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EGR和稀燃對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放特性的影響

2020-04-13 20:28:12·  來源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)  
　
隨著汽車排放法規(guī)愈加嚴(yán)格，車輛需要進(jìn)一步改善燃油經(jīng)濟(jì)性和降低尾氣排放，汽油直噴(GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)榫哂休^好的燃油經(jīng)濟(jì)性和低的CO2排放而受到關(guān)注。稀燃技術(shù)被認(rèn)
隨著汽車排放法規(guī)愈加嚴(yán)格，車輛需要進(jìn)一步改善燃油經(jīng)濟(jì)性和降低尾氣排放，汽油直噴(GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)榫哂休^好的燃油經(jīng)濟(jì)性和低的CO2排放而受到關(guān)注。稀燃技術(shù)被認(rèn)為是提高GDI發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的有效途徑之一，同時(shí)稀燃有助于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放．稀燃時(shí)過量空氣有利于燃燒更加充分，并且泵氣損失和缸壁傳熱損失降低，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率得到提高，但是過量空氣系數(shù)過高，燃燒穩(wěn)定性降低。廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)正在逐漸被應(yīng)用于汽油機(jī)，用來降低燃油消耗和NOx排放。此外，EGR還具有減少GDI汽油機(jī)顆粒物排放的潛力。EGR和稀燃的結(jié)合有望降低NOx排放，同時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性.本次推文在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行了EGR和過量空氣稀釋的試驗(yàn)，以稀釋率為基準(zhǔn)，對(duì)比了EGR和過量空氣稀釋對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放影響。同時(shí)研究了EGR和過量空氣稀釋復(fù)合作用對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，測試并分析了顆粒物排放、顆粒物數(shù)量(PN)、粒徑和顆粒物尺寸分布。

1、試驗(yàn)裝置和方法
 
試驗(yàn)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)為排量1.8L的渦輪增壓直噴汽油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)及測試系統(tǒng)如圖1所示。利用空氣對(duì)測試的廢氣進(jìn)行二級(jí)稀釋，一級(jí)稀釋比為5，二級(jí)稀釋比為20。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)選擇WLTC的典型工況，轉(zhuǎn)速為2100r/min，平均有效壓力(BMEP)為0.44MPa，進(jìn)氣溫度為21℃，利用單獨(dú)冷卻水對(duì)EGR進(jìn)行冷卻，冷卻后在26℃以下，在節(jié)氣門前引入到進(jìn)氣。發(fā)動(dòng)機(jī)引入外部冷卻廢氣對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行稀釋，EGR流量通過手動(dòng)氣閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，測量進(jìn)氣CO2體積分?jǐn)?shù)和排氣CO2體積分?jǐn)?shù)以計(jì)算EGR率。過量空氣稀釋率是過量空氣的質(zhì)量流量與混合氣總質(zhì)量流量的比值。
 
圖1 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)排放測試平臺(tái)
 
2、EGR和過量空氣稀釋對(duì)燃燒的影響
 
圖2為EGR和過量空氣稀釋下的進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)?；瘜W(xué)計(jì)量比時(shí)的EGR和過量空氣稀釋下的氧體積分?jǐn)?shù)呈不同的變化趨勢，EGR的引入導(dǎo)致進(jìn)氣中的氧體積分?jǐn)?shù)大幅降低。當(dāng)EGR稀釋率為21%時(shí)，氧體積分?jǐn)?shù)降低到18%。過量空氣稀釋時(shí)，氧體積分?jǐn)?shù)基本保持不變，過量空氣稀釋后的氧體積分?jǐn)?shù)高EGR稀釋后的氧體積分?jǐn)?shù)，有利于擴(kuò)大過量空氣稀釋下的失火界限。
 
圖2 EGR和過量空氣稀釋下的氧體積分?jǐn)?shù)
 
圖3為過量空氣稀釋和EGR稀釋下的燃燒特性。圖3a中，在EGR稀釋率為7.5%和過量空氣稀釋率為8.5%時(shí)，過量空氣稀釋下的放熱率峰值高EGR稀釋下的放熱率峰值，放熱率峰值時(shí)的相位相當(dāng)。過量空氣稀釋率為15.8%時(shí)，放熱率峰值和相位分別小幅降低和推遲；EGR稀釋率為15.8%時(shí)，放熱率峰值大幅降低，放熱率峰值對(duì)應(yīng)的相位明顯推遲。相比過量空氣稀釋，EGR對(duì)燃燒放熱影響更加明顯，這是由于EGR添加使缸內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)降低，廢氣的熱容效應(yīng)使新鮮充量的比熱容增加，使燃燒放熱過程變緩。圖3b中，隨著過量空氣稀釋率和EGR稀釋率的增加，COV逐漸升高，燃燒穩(wěn)定性變差，EGR稀釋時(shí)的COV升高比過量空氣稀釋時(shí)的快。EGR稀釋時(shí)氧體積分?jǐn)?shù)降低，同時(shí)使缸內(nèi)的非活性氣體增加(CO2和水蒸氣)，降低燃燒反應(yīng)速率。燃燒持續(xù)期的延長放大了不穩(wěn)定湍流所導(dǎo)致的循環(huán)變動(dòng)。過量空氣稀釋時(shí)混合氣濃度降低，導(dǎo)致燃燒火焰溫度的降低，相對(duì)不變的氧體積分?jǐn)?shù)對(duì)燃燒反應(yīng)影響較小。
 
圖3c和圖3d為EGR和過量空氣稀釋對(duì)著火延遲期和速燃期的影響，隨著稀釋率的增加，著火延遲期(CA0-10)和速燃期(CA10-50)逐漸增加，過量空氣稀釋下的CA0-10和CA10-50增加幅度相比EGR稀釋時(shí)的增加幅度小。因?yàn)镋GR稀釋使缸內(nèi)的氧體積分?jǐn)?shù)降低，工質(zhì)的比熱容增加，抑制混合氣的燃燒，燃燒化學(xué)反應(yīng)過程變慢，使混合氣燃燒速率降低。
 
 
圖3 過量空氣稀釋和EGR稀釋下的燃燒特性
 
3、EGR和過量空氣稀釋對(duì)熱效率和排放的影響
 
圖4為EGR和過量空氣稀釋對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的影響。隨著稀釋率的增加，過量空氣稀釋條件下發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率升高，在稀釋率為21.9%時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率升高6.3%。在EGR稀釋作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率升高幅度小于2%。隨著稀釋率的增加，節(jié)氣門開度增加，降低了泵氣損失，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率增加。EGR稀釋率較大時(shí)，增加的CO2和N2會(huì)抑制燃燒反應(yīng)，燃燒持續(xù)期延長，導(dǎo)致燃燒效率和發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性變差，發(fā)動(dòng)機(jī)效率開始下降。
 
圖4 過量空氣稀釋和EGR稀釋對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的影響
 
圖5為EGR和過量空氣稀釋對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣體排放的影響。EGR稀釋(化學(xué)計(jì)量比混合氣)時(shí)的NOx排放隨著EGR稀釋率的增加而大幅降低。在EGR稀釋率為21% 時(shí)，NOx 排放降低到 354×10-6，EGR的引入導(dǎo)致高比熱容的CO2和H2O增加，工質(zhì)比熱增加，氧體積分?jǐn)?shù)降低，從而導(dǎo)致燃燒溫度降低，有利于NOx形成的高溫富氧環(huán)境的溫度和氧體積分?jǐn)?shù)都降低。過量空氣稀釋導(dǎo)致燃燒溫度降低，NOx 排放小幅降低。圖5a中，隨著過量空氣稀釋率增加，HC排放逐漸減少，相對(duì)富裕的氧體積分?jǐn)?shù)有利于HC氧化。
 
圖5 過量空氣稀釋和EGR對(duì)氣體排放的影響
 
4、EGR和空氣復(fù)合稀釋對(duì)顆粒物排放的影響
 
汽油機(jī)顆粒物排放已經(jīng)成為排放法規(guī)中嚴(yán)格限制的項(xiàng)目，筆者對(duì)復(fù)合稀釋下的尾氣中的顆粒物排放進(jìn)行了測量。圖6為不同稀釋工況下的顆粒物尺寸分布和表面積濃度．EGR稀釋下(工況1：EGR率=21%)的顆粒物排放大幅降低，主要是尺寸小于20nm的核模態(tài)顆粒物濃度降低，與過量空氣稀釋率為30%條件時(shí)的濃度接近。過量空氣稀釋(工況2：?＝1.2)條件下，充足的空氣和較長的火焰發(fā)展持續(xù)期有利于改善混合氣和減少局部濃混合氣現(xiàn)象，過量空氣稀釋時(shí)的顆粒物排放低于化學(xué)計(jì)量比時(shí)的顆粒物排放。EGR和過量空氣復(fù)合作用(工況3：EGR率＝15%，?＝1.1)時(shí)，顆粒物尺寸分布更接近過量空氣稀釋下的尺寸分布，峰值濃度略有升高。然而，由EGR和過量空氣稀釋共同作用時(shí)的顆粒物表面積濃度尺寸分布(圖8b)可知，顆粒物表面積濃度較低。引入EGR，導(dǎo)致顆粒物排放降低，主要是因?yàn)槿紵郎囟冉档鸵种屏巳加蜔崃呀庑纬傻某跫?jí)碳煙粒子，抑制H因子(燃燒化學(xué)反應(yīng)中的H離子)反應(yīng)，導(dǎo)致PN濃度大幅降低.EGR和過量空氣稀釋的復(fù)合作用使顆粒物排放具有過量空氣稀釋時(shí)的低顆粒物濃度，同時(shí)有低的顆粒物表面積濃度。
 
圖6 復(fù)合稀釋下的顆粒物尺寸分布和表面積濃度
 
在3種模式下的顆粒物粒徑如圖7a所示，EGR稀釋下的粒徑最大，EGR和過量空氣復(fù)合稀釋下的粒徑低于過量空氣稀釋下的粒徑。3種模式下的核模態(tài)和積聚態(tài)顆粒物濃度分布如圖7b所示，EGR稀釋下，核模態(tài)和積聚態(tài)顆粒物濃度最低，EGR和過量空氣復(fù)合稀釋下的積聚態(tài)顆粒物濃度升高，核模態(tài)顆粒物降低。充足的空氣和較長的火焰發(fā)展期有利于改善混合氣和降低局部濃混合氣。
 
圖7 復(fù)合稀釋下的顆粒物尺寸和數(shù)量
 
結(jié)論
EGR稀釋比過量空氣稀釋對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響更顯著；復(fù)合稀釋時(shí)的燃油消耗率接近過量空氣稀釋時(shí)的燃油消耗率，燃油經(jīng)濟(jì)性較好，但燃燒穩(wěn)定性和EGR稀釋時(shí)相當(dāng)。復(fù)合稀釋下的NOx排放明顯降低，獲得與EGR稀釋相似的低NOx排放；復(fù)合稀釋時(shí)，PN和過量空氣稀釋時(shí)相當(dāng)。
 
文獻(xiàn)來源及推薦閱讀
[1]趙立峰,蘇向陽,于秀敏.EGR和稀燃對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放特性的影響[J].內(nèi)燃機(jī)報(bào),2020,38(02):126-132.
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