廢氣再循環技術對柴油機燃燒特性的影響

鄒振宇, 劉 晶

(1.吉林建筑工程學院土木工程學院,吉林長春 130021;2.吉林大學機械科學與工程學院,吉林長春 130021;3.國家開發銀行吉林省分行,吉林長春 130021)

0 引 言

節能、減排是當今世界面臨的最大的問題,柴油機的排放是影響這兩個問題的最大因素之一。為了解決這個問題,世界范圍內對柴油機排放的研究越來越熱。要解決柴油機尾氣污染的問題,根據大量的研究經驗來看,廢氣再循環(EGR)技術是降低柴油機排放的一項最有利措施[1-2]。通過在進氣管中引入CO2能有效增加比熱[3-4]。引入CO2可以通過引入部分排氣來實現。同時,EGR稀釋了混合氣中O2,NOx的生成量被大大降低[5-7],但是EGR技術在降低柴油排放的同時,也影響到了柴油機的燃燒特性。文中利用EGR技術,通過試驗的方法研究了EGR技術對柴油機燃燒特性的影響,并總結其影響規律。

1 EGR系統在發動機上的結構布置

1.1 樣機參數

研究樣機的基本參數見表1。

表1 柴油機參數

1.2 EGR的結構布置

實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意圖

本試驗的EGR系統采用廢氣從渦輪機前排氣管引出模式,廢氣與壓后進氣混合進入汽缸。此種EGR廢氣流動路線設計與其它方式相比可以避免再循環廢氣污染壓氣機和中冷器,使壓氣機和中冷器不受排氣中的微粒、碳氫化合物和硫的影響,從而減少了可能會出現的淤塞與腐蝕問題[8]。通常增壓直噴柴油機的排氣平均壓力小于進氣平均壓力,要實現穩定可靠的廢氣再循環,必須采取措施克服壓力逆差,使足量的廢氣送入進氣系統。克服壓力逆差通過調整增壓器參數以提高渦前壓力方法來實現。由渦輪前排氣管向中冷后進氣管加EGR廢氣,通過廢氣調節閥控制廢氣流量,并利用EGR冷卻器對廢氣進行冷卻。

1.3 EGR試驗注意事項

1)試驗時需要嚴格控制試驗邊界條件,比如對EGR系統影響較大的排氣背壓,中冷后溫度和壓力等試驗參數,時刻控制這些重要參數保持在合理的范圍之內。

2)試驗過程中要密切關注一些對發動機性能有重要影響的試驗參數,如發動機的熱負荷是否運行,發動機長時間運行在高轉速高負荷工況,排氣溫度和壓氣機轉速是否超標等,這些都是EGR系統可能帶來的一些負面影響。

2 試驗結果及分析

發動機B75轉速特性圖如圖1所示。

圖2 發動機B75轉速特性圖

對于發動機A,B,C三種轉速來說,B轉速的特性介于A和C轉速之間,所以B轉速代表了發動機的一般特性,完全可以B75點為例,研究EGR對柴油機燃燒特性的影響。從圖中可以發現,EGR開度由小變大的過程中,空燃比是逐漸降低的,降低將近10%左右。而有效燃油消耗率也是具有微小增加的趨勢。這是因為,隨著EGR開度的逐漸擴大,進入到汽缸中的廢氣逐漸增多,而新鮮空氣會逐漸減少,所以造成空燃比降低。這會使發動機的燃燒特性變差,使燃油燃燒不充分,惡化燃燒,從而,燃油消耗量會有一定程度的提高。導致的結果就是柴油機排放物中的NOx含量降低,而微粒的含量大大增加。對于發動機各轉速的其它點來說,同樣會有這樣的情況。只是相對來說,C轉速的空燃比要比B轉速小,比A轉速更小,所以C轉速惡化燃燒的程度更大。排放物中微粒的含量更高,這都是燃燒不充分產生的結果。

發動機B75轉速在不同曲軸轉角下缸壓對比如圖3所示。

圖3 發動機B75轉速在不同曲軸轉角下缸壓對比圖

從圖上可以發現,隨著EGR開度增大,汽缸里的最高燃燒壓力有所降低,尤其是EGR開度變大后,壓力降的更低,這主要是由于EGR開度變大后,由于廢氣循環進汽缸,使缸內總的進氣量受到影響,從而壓力降低。汽缸內最高燃燒壓力降低不利于發動機燃燒,使燃燒特性惡化。最高燃燒壓力降低也破壞了生成NOx所需要的高壓條件,在一定程度上抑制了NOx的生成。

發動機B75轉速在不同曲軸轉角放熱率對比如圖4所示。

圖4 發動機B75轉速在不同曲軸轉角放熱率對比圖

從圖中可以看出,隨著EGR開度的不斷增加,發動機的最大放熱率是逐漸降低的,隨著最大放熱率降低,開始著火的時刻有所提前,著火滯燃期相應縮短。因此,初期放熱率的峰值有所降低,從這一點的意義上說,也將能使NOx生成量減少,也說明了發動機燃燒品質變差,燃油消耗增加。通過以上分析可以知道,RGR技術對解決柴油機廢氣排放是有很大作用的,可以很大程度上控制NOx生成量,但同時也產生了負面效應,它會使碳煙的生成量逐漸變大,因為廢氣再循環破壞了發動機的燃燒特性,使燃燒不充分,而且會使燃油消耗量一定幅度地得到增加。

3 結 語

1)EGR開度增加,發動機空燃比逐漸降低,有效燃油消耗略微升高。

2)EGR開度增加,發動機最大燃燒壓力及放熱率降低。

3)EGR開度增加,發動機的燃燒特性變差,燃油消耗量增加。

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