EGR率对柴油机富氢EGR燃烧过程的影响*

左承基，刘勇强，程晓章，徐天玉，吴 桐

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009)

前言

柴油机作为动力装置以动力性强、热效率高和燃油消耗率低而得到广泛应用，但其NOx和微粒(碳烟)排放较高，且排放控制受“NOx-微粒”折中曲线的束缚。一些先进的燃烧技术，如均质压燃技术(HCCI)、柴油预混稀燃技术(PREDIC)或部分预混压燃技术(PPCCI)，虽能在提高发动机燃烧效率的同时，降低NOx和微粒排放，但柴油机采用这些技术后，其工作范围受到限制，在一些工况下HC和CO 排放也会增加［1-6］。

目前柴油机主要通过废气再循环(EGR)技术来降低NOx排放，但EGR率高意味着新鲜空气量减少，缸内燃烧会恶化，从而导致柴油机经济性下降，碳烟排放增加［7］。作为气体燃料，氢气具有燃烧速度快、扩散系数高、着火范围宽和火焰淬熄距离短等特点，柴油机掺氢燃烧会降低碳烟排放，但NOx排放会增加［8-11］。将EGR和掺氢燃烧技术结合起来，可同时降低柴油机的NOx和碳烟排放［12］。

本文中在一台由ZS195柴油机改装而成的上置视窗式可视化试验装置上，进行了富氢进气条件下不同EGR率对柴油机燃烧过程影响的试验研究(EGR用CO2气体模拟)。通过高速摄影机记录下缸内着火和燃烧过程的火焰照片，用基于三基色原理编制的软件计算了缸内燃烧温度场［13-15］，同时结合同步示功图和放热率曲线对缸内燃烧过程进行了分析。

1 试验装置和试验方案

试验装置主要由进气系统、光学发动机、电机、变频器、角标发生器、高速摄影机和微机等组成，如图1所示。表1是ZS195柴油机的主要参数;表2为4种试验方案对应的各进气成分的体积比例。

表1 ZS195柴油机主要结构参数

表2 试验方案 %

2 试验结果及分析

试验前先将水温加热到80～90℃，按试验方案设置好各进气成分比例，开启变频器，通过电机倒拖柴油机至恒定转速1000r/min，然后将油门开到最大，柴油机着火燃烧，高速摄影机通过可视化石英窗口记录下整个燃烧过程的图像，同时记录下与之同步的曲轴转角信号和缸内压力数据。每次试验的转速、喷油定时和喷油量保持不变。

2.1 EGR率对着火及燃烧过程的影响

图2为4种方案下拍摄的缸内着火和火焰发展照片。从中可以明显看出，随着EGR率的增加，着火时刻不断推迟，着火后火焰扩展速率变慢。由此可见，CO2作为较大比热值的惰性气体推迟了着火，并减缓了燃烧速率。

富氢EGR环境下混合气着火和燃烧持续时间在不同EGR率下的变化规律见图3。

由图3可见，随着EGR率的增加，由于CO2作为惰性气体会减缓焰前反应、阻碍着火的发生，着火时刻呈现推迟趋势，滞燃期相应延长(试验时各方案喷油时刻均固定在上止点前15°CA)，且EGR率越大，着火时刻推迟越多。其中，方案A的着火时刻为上止点前8°CA，滞燃期为7°CA，方案 B的着火时刻为上止点前7.7°CA，滞燃期为7.3°CA，方案C的着火时刻为上止点前4.2°CA，滞燃期为10.8°CA，方案D的着火时刻为上止点前2.3°CA，滞燃期为12.7°CA。当EGR率较小时，随着EGR率的增大，富氢EGR燃烧持续时间延长;当EGR率较大时，富氢EGR燃烧持续时间开始缩短。这是由于CO2作为惰性气体会阻碍火焰的传播，进而延长了燃烧持续时间;而当EGR率较大时，燃烧恶化，燃料不能完全燃烧，燃烧结束较早导致燃烧持续时间缩短。

图4为富氢EGR燃烧的缸内压力曲线和放热率曲线。从图4可以看出，随着EGR率的增加，缸内压力和最大爆发压力都明显下降，达到峰值压力的时间推迟;放热率峰值下降，放热率曲线整体推后。EGR率为15%的方案D的缸内峰值压力比EGR率为0的方案A降低了22.45%，达到峰值压力的时刻推迟了4.3°CA;方案D的最大放热率比方案A减少了22.47%，达到最大放热率的时刻推迟了6.5°CA。

2.2 EGR率对燃烧温度的影响

图5为不同方案下着火时刻、最大放热率和最大缸内压力时刻的燃烧照片和温度场分析图像，表3是对应的缸内瞬态温度计算值。从图5可以看出，缸内着火点并不固定，而且可能不止一处发生着火。这是因为柴油机是压燃着火，最先着火的地方是温度和浓度适当的地方，而柴油机在不同循环中喷油情况与温度状况不可能完全相同，满足着火条件的地方也可能不止一处，因此着火点位置就不一定相同，形成火核的地方也可能有多处。但总的着火位置基本是沿着喷油方向且接近喷油处。表3的瞬态温度计算值显示，各方案着火时刻的平均温度基本保持在950℃左右，说明可燃气成分的变化对着火时的缸内温度影响不大。另外，最大放热率时刻对应的瞬态最高温度和平均温度均低于最大压力时刻对应的温度，这是因为最大压力时刻滞后于最大放热率时刻，尽管缸内容积增大，但燃烧时间增长，燃烧的燃料增多，累计放热量增加所致。

表3的计算结果表明，随着EGR率的增大，缸内瞬态最高温度和平均温度均相应降低，与缸内压力和放热率的变化基本保持一致。说明EGR可降低主燃烧期内缸内温度，有利于降低NOx的排放。

图6为缸内最大压力时刻燃烧照片对应的温度分布统计图。由图可见:高温区域大部分集中在1200～1400℃之间，低温区集中在600℃左右，随着EGR率的增加，高温点统计数逐渐减少，低温点统计数逐渐增多。

3 试验结果的讨论

氢气具有密度小、扩散系数大、点火能量低、燃烧速度快和低热值高等特点，在进气中加入氢气后，会加快火焰传播速度，缩短燃烧持续时间［16］。而CO2作为大比热的惰性气体，加入后会吸收热量，阻碍着火和火焰的传播，降低燃烧速率。同时，大量加入CO2会减少空气进气量，导致进气中的氧浓度下降，过量空气系数变小，混合气变浓，燃烧速度下降，燃烧恶化。从研究结果看，正是在氢气和CO2的共同作用下，燃烧持续时间在小EGR率时随EGR率的增大因燃烧速度下降而延长，在大EGR率时则因燃烧不完全开始缩短;而缸内温度、压力和放热率则随EGR率的增大呈下降趋势。

4 结论

(1)随着EGR率的增加，着火时刻推迟，燃烧速率下降。EGR率较小时，富氢EGR燃烧持续时间随EGR率的增加而延长;EGR率较大时，富氢EGR燃烧持续时间随EGR率的增加开始缩短。

(2)当EGR率增加时，缸内最大爆发压力下降，达到峰值压力的时间推迟;放热率峰值下降，放热率曲线整体推后。

(3)EGR对缸内燃烧温度影响较大，随着EGR率的增加，缸内瞬态最高温度和平均温度均相应降低，有利于降低NOx的排放。

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