EG R對混合燃料燃燒特性影響的試驗研究

韋堯鵬，陳英杰

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004）

Soot和NOx的trade-off關系在傳統的內燃機燃燒方式上很難被消除?？梢酝ㄟ^引入一部分廢氣再循環以降低缸內燃燒溫度的新型燃燒方式來實現改善這種關系。廢氣再循環EGR（Exhaust Gas Recirculation）是實現柴油機低溫燃燒的主要措施之一[1]，同時也是柴油機燃燒控制的主要參數。其效果是降低缸內溫度的同時減少了氧氣濃度，抑制了有利于產生NOx的高溫缺氧環境的形成，是目前降低NOx排放的主要措施[2]。

本文主要系統研究EGR率（5%、10%、15%、20%、25%）對純柴油（D100）、柴油/PODE3-4（DP20）、柴油/PODE3-4/正戊醇（DPPt20）三種不同混合燃料的燃燒和排放特性的影響。試驗固定參數見表1.

表1 EG R率試驗固定參數表

1 試驗條件和方法

試驗采用如圖1所示的帶有高壓回路EGR系統的發動機臺架。在發動機排氣口與渦輪機之間引出廢氣，經過EGR閥和中冷器控制流速溫度之后，與增壓中冷后的新鮮充量混合均勻，最終進入氣缸。EGR閥采用電機閉環調節模式，即ECU通過調節EGR閥的開度和VGT噴嘴流截面的傾斜度，達到改變廢氣流量的目的。此外，本次試驗使用Horiba MEXA 7100DEGR分析儀測量進氣歧管內的CO2濃度和發動機排氣的CO2濃度，控制EGR率大小。

圖1 發動機EG R系統示意圖

2 試驗設備

本次試驗采用為一臺2.0 L的四缸水冷帶可變幾何截面渦輪增壓（VGT）的柴油機，裝配電渦輪測功機、尾氣排放測量系統和高壓共軌燃油噴射系統。圖2為本次試驗所用發動機臺架示意圖。

圖2 發動機臺架示意圖

3 試驗結果和分析

圖 3 （a）、（b）、（c） 分別 顯 示了 D100、DP20、DPPt20的缸內平均壓力和瞬時放熱率隨EGR率變化的關系。

圖3 三種燃料缸壓和放熱率隨EG R變化

缸內平均壓力方面：從圖中可以看出，隨著EGR率的增大，三種燃料的缸內平均壓力均呈現出下降趨勢，峰值對應的曲軸轉角均呈現出向后移動趨勢；瞬時放熱率方面：從圖中可以看出，隨著EGR率的增大，三種燃料的放熱始點對應的曲軸轉角均呈現出向后移動趨勢，放熱速率變慢，瞬時放熱率峰值下降，峰值對應的曲軸轉角均呈現出向后移動趨勢。

主要原因是：一方面，增大EGR率，缸內混合氣中的惰性氣體所占比重增大，對燃燒的阻礙作用更加明顯，從而減緩了燃燒速率；缸內混合氣中廢氣比重增大導致三原子氣體（CO2和H2O）含量增加，引起混合氣的比熱容增大，導致缸內溫度下降；另一方面，隨著EGR率的增大，缸內氧氣濃度下降，抑制了燃料的燃燒。兩方面的綜合作用，導致缸內平均壓力和瞬時放熱率峰值下降，缸內平均壓力峰值和瞬時放熱率峰值對應的曲軸轉角向后移動以及放熱時刻延遲。

圖4是當EGR為25%時三種燃料缸壓和放熱率對比圖。從圖中可以看出，與D100相比，DP20放熱始點提前，缸內平均壓力峰值和放熱率峰值上升。這是因為，和D100相比，PODE3-4有更高的十六烷值、揮發性和更好的可燃性[3]，DP20的十六烷值比D100大，可燃性得到改善，放熱始點提前，此時缸內溫度較高，燃燒速率較大，引起缸內壓力增大，放熱率峰值增大。

圖4 25%的EG R三種燃料缸壓和放熱率

在DP20中加入PODE3-4后，與DP20相比較，DPPt20的缸內平均壓力峰值和放熱率峰值都高于DP20，放熱始點相對于DP20滯后。主要原因：DP20中加入正戊醇以后，由于正戊醇的十六烷值比柴油低[4]，蒸發潛熱比柴油大，所以導致著火時刻延遲，從而燃油與空氣混合的時間增加，形成更多的均勻混合氣，預混燃燒的比例得到增大，引起燃燒速率增大，導致放熱率峰值和缸內平均壓力峰值增大。

4 結論

（1）提高EGR缸內平均壓力均呈現出下降趨勢，峰值對應的曲軸轉角向后移，放熱速率變慢，瞬時放熱率峰值下降。

（2）增大EGR會使缸內過量空氣系數減小，含氧量下降，過濃區域面積增大，燃燒溫度逐步降低。

（3）EGR固定，DP20對比純柴油，缸壓峰值和放熱率峰值有所上升；摻混正戊醇后的DPPt20，放熱始點滯后，著火時刻延遲。