EGR管路沉積物對發動機排放的影響

曹東冬，陽培

(畢節職業技術學院，貴州畢節 551700)

0 引言

隨著發動機技術的不斷進步,發動機性能受沉積物的影響越來越明顯。清凈性差的車用燃料易在發動機的EGR管路循環系統生成沉積物[1-2], 嚴重影響發動機工作性能。EGR管路沉積物在車輛運行過程中慢慢形成，在某些工況下吸附燃料，也會在特殊情況下釋放吸附的燃料，這樣混合氣的濃度就被改變了，實際上也就改變了發動機的空燃比[3-4]。當汽車冷啟動時，管路中的多孔狀沉積物會吸附燃料，從而導致空燃比變稀使汽車啟動困難；當吸附燃料過飽和后，多孔狀沉積物會在以后的工況中釋放燃料，使混合氣濃度變大[5-7]。同時EGR管路沉積物使車輛排放性能加以惡化[8]，當空燃比λ在0.986～1.005的范圍內,三元催化轉化器才能有效地降低CO、HC和NOx的排放。EGR管路沉積物使氧傳感器的準確度下降,導致廢氣排放加劇。因此在車用燃料里加入清凈劑保持EGR管路清潔度, 以穩定車輛尾氣排放[9-10]。相關研究表明CO、HC和NOx排放均隨發動機沉積物積累而增加,本文作者在前人研究的基礎上，通過研究發現，隨著EGR管路沉積物的積累, NOx和CO排放增加, 而對HC排放的影響則相對復雜。

1 試驗設備及方法

試驗設備采用三菱4G63發動機臺架裝置系統，排量為2.0 L。使用AVL公司的DisGas 4000 Light 五組分排放分析儀監測CO、NOx和HC的排放情況。選擇基礎汽油為試驗用油，其中基礎汽油不加任何清凈劑，其指標如表1所示，對待測油樣生成的進氣閥沉積物(IVD)和燃燒室沉積物(CCD)進行測定。試驗運行時間為55 h、共700個循環, 每個試驗循環按照4個工況進行。試驗運行工況如表2所示。

表1 基礎汽油的品質

表2 4G63發動機臺架試驗工況

4G63臺架運行后, 在試驗進行到0.5、7.5、19.5、31.5、43.5、53.5 h時分別測量每個試驗工況下排放氣體中的CO、NOx、HC濃度。在汽油機排放的尾氣中NO可占NOx的99%, 因此可用NO代替NOx。

2 試驗結果

由于試驗運行時間較快, 基礎汽油IVD的生成量(平均值為246 mg/閥)遠沒有CCD的生成量大，因此通常情況下通過CCD的生成量來考察對尾氣排放的影響。

2.1 沉積物對CO排放的影響

試驗中CO排放隨工況的變化規律如圖1所示，排氣ψ(CO)第1工況>第3工況>第2工況>第4工況[以試驗曲線與坐標軸所圍面積反映CO質量分數ψ(CO)的大小]。第1工況下發動機轉速最低，燃料混合度低，燃料沒有完全燃燒，故ψ(CO)最高；第4工況下發動機轉速最高，燃料混合度高，反應溫度高，該工況下生成CO最少。對第2、3工況來講，ψ(CO)有隨點火提前角增大而增高的情形；試驗中推遲點火ψ(CO)也會出現先增加、在達到最高值(約50°)后又下降的情形，所以第3工況下ψ(CO)略大于第2工況的原因較復雜。這就反映出EGR管路沉積物的累積使CO排放有所增加。

圖1 CO排放隨運行時間的變化

2.2 沉積物對HC排放的影響

試驗中HC排放隨工況的變化規律如圖2所示，排氣ψ(HC)為第1工況>第2工況>第3工況>第4工況。各工況在試驗中空燃比無大差別，隨著轉速提高而ψ(HC)相應降低。其中原因為：轉速的提高增強氣缸中的擾流、渦流效應，也增強了排氣的混合、擾流，增進了氣缸內燃料的燃燒，排氣系統的氧化反應得以加強；隨著轉速的提高燃油在積碳層的擴散時間、平均濃度均降低了很多，燃燒室沉積物對燃油的吸附量也減少了；隨著轉速提高，沉積物中的燃油釋放回氣缸的時間縮短很多，同時未燃HC返回氣缸的量也相應減少。

圖2 HC排放隨運行時間的變化

2.3 沉積物對NOx排放的影響

試驗中NOx排放隨工況的變化規律如圖3所示，排氣ψ( NOx)為第4工況>第3工況>第2工況>第1工況。

圖3 不同工況下NOx排放隨運行時間的變化

NOx按其生成原理一般可分為熱力NOx、燃料NOx、快速(瞬發)NOx。因汽油中氮含量極小，所以在排氣中燃料NOx和快速(瞬發)NOx成分非常少。汽油機燃料燃燒所生成的NOx幾乎都是熱力NOx，而溫度和壓力正是其主要影響因素。由于怠速工況溫度最低，故NOx排放最低，隨著轉速升高缸內溫度為第4工況>第3工況>第2工況>第1工況，則ψ( NOx)排放依次升高。

3 結論

(1)CO排放均隨運行時間的延長略有增加，EGR管路沉積物的增加會使排氣中的CO增加。

(2)HC排放隨運行時間的變化不明顯，EGR管路沉積物在高速工況下會增加HC排放，但在低速低負荷工況下有時也會減少HC排放。

(3)NOx排放隨運行時間有一定變化，EGR管路沉積物增多會使NOx排放明顯升高。

(4)下一步任務是明確EGR管路沉積物的形成機理，從而找到控制沉積物生成的措施。