EGR 对柴油机低温燃烧影响的试验及仿真研究

王云超鲁志远刘占强马帅营周硕赵卫平（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）



EGR 对柴油机低温燃烧影响的试验及仿真研究

王云超1，2鲁志远1，2刘占强1，2马帅营1，2周硕1，2赵卫平1，2
（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

结合发动机台架试验及数值仿真技术研究了EGR对四缸柴油机低温燃烧的影响规律及作用机理。选定NEDC循环测试中的三个代表工况进行研究的结果表明：随着发动机转速、负荷的增加，所能达到的EGR率降低，且EGR对排放影响的敏感性增大；1 800 r/min-25.4 N·m工况点，EGR率高于43%时，可实现NOx和Soot排放同时降低的低温燃烧；而2 000 r/min-82.7 N·m和2 400 r/ min-127.2 N·m工况点，在受限的EGR率条件下，NOx与Soot排放呈现trade-off关系。HC和CO排放随EGR率的增加基本呈现先降低后升高的趋势。综合分析EGR对燃烧、性能、排放的影响，并考虑到研究所用四缸发动机所能达到的最高EGR率，三个工况点的试验EGR率优化值依次为：43%、26%、22%。

EGR低温燃烧柴油机排放

引言

柴油机以其高热效率、强劲动力等优势在工程机械及汽车行业得到了广泛的应用。传统柴油机属于燃料喷雾扩散燃烧，由于非均质燃烧的固有特性，存在NOx和Soot排放之间的trade-off关系。而采用后处理技术解决NOx和Soot排放问题，则会带来成本高、结构复杂、可靠性低等多方面的问题，因此探寻新型高效清洁燃烧方式成为了柴油机满足未来严格排放法规的重要途径。

低温燃烧（LTC，Low Temperature Combustion）通过对燃烧路径中混合气浓度和温度的控制，避开NOx和Soot的生成区域，达到同时降低NOx和Soot排放的目的，被公认为一种极有前途的新型燃烧方式，近年来在国内外受到广泛关注［1］。在实现柴油机低温燃烧的过程中，能否获得足够高的EGR率是关键［2］。目前诸多关于柴油机低温燃烧的研究主要在单缸机试验台架上进行，配置有外接压气机构成的模拟增压系统，实现及控制过程相对容易，而在多缸机上因涉及到增压器的增压器能力、EGR加热进气的作用等问题，在产品开发过程中，为获得足够高的EGR率并用于控制燃烧过程及排放显得更为困难，须做专门的研究。

本研究将在一台四缸柴油机试验台架上探索不同负荷、转速下所能达到的最高EGR率及EGR对燃烧、排放影响的基本规律，并利用Fire软件对低温燃烧中EGR的作用机理进行仿真分析，为低温燃烧技术的进一步深入研究及产品发动机的开发奠定基础。

1　试验装置及研究方法

试验发动机为增压中冷、电控高压共轨柴油机，其主要性能参数如表1所示。

表1　发动机参数

试验台架配备有AVL电力测功机、冷却水及燃油恒温系统。油耗由AVL735S油耗仪测量；缸压信号通过AVL GH13P缸压传感器采集，由AVL-Indicom燃烧分析仪处理和计算；烟度由AVL415S全自动滤纸式烟度计测量；气体排放由HORIBA MEXA-7500DEGR排放分析仪测量。试验台架如图1所示。

根据整车NEDC（New European Driving Cycle）循环测试方法，计算出发动机对应的测试工况点，考虑不同转速、负荷及引入EGR能力的不同，选择其中三个工况点进行试验研究。三个试验工况点参数如表2所示。

图1　试验台架

表2　工况点参数

在各工况点的试验过程中，调节EGR率从0开始逐渐增加，直至增压器接近喘振区间，同时调整相关标定参数（主喷油量、主喷正时、预喷油量、预喷与主喷间隔、增压压力及轨压等），以优化不同EGR率下的性能、燃烧及排放特性。

为揭示EGR对柴油机燃烧、性能及排放影响的作用机理，利用3D-CFD软件Fire对三个试验工况点进行模拟计算，其初始条件由AVL-boost计算得出，一维整机Boost模型如图2所示，利用Fire建立的包含进排气道、气门、活塞等进排气相关组件全模型如图3所示。

图2　　一维整机Boost模型

图3　CFD全模型

图4　EGR对缸压及放热率的影响

图5　EGR对进气温度的影响

2　试验结果分析

EGR主要通过以下几种效应影响柴油机的性能、燃烧及排放［3］：

一是热效应，EGR由于含有多原子分子成分，使缸内混合气的热容值增大，降低缸内温度；

二是稀释效应，引入EGR后进气中氧气的体积分数降低；

三是化学效应，进气成分改变导致缸内燃烧过程中化学反应发生改变。

另外，EGR也将致使进气温度升高。

下文图中列出的三个代表工况点下EGR率覆盖了其所能达到的EGR率值范围。由于增压器喘振的限制，各工况点所能达到的最高EGR率随着转速、负荷的升高而降低。

2.1EGR对燃烧、性能的影响

EGR对缸压及放热率的影响如图4所示。相同工况下，随着EGR率的增加，缸内温度降低，放热速率减慢，燃烧相位推迟，最高缸压、放热率峰值降低。且随着转速、负荷的升高，EGR对燃烧始点的影响作用减弱。

但在图4a）中，1 800 r/min工况点在43%、50% EGR率所对应的放热率峰值反而高于0%、18%EGR率。这是因为一方面EGR的稀释效应和化学效应，有推迟燃烧相位、减缓放热速率的作用，但另一方面，高EGR对进气的加热作用增强，使进气温度升高（见图5），有提前燃烧相位、加快放热速率的作用。另外，燃烧相位推迟后，为保持输出扭矩不变，增加了喷油量，且从此时缸内当量比（见图6）可知缸内氧气充足，最终导致放热峰值的升高。

EGR对进气温度、当量比的影响如图5、6所示。随着EGR率的增加，进气温度升高，当量比增大。且随转速、负荷的升高，进气温度升高速率加快，EGR加热进气的作用增强。

EGR率对燃油消耗率的影响如图7所示。燃油消耗率随着EGR率的增加而升高。低EGR率时，EGR的稀释效应等影响较小，当量比的增加幅度较小，且EGR的加热进气作用促进了燃油的雾化、蒸发及燃烧，致使燃油消耗率变化不大。随着EGR率的增加，当量比大幅升高，缸内温度降低，燃烧效率降低，燃烧相位推迟，燃烧等容度降低，燃油消耗率升高。且随着转速、负荷的降低，燃烧效率降低，传热损失增加，导致燃油消耗率大幅升高。

图6　EGR对当量比的影响

图7　EGR对燃油消耗率的影响

2.2EGR对排放特性的影响

图8　EGR对NOx排放的影响

EGR对NOx排放的影响如图8所示。随着EGR率的增加，NOx排放降低。这是因为EGR的稀释效应使缸内氧气浓度降低，且EGR的热效应和化学效应使缸内温度降低，抑制了NOx生成的正向反应。另外，随着转速、负荷的升高，NOx对EGR率的敏感性增强，致使2 000、2 400 r/min的NOx排放随着EGR率的增加而下降趋势更加明显，这将增加高速、高负荷下NOx排放的控制难度。

EGR对Soot排放的影响如图9所示。随着EGR率的增加，Soot排放基本呈现升高的趋势。而1800r/ min的EGR率≥43%时，Soot排放略有下降。这些现象均体现出了典型的柴油机低温燃烧特性［4］。即Soot最终排放量是其生成与氧化过程竞争的结果，随着EGR率的提高，当量比提高，缸内温度降低，Soot的生成量大于氧化量，Soot排放升高达到峰值，随着EGR率的进一步增加，缸内温度继续降低，Soot的生成量大幅降低，最终导致Soot排放量的减少。而图中2000、2400r/min对应的Soot排放没有出现下降趋势是因为这两个转速下所能达到的EGR率受限所致。

图9　EGR对Soot排放的影响

EGR对HC排放的影响如图10所示。1800r/min 的HC排放随着EGR率的增加呈现先降低后升高的趋势。这是因为低EGR率时，EGR的稀释效应等对当量比和缸内温度影响较小，而EGR的加热进气的作用使进气温度升高，促进了燃油的雾化、蒸发及燃烧，HC被及时氧化，HC排放降低。随着EGR率的增加，缸内温度继续降低，当量比升高，缸内局部缺氧加剧，燃烧恶化，HC生成量增加，HC排放升高。而由于最高EGR率受限，2000、2400r/min的HC排放随EGR率的增加呈现下降的趋势，并未继续升高。

图10　EGR对HC排放的影响

EGR对CO排放的影响如图11所示。与HC排放相似，CO排放随着EGR率增加基本呈现先降低后升高的趋势。这是因为低EGR率时，EGR的加热进气的作用使进气温度升高，促进了燃油的雾化、蒸发及燃烧，缸内氧气充足，CO被及时氧化，致使CO排放降低。随着EGR率的增加，当量比增大，缸内温度降低，致使CO生成量增加，且CO无法被氧化，致使CO排放大幅升高。三个工况点的CO排放随着EGR率增加变化幅度相差较大，这是因为CO是化学动力学产物，与缸内温度有较好的一致性，1 800 r/min 的EGR率较低时，当量比较小，EGR的加热进气的作用较小，致使CO排放降低趋势不明显，2 000、2 400r/min的负荷升高，CO排放随着EGR率的增加而变化更敏感。

图11　EGR对CO排放的影响

综合上述EGR对燃烧、性能及排放特性的影响分析，考虑NOx及Soot排放的折衷、HC、CO排放及油耗，选择的EGR率的优化值不宜过高，三个试验工况点的EGR率的优化值依次为：43%、26%、22%。

3　模拟计算结果分析

为进一步分析EGR对燃烧、排放特性的影响机理，采用Fire软件对三个试验工况点进行了数值仿真，表3、4、5分别列出了三个工况点在EGR率优化值的主放热阶段对应的当量比、缸内温度、HC及CO质量分数切片图。

根据Kazuhiro Akihama等研究的NOx、Soot、当量比、温度间的函数关系［5］及Kitamura等绘制的NOx和Soot生成的Φ-T图［6］可知：NOx生成区主要分布在当量比＜2和燃烧温度＞2 200 K的位置；Soot生成区主要分布在当量比＞2和燃烧温度在1 800～2 000 K的位置［7］。如果燃烧温度≤1 650 K，无论当量比如何变化，都可以完全避开NOx和Soot排放生成区，柴油低温燃烧概念正是基于此提出的。

表3中1 800r/min的当量比较小且缸内温度较低，远离NOx和Soot生成区，NOx和Soot排放较低。而表4、5中，2 000、2 400 r/min工况点的负荷增大，喷油量增加，部分区域的当量比＞2，EGR加热进气的作用增强，使缸内大部分区域温度处于1 800～2 000 K，导致NOx排放较低和Soot排放较高。

表3　1800r/min-43%EGR率计算结果

表4　2000 r/min-26%EGR率计算结果

表5　2400 r/min-22%EGR率计算结果

根据美国圣地亚国家实验室对低温燃烧HC及CO生成机理试验研究［8］可知：高当量比且燃烧温度过高区域可致使高CO和HC排放生成；低当量比且燃烧温度较高条件下HC更容易被氧化；低当量比且燃烧温度较低条件下也可致使高CO排放生成［9］。

如表3所示，1 800 r/min时，低当量比且缸内温度较高的区域，HC和CO被氧化，致使HC和CO质量分数减少，而当量比和缸内温度更低的区域，CO质量分数较高。如表4、5中所示，2 000、2 400 r/min时，高当量比且缸内温度较高的区域，HC和CO质量分数较高。因此HC和CO排放最终折算成比排放后的变化趋势如图10、11所示。

4　结论

1）由于受增压器增压压力、喘振的限制及EGR对进气加热的作用，随着转速、负荷的升高，所能达到的最高EGR率降低。因此，增压器匹配、如何控制进气温度以提高各工况点所能达到的EGR率能力，从而降低高负荷下EGR率的控制难度，是多缸柴油机实现低温燃烧的关键。

2）1 800 r/min时，随着EGR率的增加，NOx排放大幅降低，Soot排放呈现先升高后降低的趋势。当EGR率≥43%时，实现NOx和Soot排放同时降低的低温燃烧特性。而2 000、2 400 r/min时，所能达到的最高EGR率受限，随着EGR率的增加，NOx对EGR率的敏感性加强，NOx排放下降幅度增大，Soot排放明显升高，NOx与Soot排放呈现trade-off关系。

3）随着EGR率的增加，HC和CO排放基本呈现先降低后升高的趋势；随着转速、负荷的升高，所能达到的EGR率降低，HC和CO排放随EGR率增加而变化的幅度不同。

4）综合EGR对多缸柴油机低温燃烧影响的分析，本研究中所选发动机在NEDC循环测试中的三个代表工况点（1 800 r/min-25.4 N·m、2 000 r/min-82.7 N·m、2 400 r/min-127.2 N·m）优化的EGR率试验值依次为：43%、26%、22%。

1Yao Minfa，Zhang Quanchang，Liu Haifeng，et al．Diesel engine combustion control：Medium or eeavy EGR［C］．SAE Pa-per 2010-01-1125

2苏万华.高密度-低温柴油机燃烧理论与技术的研究与进展［J］.内燃机学报，2008，26（S）：1-8

3赵昌普，李小毡，张军，等.EGR的热效应和稀释效应对柴油机燃烧和排放的影响［J］.燃烧科学与技术，2014，20 （1）：31-37

4张全长，尧命发，郑尊清，等.废气再循环对柴油机氮氧化物和颗粒排放影响的试验研究［J］.内燃机学报，2012，30（4）：310-315

5Ciajolo，A.，D′Anna，A.，Barbella，R.，et al.The effect of temperature on soot inception in premixed ethylene flames ［J］.Symposium（International）on Combustion，1996，26 （2）：2327-2333

6Kitamura T，Ito T，Senda J，et al.Mechanisim of smokeless diesel combustion with oxygenated fuels based on the dependency of the equivalence ratio and temperature on soot particle formation［J］.InternationalJournal of Engine Research，2002，3（4）：223-247

7龚英利.基于EGR和低温燃烧概念的柴油机燃烧过程研究［D］.天津：天津大学，2009

8FY 2008 Progress report for Advanced combustion engine technologies［R］.2008

9田径.基于EGR耦合多段喷射实现超低排放研究［D］.长春：吉林大学，2010

Experimental and Simulation Study on Influence of EGR on the Diesel Low Temperature Combustion

Wang Yunchao1，2，Lu Zhiyuan1，2，Liu Zhanqiang1，2，Ma Shuaiying1，2，Zhou Shuo1，2，Zhao Weiping1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Company Limited（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Study on the influence law and action mechanism of EGR on the diesel low temperature combustion of four cylinder based on the engine bench test numerical simulation technology was carried out. The results of the selected three representative working conditions on NEDC cycle test show：with the increase of engine speed and load，the achieving EGR rate is reduced，and the sensitivity of EGR on the emissions influence is increasing；when the EGR rate exceeds approximately 43%at 1 800 r/min-25.4 Nm，which can realize the low temperature of both NOxand Soot emissions reduced；under the condition of limited EGR rate，NOxand Soot emissions present the trade-off relations at 2 000 r/min-82.7 Nm and 2 400 r/min-127.2 Nm.With the increase of EGR rate，HC and CO emissions basically present first decreasing then rising trends.Comprehensively analyzing the influence of EGR on combustion，performance and emission，and considering the highest EGR rate of the four-cylinder engine achieved on the study，the sequencing optimal values of EGR rate of three working condition points are 43%，26%，and 22%.

EGR，Low temperature combustion，Diesel engine，Emission

TK421+.26

A

2095-8234（2015）06-0031-07

王云超（1990-），男，工程师，主要研究方向为EGR系统设计及应用。

（2015-06-23）