废气再循环对柴油机性能影响的试验研究①

孙 飞

(同济大学汽车学院，上海200092)

0 引言

柴油机比汽油机具有较高的经济性和动力性，故柴油机在商用车和工程机械等领域得到了大量的推广.但随着排放法规的升级，在保持柴油机经济性和动力性优势的同时，也需要开展各项减少排放的技术措施研究.

废气再循环技术［1］是目前广泛应用在柴油机领域的减排技术.它主要是通过将燃烧后的排气重新引回缸内，利用排气中的CO2和N2等成分降低缸内温度，达到减少排放的目的［2］.

由于废气具有一定的热作用和化学作用［3］，其能够降低缸内温度和减少NOx排放.同时废气还可能会对燃烧过程和其他排放物的生成造成一定的影响.为此本文基于4D20柴油机，开展不同EGR率下的柴油机试验研究，研究不同EGR率对柴油机燃烧和排放物生成的影响规律.

1 试验装置和方法

试验用的柴油机为4D20高压共轨柴油机，其主要参数如表1所示.

表1 柴油机基本参数

连杆长度/mm 149缸数 4排量/L 2.0压缩比 16.2最大扭矩/(N·m) 300(2000 r/min)标定功率/(kW) 100(4000 r/min)

试验过程转速固定为1400r/min，每循环喷油量为14mg，其他工况参数如表2所示.

表2 试验研究工况参数

试验系统如图1所示，该柴油机的第一缸的进气和排气系统被独立出来，从而可以有效地控制和实现所需的EGR率，同时试验测试和分析的结果数据也只针对第一缸.试验过程主要用到的测试设备如表3所示.

表3 试验设备

2 试验结果和分析

为了探索EGR率对柴油机燃烧过程和排放物生成的影响规律，本文设定了四种EGR率，分别为0%，20%，40%和60%.

图1 试验系统图

图2 不同EGR率下的缸压

图3 不同EGR率下的温度

2.1 EGR率对燃烧过程影响

图2，图3和图4给出了不同EGR下，缸内压力、温度和放热率随曲轴转角变化的规律.分析可知，随着EGR率的增大，缸内压力和温度均降低.放热过程出现明显的滞后，同时放热率的峰值降低.

图5和图6给出了不同EGR率下，滞燃期和CA50的对比，可知随着EGR率的增大，燃烧起点和中间点(即CA50)均滞后，放热过程远离上止点，如此便会导致柴油机的指示热效率下降和指示油耗的增加，分别如图7和图8所示.

图4 不同EGR率下的放热率

图5 不同EGR率下的滞燃期

图6 不同EGR率下的CA50

图7 不同EGR率下的指示热效率

图8 不同EGR率下的指示油耗

2.2 EGR率对排放的影响

图9和图10给出了不同EGR下，NOx和soot生成的对比.NOx生成主要条件为高温富氧［4］;当EGR率增大时，缸内温度下降(如图3所示)，和由于EGR的引入，新鲜充量减少，氧浓度降低;在这两个方面的因素作用下，NOx排放随着EGR率的增大而急剧下降.

图9 不同EGR率下的NOx排放

图10 不同EGR率下的soot排放

图11 不同EGR率下的CO排放

图12 不同EGR率下的HC排放

soot的生成主要条件为温度为1500K以上和缺氧［5］;当EGR率增大到40%以前，由于缸内氧浓度略微减少，soot影响较小，有小幅上升;但当EGR率增大到60%时，缸内严重缺氧，导致soot排放急剧增加.

图11和图12给出了不同EGR率下CO和HC排放的对比.CO的生成主要受限于能否与氧气充分接触和燃烧温度是否够高［6，7］.在 EGR 率小于60%以前，缸内氧浓度和燃烧温度略微下降，CO排放略有增大.但当60%时，燃烧温度迅速降低，导致CO排放增加.HC排放随EGR的变化规律与CO类似，即在EGR率小于60%以前，HC排放略微增大;而在EGR率达60%时，HC排放激增.

综合可知，在中小EGR率(即EGR率为0%、20%和40%)时，EGR可以有效的降低NOx排放，同时其他排放也维持在适中的水平，柴油机的动力性和经济性变化不大.但当EGR率过大(即EGR率为60%)时，柴油机的排放迅速恶化，动力性和经济性大幅下降.

3 结论

(1)随着EGR率的增大，缸内压力和温度下降，燃烧过程过程滞后，放热率峰值减少，指示热效率降低，指示油耗升高;

(2)EGR率的增大有利于减少NOx排放，同时在中小EGR率下(EGR率为0%，20%和40%时)，soot，CO和 HC排放不会有太大影响，但大EGR率下(EGR率为60%)，soot，CO和 HC急剧恶化;

(3)为保持柴油机的动力性、经济性和排放性良好，实际柴油机中采用的EGR率不应太大.

［1］王晓慧和杨向前.现代柴油发动机节能减排新技术［J］.中国高新技术企业，2012，(20):135－137.

［2］石坤鹏，李灵敏，代占朝，等.浅谈柴油机废气再循环技术［J］.科技与企业，2012，(4):338－340.

［3］Zhao H.，Xie H.，Peng Z.Effect of Recycled Burned Gases on Homogeneous Charge Compression Ignition Combustion［J］.Combustion Science and Technology，2005，Vol.177(10):1863－1882.

［4］Zeldovich，Y.B.，Sadovnikov，P.Y.and F.Kamenet－ skii，D.A..Oxidation of Nitrogen in Combustion［D］.Translation by M.Shelef，Academy of Sciences of USSR，Institute of Chemical Physics，Moscow －Leningrad，1947.

［5］C.Arcoumanis，K － P Schindler.Mixture Formation and Combustion in the DI Diesel Engine［C］.SAE Paper，972681，1997.

［6］郭艳龙，张宝诚，乔娟.某型航空发动机燃烧室排气污染物数值模拟［J］.航空发动机，2008，34(4):38－41.

［7］耿壮壮.均质充量压缩着火燃烧HC和CO生成机理的试验研究［D］.上海:上海交通大学，2012.6.