EGR对柴油-天然气双燃料发动机稀燃的影响

朱赞， 潘玉萍， 杨升， 宛仕枨， 黄豪中

(1. 广西玉柴机器股份有限公司， 广西 玉林 537005； 2. 广西大学机械工程学院， 广西 南宁 530004)

EGR对柴油-天然气双燃料发动机稀燃的影响

朱赞1， 潘玉萍2， 杨升2， 宛仕枨2， 黄豪中2

(1. 广西玉柴机器股份有限公司， 广西 玉林 537005； 2. 广西大学机械工程学院， 广西 南宁 530004)

在一台由柴油机加装天然气供给系统改装而成的双燃料发动机上进行试验，分别研究了EGR率和过量空气系数(φa)随喷油提前角变化对双燃料发动机的影响。结果表明：当EGR率为0时，φa过大导致热效率降低。增大喷油提前角使着火提前，燃烧得以改善，最大压力升高率和最高燃烧压力提高，热值折合燃料消耗率降低。喷油提前角一定时，最大压力升高率、最高燃烧压力随EGR率的增大先升高后降低， 热值折合燃料消耗率先降低后升高，EGR率为20%时热值折合燃料消耗率达到最低值。采用EGR技术能有效降低NOx排放，但HC，CO，CH4和炭烟排放随着EGR率的增大而增大；增大喷油提前角使缸内柴油预混燃烧比例增加，HC，CO，CH4和炭烟排放降低。因此，采用EGR时应适当增加喷油提前角。

双燃料发动机； 废气再循环； 稀薄燃烧； 过量空气系数； 喷油提前角

柴油引燃预混天然气是指在双燃料模式下，天然气作为双燃料发动机的主要燃料与空气混合后进入燃烧室，活塞接近上止点时微量柴油经由喷油器喷入后自着火引燃混合气体。相比于传统柴油机，柴油引燃天然气双燃料发动机的氮氧化物(NOx)、颗粒物(PM)和二氧化碳(CO2)排放量有所降低[1-3]，但一氧化碳(CO)和总碳氢化合物(THC)的排放增加，而THC中大部分是未燃甲烷(MHC)[4]。因此，当务之急是进一步改善双燃料发动机的燃油经济性以及CO和MHC的排放。

自着火正时控制是HCCI双燃料发动机的研究重点之一，而通过废气再循环(EGR)和改变过量空气系数(φa)可以间接地控制燃烧相位和燃烧持续期。Fathi等[5]通过改变EGR率，研究天然气-柴油双燃料HCCI发动机在效率和排放上的最佳燃烧相位，研究显示，应用EGR之后，经济性提升，NOx排放降低，但HC和CO排放增加。Jafarmadar等[6]在一台天然气-柴油双燃料HCCI发动机上，保持柴油量不变，研究不同EGR率对燃烧的影响。结果表明：当EGR率从0%增加到30%时，效率从48.9%降低至28.7%，燃烧不完全；因氧浓度降低，混合燃料的累计热损失从10.1%降低至5.64%。Srinivasan[7]等研究了天然气-柴油双燃料发动机引入热EGR在低负荷时对燃烧稳定性的影响，结果表明，指示平均有效压力的循环变动率随着热EGR率的增加而降低，当喷油定时为60°BTDC时，循环变动由EGR率为0%时的30%降低至EGR率为21%时的5%。Wei[8]等在此基础上提出，虽然天然气-柴油双燃料发动机的有效压力和传统柴油机相比较高，有利于喷油的提前及火焰的传播，但是在低负荷时，需要提高进气温度或者引入热EGR来增强燃烧稳定性。林志强等[9]对柴油引燃式天然气发动机过量空气系数的浓限和稀限进行了研究，通过试验得出结论：天然气与空气混合的过量空气系数存在的最佳范围为1.4～2.0，超出该浓限，NOx排放将会超出排放法规的限制。宋建桐等[10]研究压缩天然气在柴油机上的应用，结果显示：不同转速下，随着过量空气系数的降低，功率增大，有效燃油消耗率降低，NOx增加，HC和CO的排放在φa>1.6时增加，而在φa<1.6时减少。余小草等[11]在天然气发动机上研究3种不同稀释方式对NOx排放的影响，结果表明：采用空气与EGR双重稀释的方式能够有效拓展天然气发动机的稀释极限，并且在经济性保持不变的情况下大幅降低NOx排放，最大降幅为48%。

双燃料发动机与传统柴油机相比，保留了较好的经济性和动力性，排放性也有所改善，兼具DIESEL和OTTO循环燃烧的特点，但是燃烧过程较为复杂[12-14]。目前，对于双燃料发动机燃烧过程的研究较少，而EGR和φa对双燃料发动机燃烧排放的影响非常重要，因此，本研究从折合热效率、折合燃料消耗率、排温、压力升高率、最高燃烧压力以及NOx，HC，CO和CH4比排放量等方面分析低负荷下EGR和φa对双燃料发动机的影响，并探究随喷油提前角的变化，二者对燃烧及排放的影响规律。

1 试验装置及试验方法

试验采用6缸增压中冷柴油机，型式为立式、直列、水冷、四冲程，在原机上加装天然气供给系统，在燃油供给不变的情况下设计天然气管路，并对ECU进行匹配设计，使得天然气进气能够准确控制。发动机主要性能参数见表1。

表1 柴油机主要参数

双燃料发动机首先以纯柴油的模式起动，此时总开关阀处于断开状态，天然气中断，当柴油压缩着火后，天然气开始通入，与空气混合后进入气缸燃烧。引燃柴油由原机ECU进行控制，天然气进气量由天然气供给系统进行控制。试验装置及测量仪器见图1。

1—空气流量计；2—空气滤清器； 3—增压器； 4—EGR阀； 5—中冷器； 6—电子节气门； 7—混合器； 8—双燃料发动机； 9—水温传感器； 10—氧传感器；11—缸压传感器； 12—电荷放大器； 13—油轨总成； 14—油泵； 15—滤清器； 16—油箱； 17—ECU； 18—测功机； 19—计算机； 20—Horiba MEXA-7100DEGR排放分析仪； 21—AVL 415SE烟度计； 22—CNG气罐； 23—高压电磁阀； 24—高压减压器； 25—低压滤清器； 26—气轨总成图1 双燃料发动机试验装置

试验采用外部EGR，EGR率通过调节EGR阀来控制。由于引入的废气温度较高，通过中冷器对其降温，同时预热新鲜空气。EGR率通过测量进气中CO2体积分数与排气中CO2体积分数来计算，计算公式如下：

(1)

式中：φint为进气中CO2的体积分数；φexh为排气中CO2的体积分数。

为了更好地比较双燃料发动机和传统柴油机的燃油消耗率和热效率，本研究引入折合燃料消耗率和折合热效率的概念，通过能量转化折合成纯柴油时的消耗量和热效率。

折合燃烧消耗量mdual：

(2)

热值折合燃料消耗率bdual：

(3)

式中：mdual，mdiesel，mCNG分别为双燃料、柴油和天然气的消耗量；HuCNG和Hudiesel分别为天然气和柴油的低热值，HuCNG/Hudiesel=1.15。

此外，过量空气系数φa定义如下：

(4)

式中：mair是空气质量流量；ldiesel和lCNG分别是柴油和天然气的化学计量空燃比。

试验时，在转速为1 720 r/min、扭矩为370 N·m(相当于33%的负荷)、柴油引燃量为0.178 g/cyc的条件下，进行喷油提前角、EGR率和φa对双燃料发动机燃烧和排放的影响的分析研究。其中，喷油提前角在5°～22°BTDC范围内变化，φa在EGR率为0时取1.6和1.95， EGR率在φa为1.3时分别取10%，20%，30%，40%进行研究。

2 试验结果与讨论

2.1 EGR率和φa对双燃料发动机燃烧特性的影响

图2示出了EGR率和φa对双燃料发动机热值折合燃料消耗率的影响。由图可以看出，当EGR率为0时，φa越大，热值折合燃料消耗率越大。这是因为在小负荷工况下，φa较大时缸内混合气较稀，引燃柴油点燃预混合气后无法形成正常的火焰传播，且天然气的火焰传播速率较低，导致不完全燃烧。为保证输出功率，必须增大天然气的喷气量，因而热值折合燃料消耗率较高。随着喷油提前角的增大，混合质量变好，着火时间提前，燃烧得以改善，故热值折合燃料消耗率下降。由图可见，随着EGR率的增大，热值折合燃料消耗率先降低后升高，在EGR率为20%时达到最小值。这是由于EGR率的增大使缸内废气增加，需要增大节气门开度以保证缸内空气量不变，增大节气门开度能够有效降低泵气损失，同时，EGR率增大导致循环变动增大，燃烧稳定性下降，综合以上两方面影响可得出，存在一个最优EGR率使热值折合燃料消耗率最低。当EGR率过高时，混合气氧浓度减小，燃烧温度降低，导致燃烧不完全，热值折合燃料消耗率增大。

图2 EGR率和φa对热值折合燃料消耗率的影响

图3与图4分别示出了EGR率和φa对双燃料发动机最大压力升高率和最高燃烧压力的影响。由图可知，EGR率和φa对双燃料发动机的燃烧有着重要影响。从图中可以看出，最高燃烧压力的变化趋势与最大压力升高率的变化趋势大致相同。当EGR率为0时，φa越大，最大压力升高率越小，最高燃烧压力也越小。这是因为φa较大时，混合气较稀，燃烧速率降低，最大压力升高率和最高燃烧压力随之降低。随着喷油提前角的增大，柴油着火滞燃期延长，缸内柴油预混燃烧比例增加，因而最大压力升高率和最高燃烧压力均呈上升趋势。喷油提前角较小时，不同EGR率的最大压力升高率差距较大，随着喷油提前角的增大，这一差距逐渐减小。当喷油提前角一定时，随EGR率增大，最大压力升高率和最高燃烧压力先升高后降低，在20%时达到最大值。这是因为EGR率较小时，θCA50对应的曲轴转角逐渐靠近上止点，当EGR率为20%时，对应的曲轴转角在上止点附近，最大压力升高率和最高燃烧压力最高。随着EGR率的增大，缸内的CO2，N2等高比热容气体浓度增大，氧浓度减小，燃烧速度变慢，放热率下降，θCA50对应的曲轴转角逐渐靠后，最大压力升高率和最高燃烧压力降低。

图3 不同EGR率和φa下的最大压力升高率

图4 不同EGR率和φa下的最高燃烧压力

2.2 EGR率和φa对双燃料发动机排放特性的影响

图5示出了EGR率和φa对双燃料发动机NOx比排放量的影响。由图可以看出，EGR率为0时，φa越大，NOx比排放量越低；随着喷油提前角的增大，NOx比排放量增大。这是因为随着φa增大，缸内混合气变稀，燃烧温度降低，不利于NOx生成，因此NOx比排放量降低。增大喷油提前角将延长燃气在高温中滞留的时间，同时，缸内燃烧温度升高，两者共同作用导致NOx的比排放量进一步增加。当增大EGR率时，EGR的稀释作用和高比热容导致缸内氧浓度减少，燃烧温度降低，NOx比排放量急剧减小，但是随着喷油提前角的增大逐渐增大。

图5 不同EGR率和φa下的NOx比排放量

图6至图8分别示出了EGR率和φa对双燃料发动机HC，CO和CH4比排放量的影响。由图可知，双燃料发动机HC，CO和CH4比排放量的趋势大致相同。在EGR为0时，φa越大，HC，CO和CH4比排放量也越大。随着喷油提前角的增大，HC，CO和CH4比排放量逐渐减小。当喷油提前角一定时，EGR率越大，HC，CO和CH4比排放量也越大。EGR率一定时，随着喷油提前角的增加，HC，CO和CH4比排放量均呈下降趋势。这是因为随着φa增大，缸内混合气变稀，燃烧不充分使得HC的生成量大幅上升。增大喷油提前角能够使燃烧提前、混合气燃烧更充分，HC，CO和CH4比排放量减少。EGR率增大时，废气相对过多会使得火焰中心形成与火焰传播受阻，同时缸内燃烧温度低，致使HC和CO排放量增大。EGR率增大，则着火滞燃期延长，燃烧温度下降，混合气燃烧不充分，使得CH4的排放增多。

图6 不同EGR率和φa下的HC比排放量

图7 不同EGR率和φa下的CO比排放量

图8 不同EGR率和φa下的CH4比排放量

图9示出了EGR率和φa对双燃料发动机烟度的影响。可以看出，EGR率为0，φa为1.6和1.95时，烟度大致相同，约为0.05 FSN。当喷油提前角一定时，随着EGR率的增大，烟度值增大；随着喷油提前角的增大，烟度值呈下降趋势。柴油机排放的颗粒是燃料在高温缺氧的环境下经过裂解脱氢后的产物，在燃烧过程中非均相燃烧形成碳核，随着EGR率增大，混合气中氧气浓度减小，高温缺氧条件下导致炭烟生成量增多，烟度值升高。当有EGR时，增加喷油提前角可以降低炭烟排放。

图9 不同EGR率和φa下的烟度

3 结论

a) 当EGR率为0时，随φa的增大，热值折合燃料消耗率增大，最大压力升高率和最高燃烧压力减小，NOx比排放量减少，而HC，CO和CH4比排放量增加，炭烟排放变化不大；

b) EGR率一定时，随喷油提前角的增大，热值折合燃料消耗率降低，最大压力升高率和最高燃烧压力升高，NOx比排放量增大，HC，CO和CH4比排放量和炭烟排放减小；

c) 喷油提前角一定时，随EGR率的增大，最大压力升高率和最高燃烧压力先升高后降低，热值折合燃料消耗率先降低后升高，NOx比排放量减小，HC，CO和CH4比排放量和炭烟排放增大；喷油提前角较小，EGR率为20%时，最大压力升高率和最高燃烧压力最大，热值折合燃料消耗率最小；

d) 采用EGR技术可以有效降低柴油-天然气双燃料发动机的NOx排放，但会带来HC，CO和CH4排放的增加；试验表明，采用EGR时，在发动机许用压力范围内，应适当增大喷油提前角，以达到同时降低NOx，HC，CO，CH4和炭烟排放的目的。

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[编辑： 姜晓博]

Effects of EGR on Lean Burn of Diesel-natural Gas Dual Fuel Engine

ZHU Zan1, PAN Yuping2, YANG Sheng2, WAN Shicheng2, HUANG Haozhong2

(1. Guangxi Yuchai Machinery Co., Ltd., Yulin 537005, China;2. College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

The changes of EGR rate and excess air coefficient with injection advance angle were researched on a retrofitted dual fuel engine by mounting the natural gas system to diesel engine. The results show that the large excess air coefficient will lead to the low heat efficiency when the EGR rate is zero. The increasing of injection advance angle can advance the ignition, improve the combustion, raise the maximum pressure rise rate and the maximum combustion pressure and drop the fuel consumption equivalent to calorific value. For a constant injection advance angle, the maximum pressure rise rate and the maximum combustion pressure first increase and then decrease and the fuel consumption equivalent to calorie value changes conversely with the increase of EGR rate. The equivalent fuel consumption reaches the minimum value when the EGR rate is 20%. EGR can reduce NOxemission effectively, but will increase HC, CO, CH4and soot emission. Increasing the injection advance angle can increase the proportion of in-cylinder premixed combustion and thereby reduce those four emissions. Accordingly, increasing the injection advance angle should be considered when using EGR.

duel fuel engine; EGR; lean burn； excess air coefficient; injection advance angle

2016-07-18；

2016-11-09

广西科学研究与技术开发计划(桂科攻1598007-44)；广西自然科学基金资助项目(2014GXNSFGA118005)

朱赞(1984—)，男，博士，主要研究方向为天然气发动机燃烧与排放控制；dieselzhu@163.com。

黄豪中(1976—)，男，教授，博士，主要研究方向为发动机燃烧与排放控制；hhz421@gxu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.009

TK421.5

B

1001-2222(2017)01-0049-05