EGR对甲醇-柴油组合燃烧柴油机燃烧和排放的影响

张 健， 王 忠， 刘 帅， 赵 洋， 张登攀， 李仁春

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

EGR对甲醇-柴油组合燃烧柴油机燃烧和排放的影响

张 健， 王 忠， 刘 帅， 赵 洋， 张登攀， 李仁春

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

利用三维仿真软件AVL Fire建立进气道喷射甲醇、缸内喷射柴油的模型，应用试验结果验证了模型的正确性。改变2 200 r/min,136 N·m工况下的EGR率(0%，5%，15%，25%和35%)，分析了EGR对甲醇-柴油组合燃烧发动机燃烧过程和排放的影响。结果表明：与EGR率为0相比，随着EGR率增加，甲醇-柴油组合燃烧发动机着火延迟期先缩短后延长，缸内最高压力降低，EGR率为5%时，着火延迟期缩短2°曲轴转角；随着EGR率增加，放热率曲线由双峰分布向单峰分布转变，最高温度下降，高温持续时间缩短；随着EGR率增加，NOx排放降低，CO和炭烟排放上升，与EGR率为0时比，EGR率为15%时的NOx排放量降低了54%。

双燃料发动机； 废气再循环； 燃烧过程； 排放

与汽油机相比，柴油机效率高、燃油消耗低、动力性强、工作可靠，因而得到了广泛应用。然而，柴油机排放的颗粒物和NOx对环境造成了较大污染，严重影响了人体健康。目前，为了解决柴油机排放严重的问题，除了采用新型燃烧技术和尾气处理方式外，寻找高效、清洁、可再生的柴油机替代燃料也是一种有效途径[1]。

甲醇是一种高含氧量的柴油机替代燃料，具有燃烧速率快、着火界限宽等优点，可以改善燃烧。柴油机燃用甲醇可以采用甲醇-柴油组合燃烧方式，这种方法具有可实现高比例甲醇掺烧和成本较低等优点。甲醇-柴油组合燃烧是指在进气道喷射甲醇，与空气形成预混混合气，柴油缸内直喷引燃的燃烧方式[2]。甲醇-柴油组合燃烧方式虽然可以在一定程度上降低柴油机的NOx和颗粒物排放，但是为了满足更加严格的排放法规，需要进一步降低NOx排放。EGR是降低柴油机NOx排放的有效措施之一，目前已经普遍应用于轻型车用柴油机上。国内外学者针对甲醇-柴油组合燃烧和EGR技术进行了广泛研究。Mustafa Canakci等人研究了甲醇掺烧比例对甲醇-柴油组合燃烧过程的影响，结果表明，随着甲醇比例的增加，发动机缸内最大燃烧压力和放热率峰值升高，发动机燃烧热效率提高[3]。张全长等人研究了废气再循环对柴油机NOx和颗粒的影响，结果表明，随EGR率加大，NO所占比例先降低后升高，soot排放率和颗粒粒径先升高后降低[4]。冯星等人研究了甲醇和EGR对柴油机NOx和炭烟排放的影响，结果表明，柴油机燃用M15甲醇柴油时，随着EGR率增加，缸内最大燃烧压力、最大放热率和缸内温度都会降低，NOx排放降低，炭烟排放恶化[5]。K. Bhaskar 等人研究了EGR对掺混鱼油甲酯燃料发动机的影响，结果表明，EGR能降低NOx排放，但会增加soot排放，NOx减少量与EGR流量成比例[6]。Jinyoung Jang等人在1台二甲醚均质压燃发动机上采用了EGR技术，试验结果表明，随着EGR的增加，平均有效压力升高，CA50延后，HC和CO排放上升[7]。

虽然针对甲醇-柴油组合燃烧已进行了大量研究，但还有必要从燃烧模式的角度探讨引入EGR形成的缸内废气热氛围对高比例甲醇氛围柴油引燃发动机燃烧过程和排放的影响。本研究基于三维仿真软件AVL Fire建立了ZN490ZQ柴油机的燃烧过程、NOx和炭烟排放的模型，通过改变废气残余系数，研究了 EGR对甲醇-柴油组合燃烧发动机缸内燃烧过程和排放特性的影响，为进一步推广甲醇-柴油组合燃烧柴油机的实际应用具有重要意义。

1 计算模型

表1示出ZN490ZQ柴油机主要参数。图1示出上止点处计算网格。以三维仿真软件AVL Fire为平台，建立动网格模型，计算中采用κ-ε湍流模型、KH-RT破碎模型、Multi-component蒸发模型、Walljet1碰壁模型、Schmidt-O′Rouke粒子模型、ECFM-3Z燃烧模型。不考虑气体进气道内流动状态，NOx生成模型采用Zeldovich模型，soot生成模型采用KHM(Kennedy-Hiroyasu-Magnussen)模型。

表1 ZN490ZQ参数

模拟过程从进气门关闭开始(上止点前136°曲轴转角)，到排气门打开(上止点后126°曲轴转角)结束。模拟时缸内初始压力和温度由试验得到，初始涡流比为1.8，气缸盖、气缸壁和燃烧室底面平均温度分别设定为553 K，403 K，593 K。

对2 200 r/min，136 N·m工况的缸内压力进行了模拟计算，并与燃用柴油和M45(试验测得甲醇质量比为45%)的试验结果进行了比较。由图2可以看出，模拟计算值与试验实测值基本一致，说明模型具有较好的准确性。

2 模拟结果

2.1 燃烧特性分析

图3示出不同EGR率时的甲醇-柴油组合燃烧柴油机着火延迟期比较。可以看出，EGR率为5%时，着火延迟期为7.9°曲轴转角，而EGR率为0时，着火延迟期为9.9°曲轴转角，着火延迟期缩短。柴油机的着火延迟期由物理延迟期f1和化学延迟期f2组成，前期以物理延迟期为主，后期以化学延迟期为主，着火延迟期主要取决于燃料的性质、混合气浓度以及相应的温度和压力条件[8]。EGR率为5%时，气缸内废气量较少，氧气浓度降低幅度小，高温废气对进气加热，进气温度升高，促进了燃油和甲醇预混空气的蒸发，增强了柴油液滴雾化，缩短着火延迟期。EGR率为25%和35%时，着火延迟期分别为12.7°曲轴转角和13.75°曲轴转角，较无EGR时的着火延迟期延长。EGR率为25%和35%时，气缸内废气量较多，虽然废气加热了进气，促进燃油和甲醇工质蒸发，缩短着火延迟期，但废气中比热容大的气体成分(如CO2，H2O等)和惰性气体增多，稀释了O2，空燃比下降，混合气比热容增加，综合作用下，着火延迟期延长。因此，EGR率为5%时，EGR的加热升温作用占主导，EGR率为25%和35%时，EGR的稀释氧气和提高比热容作用占主导。在EGR为15%时，EGR的加热作用和稀释热容作用相互抵消，使得着火延迟期与无EGR率时相比基本无变化。

图4示出不同EGR率时的甲醇-柴油组合燃烧柴油机缸内压力的比较。由图可知，随着EGR率增加，缸内最高压力逐渐下降。EGR率为5%，15%，25%和35%时的缸内最高压力较无EGR时(11 MPa)分别下降了0.293 MPa，0.533 MPa，1.641 MPa和2.23 MPa。EGR率为5%时，气缸内废气量较少，混合气浓度变化不大，混合气比热容增加较少，导致气缸压力峰值下降较少。随着EGR率继续增加，气缸内废气增多，缸内惰性气体稀释氧气，空燃比下降，C/O比升高，废气中CO2等气体提高了混合气比热容，混合气比热容增加较多，导致缸内最高燃烧压力下降。随着EGR率增加，缸内惰性气体增多，废气成分中的CO2和H2O等气体对燃烧速度有抑制作用，导致燃烧上止点位置延后。

图5示出不同EGR率时的放热率对比。EGR率为0，5%和15%时，放热率曲线呈双峰分布，EGR率为25%和35%时，放热率曲线呈单峰分布。无EGR和EGR率为5%时，第1个峰值小于第2个峰值，第1个峰值上升速率小于第2个峰值。小EGR率时，滞燃期较短，柴油和预混甲醇空气混合时间不长，混合不均匀，柴油被压燃形成预混燃烧，在柴油进入扩散燃烧阶段后，火焰引燃大部分预混甲醇，柴油和甲醇燃烧，放出大量热量，形成了第2个峰值。甲醇燃烧速率大于柴油燃烧速率导致第2个峰值的持续时间小于第1个峰值。

随着EGR率增加，放热率曲线向单峰转变。EGR率为15%时，滞燃期增加，柴油与预混甲醇空气混合时间增加，混合更加均匀，柴油燃烧引燃预混甲醇，柴油和甲醇燃烧放出大量热量，形成第2个峰值。大部分甲醇燃烧时刻和活塞处于下行过程导致了第1个峰值高于第2个峰值。EGR率为25%和35%时，滞燃期更长，柴油和预混甲醇空气混合更加均匀，此时，柴油在放热率曲线未下降之前引燃甲醇，柴油和甲醇燃烧放出大量热量，形成放热率峰值，之后燃油燃烧未形成峰值，呈单峰分布。单峰和双峰(第1个峰值高于第2个峰值)放热率曲线峰值随着EGR率的增加而降低。Shebeko Yu N等研究表明：稀释气体对燃烧反应的抑制作用由大到小依次为H2O，CO2，N2，Ar[9]。废气含有大量的CO2等惰性气体，抑制了燃烧速率，放热率峰值下降，放热持续时间增加。

图6示出EGR率为0，15%，25%和35%时的平均温度场。可知，随着EGR率增加，缸内最高温度下降，最高温度对应的曲轴转角延后，高温持续时间缩短。与采用EGR相比，EGR率为0时，缸内氧气充足，利于燃烧，柴油和甲醇燃烧放热，由于缸内空气比热容小，缸内温度上升快，缸内最高温度高。采用大EGR时，废气稀释了氧气，提高了混合气的比热容，导致滞燃期延长，燃烧始点滞后，使得缸内最高温度下降，最高温度所对应的曲轴转角延后。EGR率为0时，滞燃期较短，柴油预混燃烧缩短，柴油扩散燃烧延长，由于预混扩散燃烧放出大量热量，所以高温持续时间长；高EGR率时，滞燃期较长，柴油预混燃烧期延长，扩散燃烧期缩短，大部分燃烧位于活塞下行冲程中，热损失大，导致高温持续时间短。

2.2 排放分析

图9示出不同EGR率时NOx质量分数对比。与无EGR相比，EGR率为5%，15%，25%和35%时，NO排放量分别下降了30%，54%，75%和93%。NO生成量与缸内高温、富氧和燃烧高温持续时间有关。随着EGR率增加，缸内惰性气体变多，空燃比降低，缸内氧气变少，燃烧缓慢，燃烧持续期延长；同时废气中的CO2和H2O等大比热容气体提高了混合气比热容，温度上升缓慢，最高温度下降。由图6可知，随着EGR率的增加，缸内最高温度下降，高温持续时间降低。因此，NOx生成量下降。当EGR率为35%时，NOx排放量几乎为0。

图10示出不同EGR率时炭烟质量分数对比。炭烟的最终量随EGR率的增加先缓慢增加后快速增加。EGR率在20%以下时，炭烟的排放很少，几乎为0。在20%以上时，缸内颗粒物急剧增加。炭烟的最终生成量取决于颗粒物的生成量和氧化量，小EGR率时，氧气充足，EGR对当量比影响较弱，缸内温度也较高，炭烟的生产量和氧化量都较高。随着EGR率增加，滞燃期延长，燃油和预混甲醇空气混合更加均匀，炭烟生产量减少，同时氧气浓度和OH基浓度下降，炭烟氧化量也较少，最终炭烟净排放增加。随着EGR率增加，炭烟排放峰值时刻延后，峰值下降更加平缓。这是由于增加的废气延长了滞燃期，使燃烧速率变慢所致[10]。

3 结论

a) 甲醇-柴油组合燃烧发动机采用EGR系统时，随着EGR率增加，着火时刻先提前再延后，缸内压力峰值下降，压力峰值时刻后移，缸内温度下降；

b) EGR促使放热率曲线由双峰分布向单峰分布转变，随着EGR率增加，缸内最高温度下降，最高温度所对应的曲轴转角变大，高温持续时间缩短；

c) EGR对NOx排放影响显著，随着EGR率增加，NOx排放下降，CO和炭烟排放先缓慢上升后剧烈上升，EGR率为15%时，NOx下降54%。

[1] Agarwal A K. Biofuels (Alcohols and Biodiesel) Applications as Fuels For Internal Combustion Engines[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2007,33(3)：233-271.

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[3] Canakci M, Sayin C, Ozsezen A N, et al. Effect of injection pressure on the combustion, performance, and emission characteristics of a diesel engine fueled with methanol-blended diesel fuel[J]. Energy & Fuels,2009,23(6):2908-2920.

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[5] 王 铁，冯 星，雷思敏.甲醇和EGR降低柴油机NOx和碳烟排放的试验研究[J]. 内燃机工程，2012，33(4)：47-52.

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[7] Jinyoung Jang, Youngjae Lee, Chongpyo Cho, et al. Improvement of DME HCCI engine combustion by direct injection and EGR[J].Fuel,2013,113：617-624.

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[9] Shebeko Yu N,Tsarichenko S G,Korolchenko A YA.Burning velocities and flammability limits of gaseous mixtures at elevated temperatures and pressures[J]. Combust Flame,1995,102:427-437.

[10] 钱叶剑，左承基，徐天玉，等. EGR率对ZS195柴油机性能和排放的影响[J]. 合肥工业大学学报：自然科学版，2009(9)：1361-1364.

[编辑： 潘丽丽]

Effect of EGR on Combustion and Emission for Methanol-diesel Engine

ZHANG Jian, WANG Zhong, LIU Shuai, ZHAO Yang,ZHANG Deng-pan, LI Ren-chun

(School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu Univerisity, Zhenjiang 212013, China)

The model of intake port methanol injection and in-cylinder diesel injection was built with AVL Fire software and was verified with test results. The effect of EGR on combustion and emission for methanol-diesel engine was studied by changing the EGR rate of 0%, 15%, 25% and 35% respectively under the condition of 2 200 r/min and 136 N·m. The results showed that the ignition delay first shortened and then prolonged and the maximum in-cylinder pressure decreased with the increase of EGR rate. The ignition delay shortened by 2° when the EGR rate was 5%. The distribution curve of heat release rate changed to single peak from double peak and the duration of in-cylinder high temperature shortened with the decline of maximum temperature when the EGR rate increased. With the increase of EGR rate, the emission of NOxreduced and that of CO and soot increased. Compared with 0% EGR rate, NOxemission of 15% EGR rate reduced by 54%.

dual-fuel engine; EGR; combustion process; emission

2014-05-17；

2014-09-03

国家自然科学基金(51376083)；江苏省高校自然科学基金(10KJA470009,13KJA470001)；江苏省2013年度普通高校研究生科研创新计划项目(CXZZ13-0672)；2011年江苏高校优势学科建设工程资助项目(苏政发办[2011]6号)

张 健(1990—)，男，硕士，主要从事内燃机代用燃料研究；zhangjian1025ujs@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2014.06.013

TK411.5

B

1001-2222(2014)06-0064-05