富氧燃烧结合EGR技术控制柴油机排放的试验研究*

周明1 沈颖刚 朱文霞

（1-云南机电职业技术学院云南昆明6502032-昆明理工大学云南省内燃机重点实验室）

·研究·开发·

富氧燃烧结合EGR技术控制柴油机排放的试验研究*

周明1沈颖刚2朱文霞2

（1-云南机电职业技术学院云南昆明6502032-昆明理工大学云南省内燃机重点实验室）

提出了采用富氧燃烧结合EGR技术来解决柴油机碳烟和NOx排放净化方法相互矛盾的问题。在一台增压柴油机上试验研究了不同进气氧浓度和不同EGR率组合对柴油机碳烟和NOx排放的影响，以及对有效燃油消耗率和最大输出功率的影响，并利用MATLAB软件处理，得到最佳富氧进气浓度和EGR率匹配控制排放的MAP图。研究结果表明，富氧燃烧结合EGR技术能够同时降低碳烟和NOx排放，并保证其经济性及动力性。

柴油机富氧燃烧EGR控制排放

引言

柴油机具有热效率高和动力性强且耐久性能好等优势，使用越来越广泛，同时柴油机的排放问题逐渐引起广泛关注[1]。柴油机排放污染物主要有微粒（PM）、NOx、HC、CO等，其中微粒、NOx和硫化物进入大气中形成气溶胶，是产生雾霾的主要原因之一[2]。其中排气微粒由可溶性有机组成（SOF）、碳烟和硫酸盐组成[3]。随着排放法规的日趋严格，不断提高和创新柴油机燃烧和控制技术，是实现未来柴油机排放和运行要求的关键[4]。目前，废气再循环（EGR）技术是控制柴油机NOx生成最有效的措施，但同时EGR参与燃烧会造成碳烟（Soot）和燃油消耗率（BFSC）快速升高等问题[5-6]。在柴油机上实现富氧燃烧可提高燃料和氧气的混合质量，火焰传播速度加快，燃烧温度升高，提高了柴油机的热效率，改善了HC、CO和碳烟排放，但会导致NOx排放升高[7-8]。

因此，本文旨在保证发动机经济性及动力性的前提下，采用富氧燃烧结合EGR技术来探究增压柴油机同时降低碳烟和NOx排放的新方法，为实现柴油机高效清洁燃烧的有效控制提供一定的科学试验数据和理论分析。

图1 试验台架设计与布置图

1实验装置和方法

本研究选用氧气罐来提供增压柴油机进气所需的氧气来源（纯氧），罐内液氧汽化后与空气混合进入发动机进气管。同时要求保证准确得到实验所需要的EGR率，所以需要对整个进气系统和EGR循环系统进行合理设计。

1.1 实验装置

试验研究所选用的样机是一台4100QBZL-2增压柴油机，该发动机主要技术参数见表1。

试验中所用的设备主要有AVL电涡流测功机、AVL DIGAS 4000 Light五组分汽车排放分析仪、FBY-1型自动烟度计、P-190-O2-R100%VOL型便携式氧气检测仪等等。

表1 试验发动机主要结构参数

1.2 实验方案

根据富氧燃烧和EGR技术结合来控制柴油机排放的特性，特别是增压中冷柴油机由于其进气管平均压力高于排气管平均压力，废气不能自动从排气管流向进气管，故需要专门设计一套氧气供给系统和EGR循环系统，以保证发动机富氧进气浓度和所需EGR率的可控和灵活调节，试验台架设计总布置见图1。

在测试过程中，富氧进气浓度由安装在进气管上的氧气检测仪来直接测试，氧浓度大小表示氧气所占进气中的体积百分比，即：

式中：m为氧气检测仪的读数，表示体积比。本文选用测量CO2来计算外部EGR率，根据测试CO2所占进气的体积百分比和排气中的CO2体积分数之比来表示，EGR率计算公式为：

式中：（CO2）intake表示经过EGR废气稀释后的进气中CO2的体积百分比；（CO2）exhaust表示排气中CO2的体积百分比。

2实验结果及分析

本研究在天津大学内燃机国家重点实验室进行，试验时保持发动机参数不变，文中选取了发动机转速为1 600 r/min来分析研究，其负荷由25%、50%、75%和100%依次递增，进气氧浓度由原机、21%、22%、23%、24%依次递增，EGR率由20%、35%、45%、50%依次递增，文中采用佛山全自动烟度计测量烟度，并以所测取的烟度来表示柴油机的微粒排放。

2.1烟度分析

图2和图3分别为转速为1 600r/min时，75%负荷和全负荷的情况下，不同EGR率和氧浓度对柴油机烟度排放的影响。

由图2和图3可知，在同一进气氧浓度下，随EGR率不断升高，稀释了进气新鲜充量，缸内氧浓度降低，燃料燃烧不完全，导致柴油机烟度增大。而在相同EGR率下，其烟度随进气氧浓度的升高而显著降低。这是由于氧浓度增大，使燃烧更加充分，缸内高温过浓局部区域减少。

图2 75%负荷时的烟度变化

图3 100%负荷时的烟度变化

同时，由图可以看出，与原机相比，在不同进气氧浓度和EGR率的组合下，其发动机的大部分组合都远远低于原机的烟度，在富氧进气为24%和EGR为20%的组合情况下，发动机1 600 r/min-75%负荷工况点出现了烟度降低的最大幅度为71.4%。这是由于富氧进气与EGR共同作用，弥补了相互的不足，尤其是富氧进气浓度达到22%以上时，氧气发挥主要作用，促进了空气与燃油的混合，使燃料完全燃烧。在直接引入发动机排放尾气进行EGR时，设计了排气稳压罐、中冷、混合稳压罐等来冷凝和沉淀废气中的微粒，有利于烟度降低，基本远远优于原机。

2.2 NOx排放分析

图4和图5是转速为1 600 r/min时，75%和100%负荷工况点下，不同EGR率和氧浓度对柴油机NOx排放的影响。图6和图7是转速为1 600 r/min时，负荷分别为75%和100%工况点下，进气中NOx含量的变化。

由图4和图5可知，在同一进气氧浓度下，NOx随着EGR率的增加而大幅度降低。这是由于随着EGR率增加，缸内CO2浓度增大，缸内工质比热容增大，有效降低了最高燃烧温度与压力，从而减少了NOx排放。而在相同EGR率下，随着进气氧浓度增大，燃烧更加充分，缸内高温富氧区域增多，导致其NOx排放升高。且在1 600 r/min、75%负荷工况点，在进气氧浓度为21%时NOx排放的最大降低幅度达到53.6%；同时在1 600 r/min、全负荷工况点，进气氧浓度为24%时其最大降低幅度达到58.8%。

与原机相比，在不同进气氧浓度与EGR率的组合下，富氧与EGR的共同作用下，柴油机NOx排放在部分组合下远远低于原机，特别是在较低氧浓度和高EGR率范围工况内，如在进气氧浓度为21%，转速为1 600 r/min-100%负荷工况点，EGR率为50%时出现NOx排放最大降低幅度达到56.7%。

此外，由于直接使用发动机的尾气来进行EGR，故在进行EGR的同时就一起引入了部分NOx，并随着EGR率的增加而增加（见图6，图7）。由图可知，如果进一步采取措施降低引入进气中的NOx含量，将会使得柴油机采用富氧燃烧与EGR结合的方法取得更好效果。因此，增压柴油机采用富氧燃烧与EGR相结合的方法来同时降低烟度和NOx排放是可行的。

图4 75%负荷时NOx排放的变化

图5 100%负荷时NOx排放的变化

图6 1600 r/min-75%负荷时进气中NOx含量

2.3 经济性分析

采用富氧燃烧结合EGR技术对增压柴油机进行排放特性研究的同时，还研究了其对经济性能的影响。图8是在发动机转速为1 600 r/min-100%负荷时，在不同进气氧浓度下，不同EGR率对柴油机有效燃油消耗率的影响。

图7 1600 r/min-100%负荷进气中NOx含量

图8 1600 r/min-100%负荷有效燃油消耗率的变化

由图8可知，在1 600 r/min-100%负荷时，在相同进气氧浓度下，随着EGR率增大，缸内过量空气系数降低，燃料不能充分燃烧，燃料利用率降低，导致有效燃油消耗率显著升高。在同一EGR率下，有效燃油消耗率随着进气氧浓度的增加呈现先降后升的趋势。这是由于富氧进气，使缸内氧浓度增大，燃烧更加充分，弥补了EGR带来的不足，有利于降低有效燃油消耗率。与原机相比，在富氧进气与EGR率的部分组合下其有效燃油消耗率与原机基本相当。如在1 600 r/min全负荷工况下，EGR率在20%～45%范围内，其经济性基本与原机相同；当EGR率在45%～50%（含45%）范围内与原机相比，其最大影响在10%左右。其中在进气氧浓度为21%～24%之间，当富氧到达一定程度时，氧浓度对经济性影响趋于稳定，柴油机的比油耗出现了小幅度的上升。

2.4 动力性分析

富氧进气柴油机引入EGR后，对柴油机的动力性能产生了一定的影响。图9是发动机转速为1600 r/min全负荷时，在不同进气氧浓度下，不同EGR率对发动机输出功率的影响。

图9 1600 r/min-100%负荷时最大输出功率的变化

由图9可知，在1 600 r/min-100%负荷工况下，同一进气氧浓度时，发动机的最大功率随着EGR率的升高而降低。在同一EGR率下，随着进气氧浓度增加，发动机最大功率呈现先升高后降低的变化趋势，且其降低幅度较小，仅约为3.1%（即1 600 r/min时进气氧浓度为23%～24%，EGR率为35%时）。这是因为富氧进气与EGR共同作用对增压柴油机的动力性产生了影响。富氧进气，缸内氧浓度增大，燃烧更加充分，特别是在全负荷时，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，导致发动机最大功率随着进气氧浓度的增大而升高。但进气氧浓度为21%～24%之间时，当氧浓度增加到一定程度时，EGR比氧浓度更容易影响发动机的动力性，故最大功率具有先升后稍降的趋势。

与原机相比，EGR率20%～45%范围内与原机基本相当，而EGR率在45%～50%时对其动力性的影响程度受工况点影响较大。

2.5 富氧进气浓度与EGR率最佳组合的选择与确定

图10为1 600 r/min时，在不同负荷下，通过综合考虑排放指标（主要是烟度和NOx）、经济性以及动力性指标，得到进气氧浓度和EGR率的最佳组合MAP图。

采用富氧进气结合EGR技术，二者可以互相弥补不足，大幅度降低排气中碳烟和NOx排放。但是，采用EGR和富氧进气结合技术时，其EGR率与氧浓度的选择需要通过在发动机上进行大量试验，对有害排放物（主要是NOx和微粒）、油耗、功率和燃烧过程等进行分析对比，综合考虑发动机性能指标参数，进行精确匹配。在1 600 r/min时的10%、25%、50%、75%和100%负荷中，综合考虑排放指标（主要是烟度和NOx）、经济性以及动力性指标，可以确定在一定工况下进气氧浓度与EGR率的最佳组合，如图10所示。

图10 1600 r/min进气氧浓度与EGR率最佳组合的MAP图

3结论

1）富氧燃烧结合EGR技术能够同时降低烟度和NOx排放，并保证其经济性及动力性，柴油机实现清洁排放可行。

2）富氧进气在21%～24%与EGR率在20%～50%的范围内组合匹配，与原机相比，大部分组合下发动机烟度都远远低于原机，在发动机1 600 r/min-75%负荷，富氧进气24%和EGR20%的组合时，烟度降低的最大幅度达到71.5%。

3）富氧进气在21%～24%与EGR率在20%～50%的范围内组合匹配，与原机相比，在部分组合下增压柴油机NOx排放低于原机，在1 600 r/min100%负荷，进气氧浓度21%、EGR率50%时，NOx排放最大降低比例达到56.7%。

4）富氧进气在21%～24%与EGR率在20%～50%的范围内组合匹配，与原机相比，1 600 r/min全负荷工况下，EGR率在20%～45%时，其比油耗和最大输出功率基本与原机相当。

5）直接引入发动机尾气来进行EGR的同时，引入了部分NOx，可使NOx排放在部分工况点优于原机。

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2黄志辉，陈伟程，吉喆，等.全国机动车污染物排放量——《2013年中国机动车污染防治年报》（第Ⅱ部分）[J].环境与可持续发展，2014，39（1）：91-96

3吴凤英，苗家轩，徐斌，等.柴油机排气微粒组分及尺寸分布研究现状分析[J].环境工程，2015，33（5）：114-117

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5Chen G,Shen Y,Zhang Q,et al.Experimental study on combustion and emission characteristics of a diesel engine fueled with 2,5-dimethylfuran-diesel,n-butanol-diesel and gasoline-diesel blends[J].Energy,2013,54:333-342

6Yao M,Zhang Q C,Liu H F,et al.Diesel engine combustion control:Medium or heavy EGR[C].SAE Paper 2010-01-1125

7Perez P L,Boehman A L.Performance of a single-cylinder diesel engine using oxygen-enriched intake air at simulated high-altitude conditions[J].Aerospace Science and Technology,2010,14(2):83-94

8张韦，舒歌群，韩睿，等.高比率冷EGR与进气富氧对柴油机燃烧及排放特性的影响[J].内燃机工程，2011，32（4）：12-16

An Experimental Research on the Emission Control via the Combination of Oxygen-enriched combustion and EGR Technology for a Turbocharged Diesel Engine

Zhou Ming1,Shen Yinggang2,Zhu Wenxia2
1-Yunnan Vocational College of Mechanical and Electrical Technology(Kunming,Yunan,650203,China) 2-Faculty of Transportation Engineering,Kunming University of Science and Technology

In this paper,a new controlling means is presented by the combinations of oxygen-enriched combustion and EGR technology together,in order to solve contradiction of purification method for PM and NOx.Not only effective specific fuel consumption and maximum power output but also Smoke and NOxemission are to be studied by combinations of mutative intake oxygen concentration and different EGR rate on a turbocharged diesel engine,and a MAP picture of optimal combinations between intake oxygen concentration and EGR rate is gained by using MATLAB software.The results show that the combinations of oxygen-enriched combustion and EGR technology could simultaneously reduce Smoke and NOx,and preserve the power performance and fuel economy.

Diesel engine,Oxygen-enriched combustion,EGR,Control,Emission

U464.172

A

2095-8234（2016）06-0001-06

2016-09-25）

国家自然科学基金（51366007）。

周明（1969-），男，副教授，主要研究方向为汽车应用技术。

沈颖刚（1965-），男，教授，博士，主要研究方向为内燃机燃烧与排放控制。