EGR率對柴油機富氫EGR燃燒過程的影響*

左承基，劉勇強，程曉章，徐天玉，吳 桐

(合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院，合肥 230009)

前言

柴油機作為動力裝置以動力性強、熱效率高和燃油消耗率低而得到廣泛應(yīng)用，但其NOx和微粒(碳煙)排放較高，且排放控制受“NOx-微粒”折中曲線的束縛。一些先進的燃燒技術(shù)，如均質(zhì)壓燃技術(shù)(HCCI)、柴油預(yù)混稀燃技術(shù)(PREDIC)或部分預(yù)混壓燃技術(shù)(PPCCI)，雖能在提高發(fā)動機燃燒效率的同時，降低NOx和微粒排放，但柴油機采用這些技術(shù)后，其工作范圍受到限制，在一些工況下HC和CO 排放也會增加［1-6］。

目前柴油機主要通過廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)來降低NOx排放，但EGR率高意味著新鮮空氣量減少，缸內(nèi)燃燒會惡化，從而導(dǎo)致柴油機經(jīng)濟性下降，碳煙排放增加［7］。作為氣體燃料，氫氣具有燃燒速度快、擴散系數(shù)高、著火范圍寬和火焰淬熄距離短等特點，柴油機摻氫燃燒會降低碳煙排放，但NOx排放會增加［8-11］。將EGR和摻氫燃燒技術(shù)結(jié)合起來，可同時降低柴油機的NOx和碳煙排放［12］。

本文中在一臺由ZS195柴油機改裝而成的上置視窗式可視化試驗裝置上，進行了富氫進氣條件下不同EGR率對柴油機燃燒過程影響的試驗研究(EGR用CO2氣體模擬)。通過高速攝影機記錄下缸內(nèi)著火和燃燒過程的火焰照片，用基于三基色原理編制的軟件計算了缸內(nèi)燃燒溫度場［13-15］，同時結(jié)合同步示功圖和放熱率曲線對缸內(nèi)燃燒過程進行了分析。

1 試驗裝置和試驗方案

試驗裝置主要由進氣系統(tǒng)、光學發(fā)動機、電機、變頻器、角標發(fā)生器、高速攝影機和微機等組成，如圖1所示。表1是ZS195柴油機的主要參數(shù);表2為4種試驗方案對應(yīng)的各進氣成分的體積比例。

表1 ZS195柴油機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 試驗方案 %

2 試驗結(jié)果及分析

試驗前先將水溫加熱到80～90℃，按試驗方案設(shè)置好各進氣成分比例，開啟變頻器，通過電機倒拖柴油機至恒定轉(zhuǎn)速1000r/min，然后將油門開到最大，柴油機著火燃燒，高速攝影機通過可視化石英窗口記錄下整個燃燒過程的圖像，同時記錄下與之同步的曲軸轉(zhuǎn)角信號和缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)。每次試驗的轉(zhuǎn)速、噴油定時和噴油量保持不變。

2.1 EGR率對著火及燃燒過程的影響

圖2為4種方案下拍攝的缸內(nèi)著火和火焰發(fā)展照片。從中可以明顯看出，隨著EGR率的增加，著火時刻不斷推遲，著火后火焰擴展速率變慢。由此可見，CO2作為較大比熱值的惰性氣體推遲了著火，并減緩了燃燒速率。

富氫EGR環(huán)境下混合氣著火和燃燒持續(xù)時間在不同EGR率下的變化規(guī)律見圖3。

由圖3可見，隨著EGR率的增加，由于CO2作為惰性氣體會減緩焰前反應(yīng)、阻礙著火的發(fā)生，著火時刻呈現(xiàn)推遲趨勢，滯燃期相應(yīng)延長(試驗時各方案噴油時刻均固定在上止點前15°CA)，且EGR率越大，著火時刻推遲越多。其中，方案A的著火時刻為上止點前8°CA，滯燃期為7°CA，方案 B的著火時刻為上止點前7.7°CA，滯燃期為7.3°CA，方案C的著火時刻為上止點前4.2°CA，滯燃期為10.8°CA，方案D的著火時刻為上止點前2.3°CA，滯燃期為12.7°CA。當EGR率較小時，隨著EGR率的增大，富氫EGR燃燒持續(xù)時間延長;當EGR率較大時，富氫EGR燃燒持續(xù)時間開始縮短。這是由于CO2作為惰性氣體會阻礙火焰的傳播，進而延長了燃燒持續(xù)時間;而當EGR率較大時，燃燒惡化，燃料不能完全燃燒，燃燒結(jié)束較早導(dǎo)致燃燒持續(xù)時間縮短。

圖4為富氫EGR燃燒的缸內(nèi)壓力曲線和放熱率曲線。從圖4可以看出，隨著EGR率的增加，缸內(nèi)壓力和最大爆發(fā)壓力都明顯下降，達到峰值壓力的時間推遲;放熱率峰值下降，放熱率曲線整體推后。EGR率為15%的方案D的缸內(nèi)峰值壓力比EGR率為0的方案A降低了22.45%，達到峰值壓力的時刻推遲了4.3°CA;方案D的最大放熱率比方案A減少了22.47%，達到最大放熱率的時刻推遲了6.5°CA。

2.2 EGR率對燃燒溫度的影響

圖5為不同方案下著火時刻、最大放熱率和最大缸內(nèi)壓力時刻的燃燒照片和溫度場分析圖像，表3是對應(yīng)的缸內(nèi)瞬態(tài)溫度計算值。從圖5可以看出，缸內(nèi)著火點并不固定，而且可能不止一處發(fā)生著火。這是因為柴油機是壓燃著火，最先著火的地方是溫度和濃度適當?shù)牡胤剑裼蜋C在不同循環(huán)中噴油情況與溫度狀況不可能完全相同，滿足著火條件的地方也可能不止一處，因此著火點位置就不一定相同，形成火核的地方也可能有多處。但總的著火位置基本是沿著噴油方向且接近噴油處。表3的瞬態(tài)溫度計算值顯示，各方案著火時刻的平均溫度基本保持在950℃左右，說明可燃氣成分的變化對著火時的缸內(nèi)溫度影響不大。另外，最大放熱率時刻對應(yīng)的瞬態(tài)最高溫度和平均溫度均低于最大壓力時刻對應(yīng)的溫度，這是因為最大壓力時刻滯后于最大放熱率時刻，盡管缸內(nèi)容積增大，但燃燒時間增長，燃燒的燃料增多，累計放熱量增加所致。

表3的計算結(jié)果表明，隨著EGR率的增大，缸內(nèi)瞬態(tài)最高溫度和平均溫度均相應(yīng)降低，與缸內(nèi)壓力和放熱率的變化基本保持一致。說明EGR可降低主燃燒期內(nèi)缸內(nèi)溫度，有利于降低NOx的排放。

圖6為缸內(nèi)最大壓力時刻燃燒照片對應(yīng)的溫度分布統(tǒng)計圖。由圖可見:高溫區(qū)域大部分集中在1200～1400℃之間，低溫區(qū)集中在600℃左右，隨著EGR率的增加，高溫點統(tǒng)計數(shù)逐漸減少，低溫點統(tǒng)計數(shù)逐漸增多。

3 試驗結(jié)果的討論

氫氣具有密度小、擴散系數(shù)大、點火能量低、燃燒速度快和低熱值高等特點，在進氣中加入氫氣后，會加快火焰?zhèn)鞑ニ俣龋s短燃燒持續(xù)時間［16］。而CO2作為大比熱的惰性氣體，加入后會吸收熱量，阻礙著火和火焰的傳播，降低燃燒速率。同時，大量加入CO2會減少空氣進氣量，導(dǎo)致進氣中的氧濃度下降，過量空氣系數(shù)變小，混合氣變濃，燃燒速度下降，燃燒惡化。從研究結(jié)果看，正是在氫氣和CO2的共同作用下，燃燒持續(xù)時間在小EGR率時隨EGR率的增大因燃燒速度下降而延長，在大EGR率時則因燃燒不完全開始縮短;而缸內(nèi)溫度、壓力和放熱率則隨EGR率的增大呈下降趨勢。

4 結(jié)論

(1)隨著EGR率的增加，著火時刻推遲，燃燒速率下降。EGR率較小時，富氫EGR燃燒持續(xù)時間隨EGR率的增加而延長;EGR率較大時，富氫EGR燃燒持續(xù)時間隨EGR率的增加開始縮短。

(2)當EGR率增加時，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力下降，達到峰值壓力的時間推遲;放熱率峰值下降，放熱率曲線整體推后。

(3)EGR對缸內(nèi)燃燒溫度影響較大，隨著EGR率的增加，缸內(nèi)瞬態(tài)最高溫度和平均溫度均相應(yīng)降低，有利于降低NOx的排放。

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