EGR和稀燃对甲醇发动机燃烧及排放特性的影响

孟雨航,孙楠楠,张明泽,贾德民,张海燕,朱建军

(1.太原理工大学机械与运载工程学院,山西 太原 030024;2.潍柴动力股份有限公司,山东 潍坊 261061)

在世界范围内,随着汽车保有量的飞速增长,化石能源消耗不断增加并引发了一系列环境问题,因此有必要避免高度依赖化石燃料作为交通运输的主要能源;此外,在未来相当长的时间内内燃机作为汽车动力仍占据支配地位[1],开发利用替代燃料及高效燃烧技术是发展趋势。甲醇由于其高辛烷值和汽化潜热而具有优异的燃烧和排放特性[2-3],易于合成和广泛的原料来源使其成为了长期广泛替代石油基燃料的最佳选择之一[4-5],对“双碳”目标的实现具有重要的意义。

相较于价格昂贵且技术较为复杂的选择性催化还原(SCR)+氧化催化器(DOC)的技术路线,当量燃烧+三效催化转换器(TWC)的技术方案由于可以获得更经济的减排效益而被广泛应用。但当量燃烧的废气温度较高,尤其是本研究的大功率甲醇发动机主要应用于长途行驶的重型货车和牵引车,所以发动机热负荷耐久性问题尤为重要。对于当量燃烧热负荷耐久性和热效率较低的问题,EGR能够对此进行很好的改善。李小平等[6]以一台基于柴油机改制的进气道喷射点燃式甲醇发动机为试验对象,研究了推迟点火、废气再循环(EGR)及过稀混合气3种策略对稀燃甲醇发动机燃烧和NOx排放的影响。结果表明:EGR策略有相对较佳的甲醇消耗率be-NOx折中关系,在保证甲醇消耗率变化不大的情况下,可实现NOx接近零排放。

稀薄燃烧可以同时获得更高的热效率、更长的耐久性和较低的NOx排放,但燃烧稳定性比当量燃烧差。Xingbo Yuan等[7]在一台4缸稀燃汽油机上进行了不同空燃比的试验研究,结果表明:稀燃提高了燃料经济性并降低了HC和CO排放,然而过量的氧气和较高的燃烧温度显著地增加了NOx排放。在稀燃模式下,三效催化转换器(TWC)不能有效地去除富氧废气中的NOx排放。因此,在不使用昂贵的后处理系统的情况下,仅使用稀燃很难满足NOx的排放法规[8]。

目前,关于稀燃和EGR对发动机燃烧和排放特性的影响研究虽然较为详细,但仅限于单独研究,没有将它们进行相互比较,哪种稀释方案在提高发动机性能方面更为优越,目前还没有很完善的结论。有些研究人员对此进行了一些研究。Park等[9]对一台6缸H2-混合型压缩天然气发动机进行了两种稀释策略的研究,结果表明:与稀薄燃烧相比,EGR燃烧热效率较低;随着稀释率的增加NOx排放下降速度减慢,在稀燃条件下,NOx排放最低。Lee等[10]对一台LCG自然吸气式火花点火发动机进行了研究,结果表明:在低稀释率条件下,EGR和稀薄燃烧放热规律相似,但在高稀释率下稀薄燃烧的放热强度和放热峰值更高。赵立峰等[11]通过一台涡轮增压直喷发动机研究发现,化学计量比混合气下EGR对燃烧持续期和循环变动率的影响比过量空气稀释更为显著,复合稀释热效率与过量空气稀释条件下的热效率接近,NOx排放大幅度降低。

然而目前在此研究方向上,关于甲醇发动机的EGR和稀薄燃烧策略比较还没有进行深入的研究。因此,本试验基于一台大功率M100甲醇发动机,在相同稀释率下比较了两种稀释策略对发动机燃烧和排放特性的影响,并在此基础上研究EGR和过量空气复合稀释相较于单独稀释的优劣。在使用稀释策略来降低NOx排放的同时,仍然使得甲醇发动机保持相当的动力性和燃油经济性。

1 试验装置及方法

1.1 甲醇发动机主要参数

在本次试验中,以一台点燃式大功率M100甲醇发动机为试验对象,其主要应用于49 t及以上的重型卡车及牵引车上,发动机主要技术参数如表1所示。

表1 甲醇发动机主要参数

1.2 台架布置及试验设备

试验台架布置如图1所示。发动机与电力测功机(诚邦DL435)相连接,用来调整每组试验的发动机转速与负荷。发动机进气流量和油耗量分别由空气流量计(上海同圆ToCeiL-20N150)和瞬态油耗仪(EMERSON)进行实时监测。发动机尾气排放中的CO、HC、NOx、MEOH、HCHO由尾气排放分析仪(AVL SESAM I60 FT)进行测量。过量空气系数是实际供给燃料燃烧空气量与理论空气量之比,用安装在涡后排气管上的宽域氧传感器(Bosch LSU 4.2)和λ分析仪(INNOVATE 3807 LM-2)进行实时监测获得。EGR是通过进气歧管和排气歧管之间的压力差来将废气引入进气歧管中的,本试验选用高压EGR回路。将缸压传感器(Kistler 6052)、光电传感器(Kistler 2619)和进、排气压力传感器(Kistler 4007、4049)分别接入到燃烧分析仪(Kistler Type 2893B121)中,用来实时监测并记录甲醇发动机运行过程的燃烧情况。

图1 发动机台架布置示意

1.3 试验方法及参数定义

结合国六排放法规中WHTC循环测功机规范设定及大功率甲醇发动机所应用车辆的实际行驶情况,本试验测试发动机保持在转速1 300 r/min和50%最大发动机负荷(1 000 N·m)下运行。将点火提前角分别调整为各工况下最大制动扭矩(MBT)点火正时。最大制动扭矩(MBT)是使用最佳点火正时获取内燃机的最大功率和效率。最大EGR率和过量空气系数受到发动机燃烧稳定性的限制,该试验的稀释范围由发动机实际运行情况而定。

在研究中,EGR率用进气和排气中的相对CO2浓度来表示,计算公式如下:

(1)

式中:[CO2]man为进气中CO2体积分数;[CO2]exh为排气中CO2体积分数;[CO2]bkg为环境中CO2体积分数。

如果用EGR率和过量空气系数来衡量两种稀释策略的稀释程度,将很难比较这两种策略下相同稀释率对发动机性能、燃烧和排放特性的影响。因此,引入稀释率[9]用来统一EGR和过量空气稀释时的稀释水平。稀释率的计算公式为

(2)

每个工况测试点由燃烧分析仪连续采集并记录300个循环的数据,经过Kistler专用数据处理软件CDA 1.0.8进行数据处理,保证试验数据的可靠性。

如图2所示,各过量空气系数都有其相对应的稀释率。过量空气系数为1.6时所对应的稀释率34.2%与EGR阀全开的最大EGR率相接近,故本试验过量空气系数最大取1.6较为合适。

图2 稀薄燃烧中不同过量空气系数对应的稀释率

2 试验结果及讨论

2.1 EGR和稀燃对燃烧特性的影响

如图3a所示,随着稀释率的增加,两种稀释策略的MBT点火正时均有所提前,且EGR稀释下MBT点火正时变化幅度更大。

图3 EGR和稀燃策略对MBT点火正时和循环变动率的影响

由图3b中可以看出,在两种稀释策略下,随着稀释率的增加,循环变动率均有所增加,燃烧变得不稳定。稀燃策略下的循环变动率上升幅度相较于EGR稀释策略的上升幅度要小,即在相同稀释率下,EGR稀释时的燃烧稳定性要略差于稀薄燃烧时的燃烧稳定性。这是由于EGR稀释时,引入混合气的EGR废气中含有大量的惰性气体,且O2含量极低(测得尾气中O2体积分数仅为4×10-6),这使得混合气整体的氧含量降低,同时惰性气体、H2O、CO2比例的增加阻碍了燃料和氧气之间的接触。除此之外,EGR的热容效应导致缸内燃烧温度降低,燃烧反应速率降低,火焰传播速度降低,循环变动率增加。而当过量空气稀释时,由于通入的是新鲜空气,混合气中的氧含量基本保持在一个恒定的水平,甚至略微上升,这对燃烧反应的影响相对较小。故在相同的稀释率下,EGR稀释比过量空气稀释拥有更大的MBT点火正时和更大的循环变动率,这与Lee在LCG发动机上所测得的规律一致[10]。

图4示出了在MBT点火正时下稀释率对缸压的影响。由图中可知,随着稀释率的增加,两种稀释策略的峰值缸压均增大,且缸压峰值所对应的曲轴转角逐渐靠近上止点。但当EGR率为34.2%时,缸压峰值却有所下降,且其所对应的曲轴转角也有所延迟。将图4a和图4b对比可得知,当稀释率低于20.6%时,此时EGR和稀燃策略下的缸压曲线较为接近。但是当稀释率大于25.7%时,此时在相同的稀释率下,稀燃策略比EGR稀释策略获得了更大的缸压。这是由于此时稀释率较大,EGR稀释时通入了大量的惰性气体,氧气含量大幅度下降,混合气比热值增大,影响缸内的燃烧温度和速率,导致在相同的高稀释率下,稀燃策略能比EGR稀释拥有更大的缸压。

图4 EGR和稀燃策略对缸压的影响

如图5所示,随着稀释率的增加,EGR和稀燃两种稀释策略的燃烧持续期均呈现增加的趋势,且EGR稀释对燃烧持续期的影响大于稀燃,这主要是由于过量空气稀释相较于EGR稀释混合气比热容较低且O2含量较高。EGR稀释和过量空气稀释下随着稀释率的增加燃油消耗率均有所下降,有效热效率呈现上升的趋势,当稀释率为34.2%时,稀燃策略下有效热效率高达42.82%,同时燃油消耗率低至449.5 g/(kW·h)。这主要由两方面因素导致:其一,当稀释率增大时,MBT点火正时均提前,而适当增大点火提前角可以使得燃烧加热过程更加接近上止点,获得较高的等容度,燃烧过程也更接近于定容,且在膨胀行程气缸壁面的传热损失降低,故热效率提升,燃油消耗率降低;其二,随着稀释率增大,为了维持等扭矩,节气门开度增大,使得泵气损失降低,提高了热效率。将两种稀释策略在相同稀释率下进行比较,可知稀燃策略在燃油消耗率和有效热效率上均优于EGR稀释策略。

图5 EGR和稀燃策略对燃烧持续期、燃油消耗率和有效热效率的影响

2.2 EGR和稀燃对排放特性的影响

由图6a可以看出,EGR稀释时,HC排放随着EGR稀释率的增加呈现上升的趋势。过量空气稀释时,当过量空气系数在1.0～1.3时,HC排放变化不大,这主要是由于HC的氧化能力随着过量空气的增大而增大,使得HC排放量较为稳定。但是当过量空气系数大于1.4时,此时稀释率较大,HC排放主要受稀释所带来的缸内温度降低、燃烧速度变慢的影响,而过量空气对HC的氧化作用影响较小,所以HC排放开始显著增加。

图6 EGR和稀燃策略在不同稀释率下对常规排放的影响

图6b示出了两种稀释策略对CO排放的影响。在EGR稀释下,CO排放呈现缓慢降低的趋势,在较高的EGR稀释率下,CO排放有所上升。在稀燃策略下,CO排放降低的幅度远远大于EGR稀释,当过量空气稀释过大时,CO排放略微上升。这是由于CO是不完全燃烧产生的中间产物。稀燃时,混合气中O2体积分数较大,有利于CO在燃烧后期的氧化,但当过量空气系数过大时,CO氧化能力提升有限,同时燃烧速率变慢,导致CO排放略微上升,但上升幅度较小。

如图6c所示,随着EGR稀释率的增大,由于较低的缸内温度和氧气体积分数的降低,抑制了NOx的生成,NOx排放降低幅度十分显著,最大降低幅度高达98.34%。在相同的稀释率下,EGR稀释策略下NOx排放远远低于稀燃策略下的排放。在稀燃时,随着稀释率的增加,NOx排放呈现先增大后减小的趋势。这是由于随着过量空气系数的增加,O2含量增加,在低稀释率时富氧对NOx的影响占主体地位,但当稀释率继续增大时,缸内温度下降,此时温度成为影响NOx生成的主导因素,故NOx排放降低。这与Lee在LCG发动机和天然气发动机中的研究结果保持一致[10]。

目前,国六排放法规并没有规定未燃甲醇和甲醛的排放限值,但甲醇汽车要按照《八部门关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》和《甲醇燃料汽车非常规污染物排放测量方法》的要求进行“甲醇、甲醛排放”检验项目测试,指导意见给出的排放限值为20 mg/(kW·h)[12]。故对未燃甲醇和甲醛的排放进行研究具有一定的实际意义。

由图7a可知,在EGR稀释策略下,随着稀释率的增加,未燃甲醇呈现上升的趋势。这是由于提高EGR稀释率降低了燃烧过程中的温度,不利于甲醇的完全燃烧,故增加了未燃甲醇的排放。而稀燃时,未燃甲醇呈现先减小后增大的趋势。这是由于当过量空气系数为1.1时,此时氧含量较为充足,燃烧效率较好,未燃甲醇排放较低。当稀释率继续增大时,此时虽然氧气仍较为充足,但是燃烧温度的下降成为主导因素,故未燃甲醇排放增加。

图7 EGR和稀燃策略在不同稀释率下对非常规排放的影响

2.3 EGR和过量空气复合稀释对燃烧特性的影响

在发动机转速为1 300 r/min,扭矩为1 000 N·m的工况下,研究不同过量空气系数,不同EGR率,MBT点火正时下复合稀释、EGR稀释及过量空气稀释三种稀释方式对发动机燃烧特性的影响。

图8示出了复合稀释对缸压的影响。在过量空气系数为1.1和1.2的条件下,峰值缸压均随着EGR率的增大呈现先增大后减小的趋势,且其所对应的相位轻微前移,靠近上止点。当过量空气系数为1.3时,随着EGR率的增大,峰值缸压呈现减小的趋势,其所对应的相位变化较小。这是由于在复合稀释率较低的时候增加EGR率,其所对应的MBT点火正时会显著增大(见图9),缸压是燃料燃烧放热的累积体现,点火提前角增大使得燃料燃烧得更早,因而放热累计量更高,峰值缸压上升。但当EGR率继续增大时,此时复合稀释的稀释率较高,大量废气代替了部分新鲜空气,氧气含量下降;同时由于EGR的热容效应,缸内温度下降,燃烧化学反应受到抑制,峰值缸压下降[14]。过量空气系数为1.1和1.2时,此时复合稀释率较低,EGR和过量空气共同的稀释作用对相位影响较小,而MBT点火正时相对增加较大,故峰值缸压所对应的相位有所提前。当过量空气系数为1.3时,此时复合稀释率较大,其所对应的相位在稀释作用及MBT点火正时增大的共同作用下基本保持不变。

图8 复合稀释对缸压的影响

图9 复合稀释下的MBT点火正时

图10a示出了复合稀释对循环变动率(COVIMEP)的影响,利用循环变动率来评价发动机的燃烧稳定性。由图中可知,当过量空气系数为1.1和1.2,EGR率<14.8%时,循环变动率较小,此时发动机有较好的燃烧稳定性;当EGR率>14.8%时,循环变动率增大较为明显。过量空气系数为1.3时,循环变动率随着EGR率的增大显著增大,循环变动率最高达3.4%,略微超过稳定燃烧标准的界限值(3%),但仍在汽油机允许的5%波动范围之内[15]。燃烧中的循环波动主要是由不稳定的湍流引起的,缩短燃烧持续时间可以减小燃烧过程受到的湍流影响[16]。

图10 复合稀释对发动机燃烧和性能的影响

由图10b和图10c可以看出,当过量空气系数为1.1和1.2时,有效热效率随着EGR率的增加呈现上升的趋势,增加了约2%,燃油消耗率呈现下降的趋势。但当过量空气系数为1.3时,随着EGR率的增加,有效热效率呈现先增大后减小的趋势,燃油消耗率则相反。当过量空气系数为1.3,EGR率为14.8%时,有效热效率达到峰值,高达43.1%,与有效热效率最低时相比增长幅度为8.15%。这是由于随着高热容EGR气体的引入,缸内温度降低,泵气损失减少,燃烧室壁面的热损失减少,所以有效热效率上升。但当过量空气系数为1.3时,再加入较大的EGR稀释,此时复合稀释导致稀释程度过大,发动机循环波动率较大,随着循环波动的加剧,燃烧不正常,甚至失火的循环逐渐增多,热效率也会产生相同幅度的损失。复合稀释与过量空气、EGR单独稀释一样,对甲醇发动机热效率的提升效果显著,且相对于单独稀释有效热效率有了进一步提升。

图10d示出了复合稀释对燃烧持续期的影响。由图中可知,相较于当量燃烧EGR稀释,复合稀释时的燃烧持续期较短,且随着过量空气系数的增大呈现变大的趋势,但整体仍低于当量燃烧时的燃烧持续期。这是由于加入空气稀释时,混合气中的氧气含量变大,有利于加快燃烧化学反应速率,缩短燃烧持续期。但当氧气含量到达一定程度时,其对燃烧速率影响程度会变小。且此时在空气/燃料混合物中加入较多的稀释剂会降低层流燃烧速度和早期阶段的火焰增长率[17],而燃烧持续期的差异主要是由于较慢的火焰传播速度引起的。

综上所述,复合稀释相较于EGR单独稀释和过量空气单独稀释,只要选取合适的过量空气系数及EGR率,在发动机燃烧稳定的工况下,与其他两种稀释策略相比,可以拥有更低的燃油消耗率及更高的有效热效率。

2.4 EGR和过量空气复合稀释对排放特性的影响

如图11a所示,在不同的过量空气系数下,HC排放随着EGR率的增大都呈现上升的趋势。与EGR单独稀释相比,对于EGR率<14.8%的复合稀释,HC排放均有一定程度的改善。当EGR率为20.8%时,过量空气系数为1.1时复合稀释的HC排放仍低于EGR稀释,但过量空气系数为1.2或1.3时复合稀释的HC排放高于EGR单独稀释时的HC排放。这是由于复合稀释的稀释程度较小时,混合气中氧浓度较高,有利于HC的氧化,此时氧浓度对HC排放的抑制作用占主导地位,因此HC排放较低。但是当复合稀释的稀释程度过高时,EGR废气引入了CO2和其他多原子分子(如H2O),吸收了更多的热量[18],在和过量空气的共同作用下,降低了燃烧室壁面的温度,冷却层变厚,壁面淬熄效应更加严重,这就使得HC排放有所恶化。

图11 复合稀释对常规排放的影响

如图11b所示,EGR单独稀释时,CO排放随着EGR率的增大有所改善。当加入过量空气稀释变成复合稀释时,发动机CO排放显著降低,最大降低幅度高达80.3%。上述现象证明了CO的排放主要受过量空气稀释的影响。

图11c示出了不同稀释工况对NOx排放的影响。当采用EGR率为20.6%、过量空气系数为1.3的复合稀释时,NOx排放量从未稀释时的2 540.13×10-6降低到了76.39×10-6,降低幅度高达97%,复合稀释拥有更好的抑制NOx排放的效果。虽然EGR的热机制和稀释机制导致缸内燃烧温度和氧含量比过量空气稀释时低[19],但空气稀释也起一定的作用,在EGR和空气稀释共同作用下,缸内燃烧温度更低,从而在抑制和降低NOx排放方面相较于EGR单独稀释效果更为显著。

如图12a所示,采用复合稀释时,随着过量空气稀释程度的增大,未燃甲醇排放呈现先下降后上升的趋势。这是由于当复合稀释的稀释程度较小的时候,缸内混合气中氧含量较高,有利于在燃烧过程中未燃甲醇的完全燃烧。但当复合稀释的稀释程度过高时,在缸内温度大幅下降导致的壁面淬熄效应和峰值缸压上升导致的狭缝效应的共同作用下,部分甲醇可能会避开火焰面,故未燃甲醇排放增加。

图12 复合稀释对甲醇和甲醛排放的影响

如图12b所示,复合稀释时,在相同EGR率下,甲醛排放均随着过量空气系数的增加呈现先增加后减小的趋势。这主要是由于在过量空气系数较小的时候,混合气中的氧气含量虽有所上升,但EGR和空气共同稀释降低了缸内温度,此时甲醛的生成速率大于其氧化速率,故甲醛排放量有所上升。但当过量空气系数继续上升时,混合气中拥有较大的氧含量,此时甲醛的氧化速率大于生成速率,故甲醛排放量就有所减少。但从总体上看,复合稀释和其他两种稀释策略均会在一定程度上使得甲醛排放恶化。

未燃甲醇和甲醛的排放在复合稀释时相对较高,即使现行的某些排放法规中不包括这些废气成分,但根据日益严苛的排放法规要求,仍需使用氧化催化剂来去除这些成分[20]。在试验过程中发现,通过在甲醇发动机上安装三元催化转换器(TWC)后处理装置,可以极其有效地去除未燃甲醇和甲醛这两种废气成分,其排放量接近于0,可以达到目前所规定的排放要求。

3 结论

a) 在相同稀释率下,EGR稀释策略拥有更大的MBT点火正时且对循环变动率的影响更为显著;

b) 当稀释率较低时,EGR稀释和稀燃的缸压曲线相似,但当稀释率大于25.7%时,稀燃策略比EGR稀释策略能获得更大的峰值缸压;在相同稀释率下,EGR稀释策略比稀燃能获得更长的燃烧持续期;稀燃策略下的燃油消耗率、有效热效率均优于EGR稀释;

c) 在相同稀释率下,稀燃策略比EGR稀释策略拥有更低的HC和CO排放,但在降低NOx排放方面,EGR稀释策略则更为优越,最大降低幅度高达98.34%;

d) 稀燃策略下的未燃甲醇排放比EGR稀释策略下的要低,而甲醛排放呈现变化幅度较小的上下波动趋势,两者无较大区别;

e) 在燃油消耗率和有效热效率这两方面,复合稀释相较于EGR单独稀释和过量空气稀释都拥有较为显著的优势;

f) 在稀释程度较小时复合稀释比EGR稀释的HC排放要低,但高于过量空气稀释时的HC排放;复合稀释在降低CO排放方面拥有和过量空气稀释一样显著的效果;复合稀释拥有更好的抑制NOx排放的效果,最大降低幅度高达97%;

g) 稀释程度较小时复合稀释能一定程度上改善未燃甲醇的排放,但当稀释程度较大时,未燃甲醇排放显著上升;复合稀释及其他两种稀释策略均会在一定程度上使得甲醛排放恶化。