預(yù)混燃燒程度更大,其排放相對LP-EGR更低。隨著轉(zhuǎn)速的提高,在1660r/min、25%負(fù)荷時,LP-EGR的NOｘ和碳煙排放出現(xiàn)了明顯的此消彼長關(guān)系。這是由于該工況點(diǎn)燃油從噴入缸內(nèi)到著火時間間隔較短,混合氣不均勻程度較高。采用LP-EGR時,隨著EGR率增加,氧燃當(dāng)量比下降,但滯燃期變化較小,著火前缸內(nèi)混合氣不均勻程度加劇,造成碳煙排放明顯惡化。而采用HP-EGR時,隨著EGR率的增大,雖然氧燃當(dāng)量比降低,但滯燃期明顯延長,使得著火前的混合氣不均勻程度并未出現(xiàn)明顯惡化,所以碳煙的排放未隨著EGR率的提高而明顯惡化。圖13為75%負(fù)荷下,1330r/min和1660r/min轉(zhuǎn)速時,兩種EGR方式下NOｘ比排放和碳煙比排放之間此消彼長的關(guān)系。從圖13可看出,在1330r/min、75%負(fù)荷時,LP-EGR的NOｘ和碳煙排放此消彼長的關(guān)系較好。隨著轉(zhuǎn)速的提高,在1660r/min、75%負(fù)荷時,LP-EGR與HP-EGR的NOｘ和碳煙排放此消彼長的關(guān)系非常接近。這是由于在1330r/min、75%負(fù)荷時,氧燃當(dāng)量比較低,新鮮進(jìn)氣量對排放影響較大。相同的EGR率時,LP-EGR新鮮進(jìn)氣量更大,所以能實(shí)現(xiàn)更好的NOｘ和碳煙排放此消彼長的關(guān)系