排气再循环对燃用含氧燃料柴油机性能影响研究*

王伟超 韩继光 蒋超宇 单福磊 高胜松

（1-云南农业大学机电工程学院 云南 昆明 650201 2-云南机电职业技术学院3-沈阳理工大学环境与化学工程学院）

引言

在环境问题和能源危机背景下，世界各国的科研机构都在积极开发代用燃料。将生物柴油、乙醇和柴油按一定比例配制成的含氧燃料，与柴油的理化特性相似，可以直接在柴油机上应用[1]。

排气再循环技术可以有效地降低柴油机NO x排放[2-3]。为了综合研究含氧燃料和排气再循环技术之间的相互影响机制，国内外学者在此方面进行了诸多研究。研究结果表明：排气再循环技术与含氧燃料技术相结合，可以同时降低颗粒物和NO x排放[4-6]；当不改变发动机的结构和电控参数时，与燃用纯柴油相比，燃用含氧燃料发动机的动力性有所下降，经济性得到改善，碳烟排放量降低[7]。

在高原环境下，气压降低和空气密度减小，使发动机的进气压力降低，进气量减少，从而使发动机的经济性、动力性、可靠性以及排放情况都受到影响。研究结果表明，运行在高原地区的增压柴油机，采用排气再循环技术后，在柴油机的各个负荷区域，排气再循环率对排气中烟度均有较大影响。而且采用排气再循环会导致运行在不同海拔下的增压柴油机经济性以及烟度排放存在差异[8-9]。

综合分析已有的研究成果，含氧燃料结合排气再循环技术具有改善柴油机高原环境排放情况的潜力，但这方面的研究却不多。实验使用满足国Ⅳ排放标准的柴油机，在柴油机试验台架上，通过对进排气压力的控制，研究了高原环境和模拟平原环境下，排气再循环技术对燃用含氧燃料柴油机性能的影响[9]。研究结果是对解决柴油机在高原地区运行时的排放难题的积极探索，也对含氧燃料和排气再循环技术

在高原地区的应用有一定的参考意义。

1 材料与方法

1.1 试验设备

试验用发动机为某型车用增压中冷柴油机，其主要性能参数如表1所示。该发动机采用中冷EGR系统，满足国Ⅳ排放标准。测试设备包括AVL2SD3-25交流电力测功机、AVL燃烧分析仪、AVL415S烟度计、MEXA-7500DEGR废气分析仪等。

表1 试验用机型的主要参数

1.2 试验燃料

试验用含氧燃料由0号柴油、生物柴油和浓度99.5%的无水乙醇按一定比例配制而成，主要理化特性如表2所示。

表2 燃料主要理化特性

1.3 试验方法

试验环境为高原环境，大气压力81 kPa，环境温度25℃；模拟平原的环境压力为100 kPa。在试验中未对柴油机做任何改动，没有对试验数据做大气修正。在高原环境和模拟平原环境下，研究排气再循环系统对含氧燃料对柴油机性能的影响。

1.4 EGR系统

本试验采用高压回路EGR系统，废气从涡轮前的排气管引出，经过EGR冷却器和EGR阀与压缩后的混合气一起进入气缸。通过调节EGR阀的开度来控制EGR率。

图1为EGR系统示意图。EGR率的计算公式如下：

式中：（CO2）in为新鲜空气与EGR废气混合后的进气中CO2的体积分数，（CO2）ex为排气中CO2的体积分数。

图1 EGR系统示意图

2 结果与讨论

2.1 排气再循环系统对柴油机动力性和经济性的影响

图2是开启EGR阀前后的外特性对比图。可见，81 kPa下开启EGR后，与原机（关闭EGR）相比，低转速时动力性没有明显下降，中间转速降幅最大，达到16.5%，随转速升高降幅有所减少；100 kPa下，低转速时动力性下降的幅度较81kPa时大，中间转速降幅最大，达到18.5%，高转速时，动力性降幅也比81 kPa时大。分析认为：低转速时，柴油机过量空气系数较大，开启EGR对动力性影响不大，随转速上升，过量空气系数减小，开启EGR后，参与燃烧的新鲜空气变少，动力性下降。81 kPa下，进气压力较低同时向缸内引入废气，使参与燃烧的氧气量较100 kPa时少，含氧燃料由于其自身含氧，明显改善了缸内燃烧，使动力性下降幅度较100 kPa时小。

图2 不同EGR率的外特性对比图

图3是2 200 r/min的经济性对比曲线。可以看出：EGR系统与环境压力对柴油机有效燃油消耗率的影响较小。分析认为：试验工况为中高转速，不同负荷率，过量空气系数适中，而且含氧燃料由于自身含氧，可以改善燃烧，所以有效燃油消耗率曲线没有明显变化。

图3 不同EGR率的经济性对比图

2.2 EGR对不同大气压力下柴油机缸内燃烧过程分析

对于缸内燃烧过程的分析，试验工况均为2 200 r/min，25%负荷。图4是不同大气压力下的缸内压力变化曲线。可以看出，100 kPa下的气缸压力比81 kPa时高，EGR率增大后，气缸压力变小。最高气缸压力对应的曲轴转角无明显变化。分析认为：开启EGR后，缸内的新鲜空气量减少，导致燃烧缓慢，燃烧压力下降。

图4 缸内压力变化曲线

图5是不同大气压力下的燃烧瞬时放热率变化曲线，由于有预喷射，所以瞬时放热率曲线有两个峰值。81 kPa下，与原机相比，开启EGR后，始燃点有所推迟，峰值放热率降低，100 kPa下的变化规律与81 kPa下的变化规律相同。综合分析认为，增加EGR率后，缸内惰性气体增加，氧气浓度减少，含氧燃料自身含氧可以增加缸内氧原子浓度，综合作用使始燃点有所推迟，峰值放热率降低幅度较小[10-12]。

图5 瞬时放热率变化曲线

2.3 EGR对不同大气压力下柴油机排放特性的影响

对于柴油机排放特性的分析，试验工况为2 200 r/min下的不同负荷。图6是EGR系统对不同大气压力下NOx排放直方图影响。可以看出，开启EGR后，随负荷增加NOx排放量减少的幅度变大。分析认为，虽然含氧燃料自身含氧，增加了缸内氧原子的浓度，但开启EGR后，由于废气中的水蒸气和CO2的比热容较大，降低了缸内最高燃烧温度，破坏了NOx的生成条件，所以开启EGR后NOx排放量减少，当负荷率增大时，喷油量增加、过量空气系数减小，开启EGR后，从转矩下降的幅度也可看出燃烧严重恶化，不满足生成NOx的条件。

图6 2 200 r/min负荷特性NOx排放

图7是EGR系统对不同大气压力下碳烟排放影响的直方图，可以看出在中小负荷时，增加EGR率后碳烟无明显增加，在100%负荷时，碳烟排放明显恶化。分析认为：在中小负荷，由于含氧燃料在一定程度上解决了开启EGR后过量空气系数下降的问题，使燃烧不至于恶化，碳烟排放无明显上升。在100%负荷时，由于喷油量增加，所需要的氧气量增加，含氧燃料所提供的氧原子不能满足燃烧需求，因此碳烟排放明显增加。

图7 2 200 r/min负荷特性碳烟排放

3 结论

1）在外特性工况下，采用排气再循环后，转矩较原机有所下降，100 kPa比81 kPa的降低幅度大，随着转速增加，转矩降低幅度增加。

2）2 200 r/min的不同负荷下，排气再循环系统对柴油机经济性无显著影响。

3）采用排气再循环后，81 kPa时缸内燃烧压力下降，100 kPa下的变化趋势与81 kPa时相同；放热始点有所提前，瞬时放热率峰值下降，8 1kPa时与100 kPa时的下降幅度基本一致。

4）采用排气再循环后，NOx排放量降低，降低的幅度随发动机负荷的增加而增大，81 kPa时和100 kPa时的变化趋势基本一致；在部分负荷下，碳烟排放没有明显增加，在全负荷时，碳烟排放恶化，81 kPa下碳烟排放量高于100 kPa下的碳烟排放量。