IEGR对小型非道路柴油机性能影响的可视化研究*

王佳 尹必峰 卢振涛 黄晨春 贾和坤

（江苏大学汽车与交通工程学院江苏镇江212013）

IEGR对小型非道路柴油机性能影响的可视化研究*

王佳 尹必峰 卢振涛 黄晨春 贾和坤

（江苏大学汽车与交通工程学院江苏镇江212013）

以某小型非道路柴油机为样机，搭建了柴油机缸内喷雾燃烧过程可视化研究平台，进行缸内燃烧过程高速摄影研究，分析内部废气再循环（Internal Exhaust Gas Recirculation，IEGR）对小型非道路柴油机燃烧及排放性能的影响规律。结果表明，引入IEGR会缩短滞燃期，延长燃烧持续期。IEGR在低负荷时可提高缸内燃烧温度，在中高负荷时则可以降低缸内燃烧温度。随着IEGR率增大，NOx逐渐降低，且这种降低的趋势随负荷率的增加愈趋明显，SOOT均有一定程度的升高，但并未严重恶化。IEGR对柴油机油耗有一定的改善效果，且随负荷率的减小，IEGR对油耗率的改善效果增强。

非道路单缸柴油机IEGR可视化

引言

随着近年来排放法规的不断严格，对于非道路柴油机的排放要求也提出了更加苛刻的要求[1，2]。同时小型非道路柴油机结构紧凑复杂，且广泛应用于农村农业动力配套，小型非道路柴油机行业的发展正面临着严峻的挑战[3]。废气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）由于具有降低燃烧温度的作用成为控制NOx排放的关键技术之一[4]。而内部废气再循环作为降低NOx排放量的一种物美价廉的技术手段，近年来得到了国内外学者们的关注和研究。

石磊等人[5]分别对比了IEGR与外部废气再循环（External exhaust gas recirculation，EEGR）对柴油机排放性能的影响，试验结果表明IEGR有利于均质混合气的形成，使柴油HCCI燃烧的烟度排放减小，但相对于EEGR其低NOx排放负荷范围减小。孙宾宾等人[6]利用AVL-BOOST建立了发动机仿真模型，提出了单进气门二次开启来实现发动机内部废气再循环以降低汽油机NOx排放的技术方案，结果表明，在车用发动机工作的中低转速、部分负荷的典型工况下，在一定的EGR率范围内，采用该方案可使发动机的NOx排放和燃油经济性均比应用凸轮轴可变配气机构的原机有明显改善。Chen Rui[7]对IEGR在可控自燃（Controlled auto-ignition，CAI）汽油机上应用进行了研究，并利用排气门早关和进气门晚开的方法实现IEGR，结果表明：IEGR能够同时降低发动机的经济性能和排放性能。祁俊荣等人[8]对IEGR对汽油燃料均质压燃（Homogeneous Charge Compress Ignition，HCCI）燃烧影响进行了研究分析，结果表明：IEGR对HCCI着火过程有着显著影响，且随着EGR率的不同，燃料着火时间和缸内燃烧温度有着较大程度的改变。

国内外学者对IEGR的研究促进了该技术的发展与应用，但目前对于IEGR在小型非道路柴油机上的应用研究相对较少，本文以某小型非道路柴油机为样机，使用AVL513D内燃机缸内燃烧图像采集与处理系统，搭建了柴油机缸内喷雾燃烧过程可视化研究平台，进行缸内燃烧过程高速摄影研究，分析内部EGR对小型非道路柴油机燃烧过程及排放性能的影响规律。探索采用内部EGR技术改善小型非道路柴油机排放性能的有效途径。

1 实验装置及实验方案

1.1 实验装置

本文以某非道路单缸柴油机为研究对象，其基本参数如表1所示。试验中采用的AVL513D Visio Scope系统为内窥镜式拍摄系统，通过将内窥镜伸入燃烧室采集缸内燃烧火焰的高清晰彩色图像，可以实时采集、分析燃烧图像。需要在气缸盖上布置两个光学通道，一个引入频闪光源，另一个插入内窥镜。如图1所示，布置方案设计时首先通过ProE软件建立缸盖、燃烧室及喷雾油线三者的三维模型，确定三者的空间相对位置，然后在保证探头与油线互不干涉的前提下确定取像口与光源的布置方案。

分别在原机系统和带有内部EGR系统的条件下完成了燃烧过程的高速摄影、排放性能测试。试验中设定拍摄角度间隔为0.2℃A，范围是从-20℃ABTDC到70℃A ATDC，包括了从喷油开始到看不到缸内火焰（亮光）为止的持续时间。试验时高速摄影系统的主要参数为：曝光速率10 Hz，图像分辨率为640×480像素，曝光时间为50 μs。此外，试验过程中所用的主要设备还包括：CWF37电涡流测功机、MCS-960油耗仪、AVL-CEB200气体分析仪、AVLSPC472颗粒分析仪。

表1 柴油机主要技术参数

试验工况的转速和扭矩分别为：转速为2300 r/min（标定转速）和1840 r/min（最大扭矩转速），负荷率分别为100%、75%、50%、25%以及10%。

图1 内窥镜布置方案

1.2 IEGR的方案设计

本文所设计的IEGR结构方案如图2所示，通过在原机进气凸轮上增加一个预进气小凸轮，使其在排气行程阶段，使进气门提前打开，使部分废气进入进气道，在下一循环中与新鲜空气一起进入气缸参与燃烧，从而实现IEGR。其中Φ为凸轮基圆直径，h1为主进气凸轮升程，h2为预进气凸轮升程，h2越大，IEGR率越大。

图2 IEGR结构方案示意图

柴油机配气相位示意图如图3所示，其中排气门正常开启段和进气门正常开启段与原机配气相位方案一致。引入IEGR后，由于预进气小凸轮的作用，在排气门正常开启段开启了进气门，从而得到了进气门预开启段，使得部分废气能够进入进气道，实现IEGR。

text=open（filename,encoding='utf-8',errors='ignore'）.read（）#打开文件

图3 引入IEGR后柴油机配气相位图

其中：α为进气提前角，β为进气延迟角，δ为排气延迟角，γ为排气提前角，Ψ为预进气关闭角度，ω为预进气开启角度。

2 试验结果分析

2.1 缸内燃烧过程可视化分析

为了直观地分析IEGR对柴油机燃烧过程的影响，图4中给出了1840 r/min转速，10%与50%负荷率条件下燃油着火过程图片。以50%负荷率工况为例，引入IEGR前后分别在6°CA和5°CA缸内出现了零星的着火点，分别在10°CA和9°CA开始形成明亮的燃烧火焰。引入IEGR后，缸内混合气初始温度升高，滞燃期缩短，两个负荷率工况下着火时刻提前。同时，比较不同负荷率工况下的照片可以看出随着负荷率的增加着火时刻逐渐提前。

图5给出了缸内燃烧末期的图片，从图中可以看出，两个负荷率工况下，引入IEGR后，相同曲轴转角下缸内未完全熄灭的火焰团的面积要略大一些。以50%负荷率工况为例，60°CA时，原机缸内燃烧火焰已经几乎完全熄灭，而带有内部EGR系统的缸内存在尚未熄灭的燃烧火焰。这是由于EGR的引入，稀释了新鲜充量，惰性气体成分增加，混合气的比热容增大，从而延长了整个燃烧持续期。同时，从缸内火焰熄灭的时刻可以看出随着负荷率的增加，喷入的燃油量增多，燃烧持续期也有所延长。

图4 内部EGR对燃油着火过程的影响

可视化技术结合双色法是研究柴油机燃烧过程的有效手段，可以利用高速彩色CCD摄像机的三基色用双色法对缸内温度场进行计算[9]。因此，采用双色法，对缸内燃烧过程高速摄影得到的燃烧火焰图片进行了缸内温度场的计算，图6给出了不同EGR率条件下，燃烧压力峰值所对应曲轴转角下缸内温度场。从图中可以看出，10%工况下，缸内氧含量充足，引入EGR后进气加热作用有利于高质量混合气的形成，促进了燃烧，燃烧压力峰值对应的缸内燃烧温度高于原机；50%工况下，引入内部EGR导致缸内混合气处于贫氧，缸内火焰平均温度下降，高温强辐射区域的比例也减少。

图5 内部EGR对燃烧结束时刻的影响

2.2 IEGR对排放的影响

图6内部EGR率对缸内温度场的影响

图7 IEGR对NOx的影响

图8 IEGR对SOOT的影响

从图8中可以看出，引入IEGR后，在两个转速的各个负荷工况下SOOT均有一定程度的增加，IEGR率越大，SOOT增加越多，且增加的幅度随着负荷的增加有不断增大的趋势。因为在大负荷率工况下，引入废气后进一步降低缸内氧浓度，会增加混合气局部较浓的区域，导致SOOT生成量增加。与此同时，惰性气体的增加，会导致燃烧过程变长，产生后燃，燃烧后期生成的SOOT得不到氧化，并且当烟度较高的废气被重新引入气缸参与下一循环燃烧时，将对下一循环的燃烧产生不利的影响。而在小负荷率时，缸内氧含量相对充足，并且废气对新鲜充量有一定的加热作用，有利于均质混合气的形成，缩短着火延迟期，促进缸内燃烧完全，因此SOOT排放仅略有增加。

2.3 IEGR对油耗的影响

图9示出了IEGR对柴油机燃油消耗率的影响，从图中可以看出，IEGR对柴油机燃油消耗率具有一定的降低效果，且这种改善趋势随负荷率的降低与IEGR率的增大愈趋明显。这主要是由于，小负荷率工况下，缸内混合气空燃比较高，引入的废气可以提高进气温度，促进油气混合，实际上对燃烧起到了改善的作用，因此燃油消耗率得到了较大的改善；随着负荷率的增加，缸内氧浓度不断降低，废气的引入进一步增加了混合气的浓度，使得混合气的燃烧不完全，而且引入的废气为惰性气体，抑制了混合气的燃烧速度，使得燃烧滞后，因此中高负荷率工况下燃油消耗率变化不大。

图9 IEGR对燃油消耗率的影响

3 结论

1）通过设置在进气凸轮上的预开启凸轮，实现IEGR，并证实了IEGR是改善柴油机综合性能的有效技术手段。

2）引入IEGR会缩短滞燃期，延长燃烧持续期。IEGR在低负荷时可提高缸内燃烧温度，在中高负荷时降低缸内燃烧温度。

3）随着IEGR率增大，NOx逐渐降低，且这种降低的趋势随负荷率的增加愈趋明显。SOOT均有一定程度的升高，但并未严重恶化。

4）IEGR对柴油机油耗有一定的改善效果，且随负荷率的减小，IEGR对油耗率的改善效果增强。

1USA non-road diesel engines emission standards.http：// www.dieselnet.com/standards/us/offroad.html

2中国国家标准化管理委员会.GB 20891-2007非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅰ，Ⅱ阶段）[S].北京：中国标准出版社，2007

3刘胜吉，尹必峰，王建，等.满足单缸柴油机国-Ⅱ排放的技术难题与对策[J].小型内燃机与摩托车，2009，38（4）：85～88

4谭建勋，王志伟，李伟，等.内部EGR增压中冷柴油机排放性能试验研究[J].车用发动机，2011（6）：51～54

5石磊，邓康耀，崔毅，等.不同EGR方法对柴油燃料HCCI燃烧影响的探讨[J].内燃机学报，2005，23（5）：463～468

6孙宾宾，常思勤，刘梁.用进气门二次开启控制策略实现内部EGR的研究[J].汽车工程，2014，36（2）：145～150

7Chen Rui，Milovanovic Nesa，Turner J.W.G，et al.The thermal effect of internal exhaust gas recirculation on controlled auto ignition[C].SAE Paper 2003-01-0751

8祁俊荣，钟绍华.内部EGR与汽油燃料HCCI燃烧关系的探讨[J].内燃机，2006（5）：28～30

9Adam Anne，Leick Philippe，Bittlinger，Gerd，et al.Visualization of the evaporation of a diesel sprays using combined Mie and Rayleigh scattering techniques[J].Experiments in Fluids，2009，47（3）：439～449

Visualization Study on the Influence of IEGR on Performance for Small Off-Road Diesel Engine

Wang Jia1，Yin Bifeng1，Lu Zhentao1，Huang Chenchun2，Jia Hekun1
1-School of Automobile and Traffic Engineering，Jiangsu University（Zhenjiang，Jiangsu，212013，China）2-Changchai Company Limited

Taking one small off-road diesel engine as the research object，a visualization platform for cylinder spray and combustion process was built.Influence of IEGR on combustion and emission characteristics was researched with the cylinder combustion process high-speed photograph.The result indicates that the ignition delay was shortened and the combustion process extended with the introduction of IEGR. Combustion temperature increased at low load，while reduced at medium and high load.With the increase of IEGR rate，NOxreduced gradually，which will be more and more evident with the rise of load rate，and SOOT increased with a certain degree.IEGR has a certain effect on the improvement of the fuel consumption，which will be enhanced with the reduction of load rate.

Off-road，Single cylinder diesel engine，IEGR，Visualization

TK421.5

A

2095-8234（2014）05-0014-05

2014-07-08）

江苏省科技支撑计划（BE2013042）；常州市科技支撑计划（CE20120095）；江苏大学高级专业人才科研启动基金项目（13JDG075）；江苏省优势学科建设项目。

王佳（1989-），男，硕士研究生，研究方向为内燃机排放控制。