廢氣再循環(huán)率及可變壓縮比對PCCI柴油機(jī)

王浩

摘 要：預(yù)混壓燃（PCCI）柴油機(jī)的預(yù)混壓燃功能是通過調(diào)整進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻和提前噴油角度實(shí)現(xiàn)的，其能有效的控制可溶性有機(jī)物的排放，在PCCI柴油機(jī)中，加入廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）能有效的控制一氧化氮的排放，降低壓縮比能夠顯著推遲缸內(nèi)著火時(shí)刻，強(qiáng)化油氣混合，同時(shí)降低氮氧化合物和干碳煙的排放，但油耗會提高，本文闡述了廢氣再循環(huán)率及可變壓縮比如何對PCCI柴油機(jī)燃燒和排放產(chǎn)生影響。

關(guān)鍵詞：PCCI；柴油機(jī)；廢氣再循環(huán)率；EGR；壓縮比

中圖分類號：TK427 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

柴油機(jī)作為運(yùn)輸動(dòng)力之一，具有良好的熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性，然而，同時(shí)碳?xì)浠衔锏呐欧藕透商紵煹呐欧欧矫嬉矌砹撕苊黠@的環(huán)境污染問題，因此節(jié)能減排成為了當(dāng)代發(fā)動(dòng)機(jī)研究發(fā)展的重要方向之一。通過提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比可以加快發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒速度，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率扭矩輸出，降低燃油消耗率，減少碳?xì)浠衔锖鸵谎趸寂欧诺龋c此同時(shí)，氮氧化合物將會增多，要有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排放則可采用廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)。因此，預(yù)混壓燃（PCCI）能夠有效的降低碳煙和碳?xì)浠衔锏呐欧牛瑥U氣再循環(huán)率（EGR）及可變壓縮比則是影響PCCI柴油機(jī)燃燒和排放的主要原因。當(dāng)今的排放法規(guī)對內(nèi)燃機(jī)技術(shù)提出了更嚴(yán)格的要求，如何在保持良好經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，降低顆粒物和氮氧化合物排放，實(shí)現(xiàn)高效、清潔燃燒已成為柴油機(jī)燃燒技術(shù)所面臨的共同難題與挑戰(zhàn)。

一、可變壓縮比（VCR）對PCCI柴油機(jī)燃燒和排放的影響

1 壓縮比計(jì)算

ε=Va/VC

ε表示壓縮比，Va表示活塞處于下止點(diǎn)時(shí)氣缸內(nèi)的最大容積，VC表示活塞處于上止點(diǎn)時(shí)氣缸內(nèi)的容積，即為燃燒室容積。

壓縮比是指發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣體被壓縮的程度，用壓縮前的氣缸總?cè)莘e與壓縮后的氣缸容積（即燃燒室容積）之比來表示。當(dāng)壓縮比較高時(shí)，壓縮結(jié)束時(shí)所產(chǎn)生的氣缸壓力與溫度相對地提高，當(dāng)接近壓縮上止點(diǎn)時(shí)，燃油分子能汽化得更完全，顆粒能更細(xì)密，混合氣混合質(zhì)量更好，在自燃瞬間更充分釋放出爆發(fā)能量，推動(dòng)活塞下行來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。當(dāng)壓縮比較低時(shí)，燃燒的時(shí)間會延長，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度并消耗能量，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的輸出并未增加，因而，高的壓縮比對提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能有利。壓縮比的變化將對缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生影響，導(dǎo)致壓縮終點(diǎn)時(shí)的缸內(nèi)壓力的變化和混合氣溫度的變化。

2 可變壓縮比（VCR）對PCCI柴油機(jī)燃燒和排放的影響

可變壓縮比（VCR）是根據(jù)柴油機(jī)內(nèi)不同的負(fù)荷，采用提高或降低發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比方法，在低負(fù)荷時(shí)，通過提高壓縮比來增大發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度和平均有效壓力，進(jìn)而使熱效率增大，增大壓縮比通過減小氣缸容積，增大壓縮沖程的最大缸內(nèi)壓力從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩等，但同時(shí)會使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒溫度過高，爆震傾向嚴(yán)重，排氣溫度過高。如果和其他技術(shù)相結(jié)合，則可以擴(kuò)大壓縮比的使用范圍；在高負(fù)荷時(shí)，是降低壓縮比，降低柴油機(jī)的爆震傾向，可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向，此時(shí)即可使用較高的壓縮比，一方面彌補(bǔ)由于的使用造成的功率損失，另一方面對于減少發(fā)動(dòng)機(jī)油耗方面也可以有很好的效果。柴油機(jī)壓縮比變化的空間相對有限，然而通過可變壓縮比技術(shù)，可以使柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性得到改善，如果和其他技術(shù)相結(jié)合，則可以擴(kuò)大壓縮比的使用范圍，如在高負(fù)荷時(shí)采用廢氣再循環(huán)（EGR），能有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向，此時(shí)可提高的壓縮比，能有效的彌補(bǔ)由于使用廢氣再循環(huán)（EGR）而造成的功率損失，進(jìn)而減少發(fā)動(dòng)機(jī)油耗方面。

可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的不同適時(shí)改變壓縮比，從而獲得更好的動(dòng)力性能或者爆震性能，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性，可變壓縮比柴油機(jī)能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力進(jìn)而提高升功率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的部分排放物的生成量，如氮氧化物、碳煙和碳?xì)浠衔锏龋行У奶岣呷剂系哪芰坷寐剩鰪?qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料適應(yīng)性。可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)減少摩擦損失和時(shí)間損失，盡管冷卻損失和漏氣帶來的損失增加，可以抵消在同樣的壓縮比下，較高的壓縮比與可變壓縮比（VCR）發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)相結(jié)合可以提高燃燒的穩(wěn)定性，從而可以擴(kuò)大廢氣再循環(huán)（EGR）極限，最終達(dá)到減少油耗與排放的目的，并滿足更嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。

二、廢氣再循環(huán)（EGR）率對PCCI柴油機(jī)燃燒和排放的影響

1 EGR率計(jì)算

mA表示新進(jìn)氣質(zhì)量，mE表示循環(huán)廢氣質(zhì)量。

廢氣再循環(huán)（EGR）率通常是指再循環(huán)廢氣的百分比，是重新進(jìn)入氣缸中廢氣的質(zhì)量與進(jìn)入氣缸總的混合氣質(zhì)量的比值。廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)則主要通過惰性氣體在燃燒室內(nèi)對燃燒的抑制作用，來影響燃燒速率、燃燒溫度以及氧濃度產(chǎn)生，進(jìn)而對發(fā)動(dòng)機(jī)的排放和各項(xiàng)性能產(chǎn)生作用。不同壓縮比下廢氣再循環(huán)（EGR）率對發(fā)動(dòng)機(jī)HC、CO、NOX排放的影響如圖1所示。

2 廢氣再循環(huán)（EGR）率對PCCI柴油機(jī)燃燒和排放的影響

廢氣再循環(huán)（EGR）在柴油機(jī)中還可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向，在低負(fù)荷情況下可以通過降低泵氣損失來降低燃油消耗率，但廢氣再循環(huán)（EGR）率過大則會使燃燒惡化，大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。由于不同的廢氣再循環(huán)（EGR）率下，進(jìn)入氣缸中廢氣多少的不同，會使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及其他性能表現(xiàn)有所變化，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣煙度隨廢氣再循環(huán)率增加而增加。廢氣再循環(huán)系統(tǒng)會使殘余廢氣系數(shù)增加，使更多殘余廢氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)，同時(shí)采用廢氣再循環(huán)系統(tǒng)也會導(dǎo)致的進(jìn)氣節(jié)流，造成進(jìn)氣限力增加，新鮮充量減少，導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣的過量空氣系數(shù)降低，煙度增加。當(dāng)在中高負(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)過量空氣系數(shù)遠(yuǎn)低于無廢氣再循環(huán)系統(tǒng)柴油機(jī)，煙度增加的幅度較大；在低負(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)過量空氣系數(shù)較大，廢氣再循環(huán)對過量空氣系數(shù)的影響相對減弱，煙度惡化的趨勢也相對較小，隨著廢氣的引入，氮氧化合物排放降低，但煙度排放值升高，大負(fù)荷工況時(shí)煙度惡化更明顯。

廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)分為冷廢氣再循環(huán)和熱廢氣再循環(huán)，冷廢氣再循環(huán)為排氣經(jīng)過冷卻循環(huán)之后進(jìn)入進(jìn)氣管道與新鮮空氣混合，而后進(jìn)入燃燒室的循環(huán)。熱廢氣再循環(huán)未經(jīng)冷卻循環(huán)而直接與新鮮空氣混合然后進(jìn)入氣缸燃燒的循環(huán)。冷廢氣再循環(huán)促使進(jìn)氣的密度提高，進(jìn)而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的容積效率，同時(shí)溫度的降低可以進(jìn)一步降低燃燒溫度，從而降低的排放，但與熱廢氣再循環(huán)相比排放和循環(huán)波動(dòng)增加。冷廢氣再循環(huán)能有效降低汽油機(jī)的爆震傾向。冷卻再循環(huán)廢氣溫度較低，熱效率有所下降，但同時(shí)增加大了進(jìn)氣密度，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的容積效率。在循環(huán)波動(dòng)方面，由于冷廢氣再循環(huán)使混合氣溫度較低，使混合氣不均勻，在燃燒時(shí)候會出現(xiàn)局部的燃燒惡化，從而使燃燒產(chǎn)物中一氧化碳和氮氧化合物含量增多，并隨著廢氣量的增多，在燃燒時(shí)候就會出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定，火焰?zhèn)鞑プ儎?dòng)較大，對排放產(chǎn)生巨大影響，隨著廢氣再循環(huán)率的提高，排放大幅下降。

熱廢氣再循環(huán)過程中，熱廢氣仍然具有很高的溫度，在與新鮮空氣進(jìn)行混合的時(shí)候擴(kuò)散較快，廢氣的加熱效果和燃燒溫度的提高促進(jìn)了混合氣的燃燒，更容易與新鮮空氣均勻混合，燃燒溫度相對較高。燃燒時(shí)循環(huán)波動(dòng)比冷時(shí)要低，可以提高缸內(nèi)的層流火焰速度。因此，熱廢氣再循環(huán)的一氧化碳和碳?xì)浠衔锵鄬^少，而排放則有所上升。熱廢氣再循環(huán)可以利用廢氣的余熱對新鮮混合氣進(jìn)行加熱，從而提高的混合氣的蒸發(fā)和霧化效果，在一定程度上促進(jìn)了混合氣的燃燒，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。隨著廢氣再循環(huán)率的增加，會在一定程度上使柴油機(jī)的滯燃期、燃燒持續(xù)期變短，燃燒溫度、熱效率均有所下降，在一定程度上促進(jìn)了混合氣的燃燒，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。

結(jié)論

廢氣再循環(huán)主要是靠降低缸內(nèi)的層流火焰速度來使循環(huán)波動(dòng)增大，對平均流動(dòng)速度和湍流強(qiáng)度影響作用小，而壓縮比對三者都有影響，壓縮比的增大會提高層流火焰速度、湍流強(qiáng)度和平均流動(dòng)速度，從而可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)波動(dòng)。在相同的壓縮比下，由于廢氣中惰性氣體的作用，隨著EGR比率的增大，混合氣稀釋而使缸內(nèi)氧氣濃度降低，缸內(nèi)燃燒受到抑制，缸內(nèi)溫度降低。從而在燃燒過程中使氮氧化物生成量隨EGR比率的增大大幅下降。因而廢氣再循環(huán)率及可變壓縮比協(xié)同作用對預(yù)混壓燃（PCCI）柴油機(jī)燃燒和排放的影響，能合理的組織燃燒過程，以使柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性得到有效改善，并滿足更嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。

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