EGR对富氧进气增压柴油机缸内过程的影响*

倪志海　朱文霞　沈颖刚

（1-云南省交通科学院云南昆明6500112-昆明理工大学云南省内燃机重点实验室）

EGR对富氧进气增压柴油机缸内过程的影响*

倪志海1朱文霞2沈颖刚2

（1-云南省交通科学院云南昆明6500112-昆明理工大学云南省内燃机重点实验室）

运用EGR与富氧进气技术在一台增压柴油机上进行了缸内过程的试验研究，研究了不同EGR率和富氧进气浓度对发动机燃烧过程中缸内最高燃烧压力和最高压力升高率的影响。研究结果表明，在同一工况相同进气氧浓度下，最高燃烧压力随EGR率增加而降低，最高压力升高率却明显升高，但发动机仍能保持平稳运行；在同一工况相同EGR率时，随着进气氧浓度不断升高，最高燃烧压力、最高压力升高率与原机基本相当。

柴油机EGR富氧进气缸内过程

引言

随着全球环境污染的日益加重和世界石油资源的短缺，柴油机在节能减排方面面临着前所未有的挑战。内燃机的燃烧过程是发动机工作循环的中心环节，直接影响发动机的动力性、经济性和排放性能，受到研究者的特别关注［1］。

废气再循环（EGR）技术被认为是降低柴油机NOx排放的一种有效措施［2］，它是将一部分废气引入进气管与新鲜空气混合后进入气缸内以抑制燃烧速率与温度，从而抑制NOx的生成，达到综合控制排放的目的［3-4］。富氧燃烧技术是采用比空气中氧含量高的富氧空气助燃，氧富余，可以显著提高燃烧效率和火焰温度，从而改善燃烧和排放性能，但会导致NOx排放升高［5-6］。因此从发动机燃烧技术方面考虑，各国都在试图寻找一种有效的途径来提高柴油机功率，降低燃油消耗，减少排气污染［7］。本文针对柴油机的工作特点，采用EGR与富氧进气同时使用的控制方法，对增压柴油机缸内过程进行了试验研究。

1　试验装置和系统

1.1试验装置

本研究试验在天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室进行。试验所选用的样机是4100QBZL-2柴油机，该发动机的主要技术参数见表1。

表1　试验发动机主要技术参数

试验中所采用具体设备的特征参数与设备生产厂家见表2。

表2　试验中主要的测试设备与型号

1.2试验系统

在试验过程中，针对本实验专门设计了一套氧气供给系统和EGR引入系统，采用缸内压力传感器测量缸内压力，压力测量所需的上止点信号和转角信号由与曲轴相联的编码器提供，测得的电压信号经电荷放大器输入数据采集仪，试验装置系统简图见图1。测量缸内压力时需作特殊处理，因为测试缸内压力时缸内传感器处于高温高压状态，既要保持传感器的灵敏度和测试准确性，又要保持气缸的密封状态，故本实验采用打孔和螺纹紧固来解决。打孔和加工螺纹时从缸盖顶面开始直到缸盖底面，其径向尺寸与容纳传感器的铜套相匹配（铜套自主依据传感器尺寸设计，使用铜套是为了使用螺纹紧固），并要求传感器端面在安装时与缸盖底面相平齐，见图2。

图1　试验装置系统简图

图2　压力传感器安装图

2　试验结果及分析

本文在富氧进气的基础上，采用废气再循环（EGR）的方法来进一步研究柴油机的缸内过程。EGR率用CO2所占进气体积百分比和排气中的CO2体积百分比之比来表示，EGR率计算公式为：

式中（CO2）intake是引入EGR后进气中CO2的体积百分比；（CO2）exhaust是排气中CO2的体积百分比。

2.1燃烧压力分析

内燃机气缸内部实际进行的工作循环是非常复杂的，为获得正确反映气缸内部情况的实验数据，通常利用不同形式的示功器或内燃机数据采集系统来观察或记录相对于不同活塞位置或曲轴转角时气缸内工质压力的变化，所得的结果即为P/φ示功图［8］。

图3a）和b）是1 600 r/min、75%负荷下进气氧浓度分别为21%和23%时不同EGR率的示功图对比。

图3　不同进气氧浓度下EGR率对缸内压力的影响

由图3可知，同一工况相同进气氧浓度下，缸内最高燃烧压力随着EGR率的增加而降低，并且压力峰值时刻随EGR率的增大而滞后，着火时刻也相应地延迟。当EGR率从20%至55%变化时，在1600r/min、75%负荷时，不同进气氧浓度（21%和23%）下，其最高燃烧压力最大降低幅度均为0.5 MPa。

出现上述现象的主要原因是引入EGR后，进气中的CO2和水蒸汽等三原子分子气体增加，缸内工质（缸内混合气）的比热容增大。同时，随着EGR率的不断增加，CO2等惰性气体增多，稀释了混合气，抑制了燃料的混合和燃烧，降低了燃烧速度和温度，从而有效降低了最高燃烧温度与压力，导致着火时刻延迟。

图4是1 600 r/min、100%负荷下在EGR率20%时缸内压力随进气氧浓度增加而变化的特性曲线图。表3为1 600 r/min、100%负荷下不同进气氧浓度的缸内压力峰值与原机相比较的降低量。

从图4中看出，在相同EGR率20%时，随着进气氧浓度的增大，缸内压力与原机基本相当。在1 600 r/min、100%负荷、EGR率20%工况点的最高燃烧压力与原机也基本相当，其最大变化幅度发生在21%进气氧浓度时，下降最大幅度仅约为0.17 MPa，具体见表3。

图4　不同进气氧浓度对柴油机缸内压力的影响（EGR20%）

表3　不同氧气浓度下缸内最高压力与原机相比较（1 600 r/min、100%负荷）

出现上述现象的主要原因是在同一EGR率时，由于进气氧浓度不断增加，有利于氧气与燃油的混合，促进燃料充分燃烧。特别是在大负荷（全负荷）时，气缸内过量空气系数较小，利用富氧技术可以改善混合气的形成和燃烧，提高了缸内最高燃烧温度与压力。但由于EGR率的使用，对混合气形成不利，降低了燃烧的最高温度与压力，特别是使用了较高EGR率时，缓和了燃烧速度，所以，二者能够相互弥补，使发动机缸内最高燃烧压力与原机基本相当。

2.2压力升高率分析

柴油机是典型的压燃式内燃机，在其工作运转时，滞燃期内喷入气缸的燃料在着火前已经蒸发并与空气混合，即预混燃烧。这部分混合气的燃烧数量决定了燃烧过程中缸内最高燃烧压力和最大压力升高率，即预混合燃烧量越多，放热量越多，放热速率越快，相对应的燃烧压力与温度就越高，导致压力升高率较大［9］。根据柴油机急燃期燃烧特点，一般用平均压力升高率来表示压力升高的急剧程度。压力升高率表示为，其计算公式为：

其中，Pt1为开始着火燃烧点，即压力开始急剧升高的始点压力；Pt2为压力急剧升高的终点压力。

压力升高率是表征急燃期缸内压力升高的急剧程度。发动机缸内压力升高率过大过小都会影响柴油机正常工作。当柴油机压力升高率过大时，柴油机工作比较粗暴，运动零件受到很大的冲击负荷，发动机寿命就要缩短；压力升高率过小时，不能保证柴油机所需要的压缩温度与压力，使得柴油机性能恶化。为了保证柴油机运转的平稳性，平均压力升高率不宜超过0.6 MPa/°CA［8］。

当柴油机实现富氧进气时，燃料与氧气得到很好的混合，加快了燃油在缸内的物理和化学准备过程，快速形成了适宜着火的均质混合气，缩短了滞燃期，导致在预混燃烧阶段形成的均质混合气数量相对减少，影响了发动机的最大压力升高率，使得柴油机最大压力升高率随着进气氧浓度的增大而减小。但是引入EGR后，其压力升高率发生了变化，具体变化见以下分析。

图5是1 600 r/min、75%负荷工况下进气氧浓度分别为21%和23%时，不同EGR率对柴油机压力升高率的影响。

图5　不同进气氧浓度下EGR率对缸内压力升高率的影响

从图5可以看出，同一工况相同进气氧浓度下，柴油机的最高压力升高率随着EGR率的增加而显著升高，其滞燃期随着EGR率的增加而增大。在1 600 r/min、75%负荷下，进气氧浓度为21%和23%时，EGR率由20%增加到55%，滞燃期延长约为8° CA。同时在EGR率为55%时，不同氧浓度（21%和 23%）下的最高压力升高率均达到0.7MPa/°CA左右，而此时发动机仍能保持平稳运行。

其主要原因是随着EGR率的增大，稀释了混合气；同时CO2等惰性气体的增加，抑制了燃料的混合和燃烧，混合气准备着火时间延长，则滞燃期延长，导致最高压力升高率提高。但是由于同时采用富氧进气，所以即使在高EGR率的一定范围内，发动机仍能保持正常的工作运行。

图6为1 600 r/min、100%负荷下EGR率20%时压力升高率随进气氧浓度变化的特性曲线图。表4为1 600 r/min、100%负荷下不同进气氧浓度的压力升高率峰值与原机压力升高率峰值相比较的降低量。

图6　不同进气氧浓度对柴油机压力升高率的影（EGR20%）

从图6可以看出，在相同EGR率时，随着进气氧浓度的升高，压力升高率与原机基本相当，其着火时刻亦与原机大致相同，其最大变化幅度不到1°CA。在1 600 r/min、100%负荷、EGR率为20%时，其最高压力升高率与原机也基本相当，其最高压力升高率的最大降低幅度在进气氧浓度为24%时，大约为0.06 MPa/°CA，具体见表4。

其主要原因是由于进气氧浓度的增加和20% EGR率加入的相互作用，使发动机缸内最高压力升高率与原机基本相当，着火时刻与原机大致相同。

表4　不同氧气浓度下缸内最高压力升高率与原机相比较（1 600 r/min-100%负荷）

3　结论

1）EGR与富氧进气同时在增压柴油机上使用时，同一工况下相同进气氧浓度时，缸内最高燃烧压力随着EGR率的增加而降低，而最高压力升高率却随EGR率增加而明显升高。且随着EGR率增大，其压力峰值出现时刻滞后，着火时刻延迟。

2）EGR与富氧进气同时在增压柴油机上使用时，在相同EGR率时，随着进气氧浓度的升高，最高燃烧压力和压力升高率与原机基本相当，其着火时刻与原机大致相同。

3）在1 600 r/min、75%负荷下，EGR率为55%时，不同进气氧浓度（21%和23%）的压力升高率峰值均达到0.7 MPa/°CA左右，但发动机仍能保持平稳运行。

1贾和坤，刘胜吉，尹必峰，等.EGR对高压共轨柴油机燃烧过程影响的可视化研究［J］.工程热物理学报，2012，33（7）：1263-1266

2陈贵升，狄磊，雷基林，等.EGR和主喷定时对重型柴油机燃烧特性与排放的影响［J］.内燃机学报，2015，33（3）：210-216

3Asad U，Zheng M.Exhaust gas recirculation for advanced diesel combustion cycles［J］.Applied Energy，2014，123：242-252

4Millo F，Giacominetto P F，Bernardi M G.Analysis of different exhaust gas recirculation architectures for passenger car diesel engines［J］.Applied Energy，2012，98：79-91

5Zheng Z，Yao M.Mechanism of oxygen concentration effects on combustion process and emissions of diesel engine［J］.Energy&Fuels，2009，23（12）：5835-5845

6舒歌群，徐彪，张韦，等.进气富氧对直喷柴油机微粒排放粒径分布的影响［J］.天津大学学报（自然科学与工程技术版），2014，47（8）：659-664

7Byun H，Hong B，Lee B.The effect of oxygen enriched air obtained by gas separation membranes from the emission gas of diesel engines［J］.Desalination，2006，193（1）：73-81

8周龙保，刘巽俊，高宗英，等.内燃机学［M］.北京：机械工业出版社，2005

9孙士龙.基于燃油喷射参数的预混压燃发动机燃烧及排放特性研究［D］.长春：吉林大学，2014

Influence of EGR on In-Cylinder Process for a Turbocharged Diesel Engine of Oxygen-Enriched Intake Air

Ni Zhihai1，Zhu Wenxia2，Shen Yinggang2
1-Yunnan Transportation Research Institute（Kunming，Yunnan，650011，China）2-Key Laboratory of Internal Combustion Engine of Yunnan Province，Kunming University of Science and Technology

A turbocharged diesel engine was used to conduct experimental study of in-cylinder working process by implementing EGR and oxygen-enriched intake air simultaneously.Moreover，maximum combustion pressure and maximum pressure rise rate were studied by combinations of different EGR rate and different intake oxygen concentration on combustion process of cylinder.The results showed that the growing rate of EGR could reduce maximum combustion pressure，but increase maximum pressure rise rate and ensure the engine working under a safety and reliable condition under the same test condition；intake oxygen concentration could keep that maximum combustion pressure and maximum pressure rise rate were the same as the base engine under the same operation condition.

Diesel engine，EGR，Oxygen-enriched intake air，In-cylinder process

TK421+.27

A

2095-8234（2016）03-0016-05

国家自然科学基金项目（51366007）。

倪志海（1966-），男，高级工程师，主要研究方向为汽车应用。

2016-03-21）