EGR率和进气温度耦合作用下的低温燃烧试验研究

杨欣欣， 石磊， 曲栓， 刘胜， 曹杰， 邓康耀， 杨震寰

(1. 上海交通大学机械与动力工程学院， 上海 200240; 2. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)



EGR率和进气温度耦合作用下的低温燃烧试验研究

杨欣欣1， 石磊1， 曲栓2， 刘胜2， 曹杰2， 邓康耀1， 杨震寰2

(1. 上海交通大学机械与动力工程学院， 上海 200240; 2. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)

基于冷热废气再循环(exhaust gas recirculation，EGR)双回路系统，通过进气温度与EGR率解耦控制，研究了EGR率和进气温度对柴油低温燃烧和排放的影响，并在低温燃烧负荷上限探索EGR率和进气温度耦合作用规律。研究结果表明，负荷上限时，进气温度升高对进气充量的稀释作用占主导地位，进气温度升高对燃烧起抑制作用。 EGR率和进气温度的耦合作用在负荷上限时体现在：低EGR率、高进气温度时，燃烧始点提前、燃烧持续期增大；高EGR率、低进气温度时，指示功增加，平均有效压力增大。EGR率升高，NOx排放量降低，进气温度升高，HC，CO排放量升高。

内燃机； 废气再循环； 进气温度； 燃烧； 排放

低温燃烧是一种高效清洁的燃烧技术，已经成为近年来内燃机领域的热门研究问题之一。废气再循环(EGR)与进气温度都是低温燃烧的重要边界条件，二者的控制往往耦合在一起。

EGR技术是将循环废气导入气缸，对进气进行稀释，可以降低缸内氧浓度，从而降低燃烧速率，直接对燃烧和排放产生影响；同时，采用EGR技术将大量较空气比热容高的三原子气体 (H2O，CO2)引入气缸，可以提高缸内工质的平均比热容，对燃烧温度的升高起到抑制作用，而EGR引入的惰性分子减缓了燃烧链式反应的速率，可以降低最高燃烧温度；若EGR引入气缸内的废气温度高于新鲜进气，那么EGR会对进气进行加热，进气温度升高将有利于柴油的蒸发混合 ，促进均质混合气的形成 ，同时预混压燃在温度较高时易于发生。废气再循环已成为控制低温燃烧的重要方法之一[1-4]。

对于基于两段喷射的低温燃烧，进气温度对燃烧和排放具有两方面影响：一方面，进气温度的提高会使进气充量的密度降低，对燃烧效率和平均有效压力的提高不利；另一方面，进气温度的提高有利于主喷射燃油的蒸发，有助于形成更多的均质混合气，而且高的缸内温度会对低温燃烧起到促进作用。在不同的负荷工况下，上述两个影响规律所占的比重也会改变，使得进气温度对低温燃烧的影响规律更加复杂[5-6]。

所以探究EGR率和进气温度的耦合作用对低温燃烧试验的影响具有非常重要的意义。许多学者对EGR率和进气温度对低温燃烧的影响对进行了大量研究。Yin B等[7]发现具有较高EGR率的延迟喷射策略可以同时降低NOx和炭烟。Zhao Wei等[8]通过改变EGR率和后喷射正时对改进的单缸柴油发动机进行了试验研究,研究表明，低EGR率下，峰值放热率逐渐增加，高EGR率下，峰值放热率逐渐降低。刘忠民等[9]通过建立燃烧室有限元模型，计算EGR率和进气温度对重油燃烧过程中NOx排放的影响，最终通过耦合EGR率和进气温度来控制NOx的排放。柴智刚等[10]在电控高压共轨柴油机上进行试验研究，发现EGR率的升高提高了进气比热容，降低缸内平均温度，从而降低了NOx排放，且在中小EGR率下，提高喷油压力加速了燃油和空气的混合程度，从而有效降低炭烟排放。胡松等[11]考虑了进气温度等5个参数，基于三韦伯方程建立了增压柴油机燃烧模型，计算出各燃烧参数，且分析比较了模型的优越性。张玉[12]通过对4100柴油机数值模拟发现：当进气温度低40 ℃时，发动机炭烟和NOx的排放会同时降低；在进气温度为20 ℃时，柴油机的排放性能最佳。天津大学的杨彬彬[13]通过试验发现：随着进气温度的提高，燃料活性增加，滞燃期逐渐缩短，但变化幅度较小；EGR 率为40%时，不同进气温度下的燃烧始点基本不变；随着进气温度的升高，新鲜进气量减少，缸内峰值压力下降。

本研究基于搭建的冷热EGR双回路试验台架，通过调节EGR阀及排气背压阀来控制EGR率和进气温度，研究了EGR率和进气温度对于燃烧性能和排放的影响，并且在低温燃烧负荷上限对EGR率和进气温度耦合作用的规律进行了探索。

1 试验台架及方案

本研究选用的是一台135单缸水冷式四冲程柴油机，在原有系统的基础上改造了高压共轨喷射系统，其原理示意见图1。试验中所使用的主要仪器有AVL五气分析仪、烟度分析仪、压电缸压传感器、FC2210油耗仪、数据采集卡、Kistler电荷放大器。

图1 试验发动机台架示意

2 EGR率对两段喷射低温燃烧的影响

本研究分别在固定发动机运行工况和固定喷油参数的条件下，探究EGR率的改变对低温燃烧和排放的影响。在本试验中为了使进气温度对燃烧和排放的影响足够小，关闭了热EGR阀，循环废气经过冷却EGR回路回流到气缸中，调节冷却EGR回路的冷却水量使得进气温度维持在(25±5) ℃。其他试验参数设置为转速1 200 r/min，首段喷射燃油比例80%，首段喷射提前角(以曲轴转角计)上止点后-60°，末段喷射提前角上止点后-20°，循环喷油量90 mg/cycle。

在定喷油参数和定工况的条件下，改变阀门开度即改变EGR率，试验选取9个阀门开度进行研究，对应的EGR率分别为0%，10%，22%，32%，41%，50%，56%，71%及82%。在该工况下，放热率、缸内压力随曲轴转角的变化见图2。

图2 1 200 r/min, Tin= 25 ℃时，不同EGR率下缸压、 放热率随曲轴转角的变化规律

由图2a可以看出，随着EGR率的增大，燃烧的缸压曲线向右下方移动，说明燃烧持续期延长，同时燃烧的最大压力降低。图2b中燃烧始点随EGR率增加而推迟，放热率峰值相位也随之推迟，EGR率大于41%时更加明显，说明两段燃油喷射的低温燃烧对EGR率的变化很敏感，控制EGR率能够有效控制燃烧相位，所以调节EGR率是优化低温燃烧的有效方法。

图3示出了EGR率对燃烧始点、燃烧持续期、平均有效压力(IMEP)和指示热效率(ηi)的影响。

由图3a可见，燃烧始点对EGR率的变化很敏感，随着EGR率的增加而推迟；燃烧持续期随着EGR率的增加而缩短，与传统燃烧方式(随EGR率的增加而延长)不同，燃烧持续期对EGR 率的变化不敏感，整个燃烧放热过程因滞燃期缩短而缩短，所以燃烧持续期也相应缩短。

由图3b可见，平均有效压力和ηi随EGR率的增加而增加，由于可以通过EGR率对燃烧持续期及燃烧相位进行控制，所以采用合适的EGR率可以有效地避免燃烧过早或过迟，从而提高平均有效压力和ηi。

图3 1 200 r/min, Tin= 25 ℃时，EGR率对燃烧始点、 燃烧持续期、平均有效压力和指示热效率的影响

图4示出了EGR率对NOx，CO和HC排放的影响情况。

图4 1 200 r/min, Tin= 25 ℃时,EGR率对NOx， CO和HC的影响

图4中，NOx的排放量随EGR率的增加而明显降低，CO的排放量随EGR率的增加而升高。这是因为燃烧温度随EGR率的增加而降低，而形成NOx及CO转化为CO2都需要高温、富氧。该工况为高负荷(循环喷油量为90 mg/cycle)工况, 缸内温度要比低负荷时高很多，所以NOx排放量也相对较高，在该工况下，为了满足NOx排放量少于100×10-6，需要将EGR率控制在40%以上。在EGR率低于40%时，CO的排放量增加很缓慢，高于40%后增加迅速，这与EGR率对温度的影响规律相符合。

同时可以看出，以EGR率40%为分界点，HC的排放量随EGR率的增加而先缓慢增多，后急剧增加，这是因为随着EGR率的增加，燃烧始点推迟，燃烧温度降低，引起气缸壁周围的边界层厚度增大，而气缸壁附近的边界层的低温混合油气很难燃烧，从而排气中的HC排放量增加。

3 负荷上限进气温度对两段喷射低温燃烧的影响

本研究通过调节冷热EGR阀的开度实现对进气温度的控制，同时利用了循环高温废气来加热新鲜空气。由试验可知，EGR率过小，可控温度范围较窄，EGR率过高燃烧不稳定，EGR率取50%时，进气温度可控制范围较大，为30～95 ℃之间。本研究以NOx排放大于100×10-6为负荷上限的判断标准，这样可以充分保证低温燃烧的低NOx排放优势。试验中将燃烧上限拓展到了循环油量90 mg/cycle，研究进气温度对燃烧和排放的影响。试验参数设置为EGR率50%，首段喷射燃油比例80%，首段喷射提前角上止点后-60°，末段喷射提前角上止点后-20°，转速1 000 r/min。

图5至图7分别示出了进气温度在负荷上限时对最大燃烧放热率、最高燃烧温度、燃烧始点及排放产物的影响。

图5 负荷上限，1 000 r/min， EGR率50%时,缸压和 最大燃烧放热率的变化规律

由图5a可以看出，随着进气温度的升高，燃烧的缸压曲线略微向下移动，说明燃烧的最大压力随进气温度的升高而略有降低。图5b中，负荷上限工况下，循环油量较大，缸内空燃比较小，进气温度的升高减少了新鲜空气充量，降低了氧浓度，对燃烧反应起到了一定的抑制作用，进气温度升高对进气量不利，最大燃烧放热率下降。

图6a中燃烧始点随着进气温度的提高而略有提前，但是变化的幅度较小。一方面，进气温度的提高促进了预混燃油的蒸发和混合，使燃烧放热始点有提前的趋势；另一方面，由于此时循环油量较大，缸内空燃比较低，而进气温度的升高减少了新鲜的空气充量，使得缸内氧浓度降低，对燃烧反应的发生起到了抑制作用，使燃烧放热始点有推迟的趋势。两方面因素对燃烧过程的综合作用使得燃烧始点随着进气温度的提高而略有提前。对于基于两段喷射的低温燃烧，其燃烧终点的位置受燃烧边界条件的影响不大。因而燃烧始点提前的同时，燃烧持续期也增大。

图6b中，平均有效压力和ηi随进气温度的增加而降低。在负荷上限，缸内喷油量大，缸内燃空比较大，不会对平均有效压力的提高起到抑制作用。

图6 负荷上限，1 000 r/min，EGR率50%时，进气温度对最高燃烧温度和燃烧始点的影响

由图7可见，NOx排放量很少，且随进气温度变化的幅度不大,这是因为本研究是基于两段喷射的预混燃烧，EGR率大，燃烧温度较低，可以避开生成NOx较多的高温区域。在负荷上限，随进气温度升高，新鲜充量会被稀释，氧浓度降低，燃烧温度也随之降低，CO，HC的排放量均随着进气温度的升高而增多。

图7 负荷上限，1 000 r/min，EGR率50%时，进气温度 对排放的影响

4 负荷上限时EGR率和进气温度的耦合作用规律

以NOx的排放大于100×10-6为负荷上限的判断标准。试验中将燃烧上限拓展到了循环油量90 mg/cycle。试验参数设置如下：EGR率分别取15%，30%，45%，60%，首段喷射燃油比例80%，首段喷射提前角上止点后-60°，末段喷射提前角上止点后-20°，转速1 000 r/min。

4.1 对燃烧的耦合作用规律

由图8可以看出，在负荷上限(循环喷油量为90 mg/cycle)时，随着EGR率的减小与进气温度升高，燃烧始点提前、燃烧持续期增大。这是因为缸内的氧浓度上升，燃油蒸发率增大，缸内均质混合气增多，缸内温度升高，这些因素对燃烧着火起到了有利的作用，故燃烧始点提前。基于两段喷射的低温燃烧的燃烧终点受边界条件的影响不大，故燃烧持续期增大。

图8 负荷上限，1 000 r/min ，EGR率和进气温度对燃烧 相位的耦合作用规律

由图9可见，在负荷上限，当EGR率升高、进气温度降低时，平均有效压力增大，发动机输出功率增高。进气温度的降低增加了进气密度，提高了进入气缸的新鲜充量，有利于平均有效压力的提高。而在大负荷下，由于缸内喷油量大，缸内燃空比较大，燃烧相位过于靠前，不利于平均有效压力的提高，EGR 率的提高可以有效推迟燃烧相位，使燃烧的指示功增加，平均有效压力提高。所以，提高EGR率可以有效推迟燃烧相位，增加指示功，提高平均有效压力。

图9 负荷上限，1 000 r/min ，EGR率和进气温度对 平均有效压力的耦合作用规律

4.2 对排放的耦合作用

由图10可见，在负荷上限时，NOx排放受EGR率影响很大，而受进气温度的影响较小。随着EGR率的提高，NOx排放量迅速降低，原因是提高EGR率可以明显降低燃烧温度，从而优化NOx排放。在此工况下，若要达到NOx排放在100×10-6以下，EGR率要在40%以上。HC和CO的排放量受进气温度和EGR率的共同影响，但主要受进气温度的影响；进气温度的升高和EGR率的增大，对新鲜充量的稀释作用明显，HC，CO等不完全燃烧产物排放量增多。由此可见，在负荷上限时， EGR率升高，缸内燃烧温度下降，氧浓度也下降，NOx排放量随之明显下降；进气温度升高使新鲜空气充量减少，导致HC，CO排放量增多。

图10 负荷上限，1 000 r/min ，EGR率和进气温度对排放 的耦合作用规律

5 结论

a) 对于两段喷射的低温燃烧，增大EGR率能够推迟燃烧始点，有效延长燃烧持续期；调节EGR率可以实现对燃烧相位的控制；定喷射参数的工况下调节EGR率来优化燃烧相位，可以提高平均有效压力，还能有效降低NOx的排放，但HC和CO的排放增加；

b) 负荷上限时，进气温度升高对进气充量的稀释作用占主导地位；随进气温度升高，燃烧相位小幅度提前，缸压和燃烧放热率下降，HC和CO排放增多；

c) 负荷上限时，在EGR率减小、进气温度升高的条件下，燃烧始点将提前、燃烧持续期增大；在进气温度降低、EGR率升高的条件下，平均有效压力将增大；EGR率和进气温度对排放的影响体现在，EGR率越高，NOx排放越低，而HC和CO的排放主要受进气温度的影响，进气温度升高，HC，CO排放量增多。

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[编辑： 姜晓博]

Experimental Research on Low Temperature Combustion under Coupled Effect of EGR Rate and Intake Temperature

YANG Xinxin1， SHI Lei1， QU Shuan2， LIU Sheng2， CAO Jie2， DENG Kangyao1, YANG Zhenhuan2

(1. School of Mechanical and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400， China)

Based on the hot and cold dual circuit EGR, the impacts of EGR rate and intake temperature on combustion performance and emissions and the coupled laws on EGR rate and intake temperature at the upper limit of low temperature combustion load were studied through decoupling of intake temperature and EGR rate. The results showed that the rise of intake temperature dominated in the dilution effect of intake charge at the upper load limit, but suppressed the combustion. The combustion timing advanced and the combustion duration increased at low EGR rate and high intake temperature and the indicated work and the mean effective pressure increased at high EGR rate and low intake temperature. In addition, the NOxemission decreased with the increase of EGR rate and the HC and CO emissions increased with the increase of intake temperature.

internal combustion engine； exhaust gas recirculation; intake temperature; combustion; emission

2016-12-18；

2017-05-10

国家自然科学基金(51576129)

杨欣欣(1991—)，男，硕士，主要研究方向为内燃机燃烧与性能仿真；1057024344@qq.com。

石磊(1977—)，男，副研究员，博士，主要研究方向为柴油机均质低温燃烧技术、柴油机增压与性能、内燃机测试与控制技术； shi_lei@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.03.002

TK421.5

B

1001-2222(2017)03-0008-06