EG R对混合燃料燃烧特性影响的试验研究

韦尧鹏，陈英杰

（广西大学机械工程学院，广西 南宁 530004）

Soot和NOx的trade-off关系在传统的内燃机燃烧方式上很难被消除。可以通过引入一部分废气再循环以降低缸内燃烧温度的新型燃烧方式来实现改善这种关系。废气再循环EGR（Exhaust Gas Recirculation）是实现柴油机低温燃烧的主要措施之一[1]，同时也是柴油机燃烧控制的主要参数。其效果是降低缸内温度的同时减少了氧气浓度，抑制了有利于产生NOx的高温缺氧环境的形成，是目前降低NOx排放的主要措施[2]。

本文主要系统研究EGR率（5%、10%、15%、20%、25%）对纯柴油（D100）、柴油/PODE3-4（DP20）、柴油/PODE3-4/正戊醇（DPPt20）三种不同混合燃料的燃烧和排放特性的影响。试验固定参数见表1.

表1 EG R率试验固定参数表

1 试验条件和方法

试验采用如图1所示的带有高压回路EGR系统的发动机台架。在发动机排气口与涡轮机之间引出废气，经过EGR阀和中冷器控制流速温度之后，与增压中冷后的新鲜充量混合均匀，最终进入气缸。EGR阀采用电机闭环调节模式，即ECU通过调节EGR阀的开度和VGT喷嘴流截面的倾斜度，达到改变废气流量的目的。此外，本次试验使用Horiba MEXA 7100DEGR分析仪测量进气歧管内的CO2浓度和发动机排气的CO2浓度，控制EGR率大小。

图1 发动机EG R系统示意图

2 试验设备

本次试验采用为一台2.0 L的四缸水冷带可变几何截面涡轮增压（VGT）的柴油机，装配电涡轮测功机、尾气排放测量系统和高压共轨燃油喷射系统。图2为本次试验所用发动机台架示意图。

图2 发动机台架示意图

3 试验结果和分析

图 3 （a）、（b）、（c） 分别 显 示了 D100、DP20、DPPt20的缸内平均压力和瞬时放热率随EGR率变化的关系。

图3 三种燃料缸压和放热率随EG R变化

缸内平均压力方面：从图中可以看出，随着EGR率的增大，三种燃料的缸内平均压力均呈现出下降趋势，峰值对应的曲轴转角均呈现出向后移动趋势；瞬时放热率方面：从图中可以看出，随着EGR率的增大，三种燃料的放热始点对应的曲轴转角均呈现出向后移动趋势，放热速率变慢，瞬时放热率峰值下降，峰值对应的曲轴转角均呈现出向后移动趋势。

主要原因是：一方面，增大EGR率，缸内混合气中的惰性气体所占比重增大，对燃烧的阻碍作用更加明显，从而减缓了燃烧速率；缸内混合气中废气比重增大导致三原子气体（CO2和H2O）含量增加，引起混合气的比热容增大，导致缸内温度下降；另一方面，随着EGR率的增大，缸内氧气浓度下降，抑制了燃料的燃烧。两方面的综合作用，导致缸内平均压力和瞬时放热率峰值下降，缸内平均压力峰值和瞬时放热率峰值对应的曲轴转角向后移动以及放热时刻延迟。

图4是当EGR为25%时三种燃料缸压和放热率对比图。从图中可以看出，与D100相比，DP20放热始点提前，缸内平均压力峰值和放热率峰值上升。这是因为，和D100相比，PODE3-4有更高的十六烷值、挥发性和更好的可燃性[3]，DP20的十六烷值比D100大，可燃性得到改善，放热始点提前，此时缸内温度较高，燃烧速率较大，引起缸内压力增大，放热率峰值增大。

图4 25%的EG R三种燃料缸压和放热率

在DP20中加入PODE3-4后，与DP20相比较，DPPt20的缸内平均压力峰值和放热率峰值都高于DP20，放热始点相对于DP20滞后。主要原因：DP20中加入正戊醇以后，由于正戊醇的十六烷值比柴油低[4]，蒸发潜热比柴油大，所以导致着火时刻延迟，从而燃油与空气混合的时间增加，形成更多的均匀混合气，预混燃烧的比例得到增大，引起燃烧速率增大，导致放热率峰值和缸内平均压力峰值增大。

4 结论

（1）提高EGR缸内平均压力均呈现出下降趋势，峰值对应的曲轴转角向后移，放热速率变慢，瞬时放热率峰值下降。

（2）增大EGR会使缸内过量空气系数减小，含氧量下降，过浓区域面积增大，燃烧温度逐步降低。

（3）EGR固定，DP20对比纯柴油，缸压峰值和放热率峰值有所上升；掺混正戊醇后的DPPt20，放热始点滞后，着火时刻延迟。