EGR率对混合燃料燃烧与排放特性的影响研究

唐盛世，李壮，朱召军，黄荣，潘明章，黄豪中*

(1.广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004；2.广西玉柴机器股份有限公司，广西 玉林 537005)

0 引言

柴油机具有扭矩大、热效率高等优点，在工程机械中得到了广泛的应用。然而，同时降低Soot和NOx排放对柴油机是一个严峻的挑战。为适应日益严格的排放法规，研究学者提出了许多先进的燃烧技术：低温燃烧(LTC)[1]技术、均质压燃(HCCI)[2]技术、预混充量压燃(PCCI)[3]技术等。其中LTC较容易实现，并且在平衡NOx和Soot排放方面具有巨大潜力。利用废气再循环(EGR)技术实现低温燃烧是目前普遍采用的手段，在降低Soot和NOx方面表现其良好的优势[4]。

随着节能环保意识的提高，人们越来越关注可再生清洁替代燃料的开发。在柴油中添加含氧燃料，可以改善缸内燃烧，降低Soot排放，同时不会造成NOx排放大幅增加。常用的含氧燃料有醇类、醚类、脂类[5]等。聚甲氧基二甲醚(polyoxymethylene dimethyl ethers，PODEn)是一种高含氧醚类燃料(含氧量为48.3 %)，具有挥发性好、十六烷值高等特点。LI等[6]研究发现,在柴油中添加PODE后，喷雾贯穿距缩短，液滴直径均匀度好，混合燃料的雾化特性得到改善。WANG等[7]研究发现，PODEn可以实现较低的Soot排放。LIU等[8]、TONG等[9]研究发现，在柴油和汽油中添加PODE3-4可以减少Soot排放，提高发动机的燃烧效率和热效率。

正戊醇能量密度相对较高，与柴油互溶性好，在所有的醇类中，是最具潜力的添加剂。近年来，许多学者对其展开了研究。RAIESH[10]等研究发现正戊醇和柴油混合燃料可以同时有效降低Soot和NOx排放，清华大学李莉等[11]，也得到了类似结论。CAMPOS等[12]研究发现低掺混比的正戊醇和柴油混合燃料与纯柴油的有效燃油消耗率相当。Wei等[13]研究发现正戊醇和柴油混合燃料可有效降低排放中的总颗粒物浓度。

综上所述，采用EGR技术实现低温燃烧可以降低柴油机NOx排放，在柴油中添加PODE、正戊醇含氧燃料，即可降低Soot和NOx的排放。因此，在一台四缸柴油机上进行不同EGR率下正戊醇/PODE3-4/柴油混合燃料的试验研究，以期更深入理解EGR率和正戊醇/PODE3-4添加剂对柴油机燃烧和排放特性的影响。

1 试验装置与方案

1.1 试验装置

试验在一台排量为2.17 L的4缸涡轮增压柴油机上进行，发动机具体参数见表1。试验台架由发动机、测功机、排放分析仪等设备组成，图1为发动机台架示意图。通过INCA软件控制改变EGR阀和可变截面的涡轮增压器(VGT)喉口的开度，来调节EGR率。试验使用AVL公司的415SE烟度计和HORIBA公司的MEXA—7100DEGR排放分析仪分别来测量碳烟及其他排放。此外，还使用了CAMBUSTION公司的DMS500MKII快速响应颗粒分析仪对颗粒物的排放进行测量分析。

表1 发动机参数

1.油箱；2.燃油滤清器；3.油耗仪；4.高压油泵；5.空气流量计；6.涡轮增压；7.进气中冷器；8.EGR阀；9.EGR中冷器；10.高压共轨管；11.ECU；12.ECU控制台；13.电涡流测功机；14.控制柜；15.发动机；16.角标仪；17.燃烧分析仪；18.排放分析仪；19.快速响应颗粒分析仪；20.烟度计；21.背压阀

图1 发动机台架示意图

Fig.1 Engine test bench schematic

1.2 试验方案

试验研究了中等负荷(BMEP为0.8 MPa)工况下，不同EGR率(5 %、10 %、15 %、20 %、25 %)的三种燃料(D100、DP20、DPPt20)对柴油机的燃烧和排放特性的影响。试验三种燃料分别为：纯柴油(记为D100)、体积比为80 %的D100和20 %的PODE3-4掺混(记为DP20)、体积比为80 %的DP20和20 %的正戊醇掺混(记为DPPt20)。燃料在试验前配制好，确保搅拌均匀，没有分层现象。表2为三种基本燃料(正戊醇、柴油和PODE3-4)的理化性质，表3给出了三种试验燃料的十六烷值、氧含量等参数。

表2 基本燃料组分的理化性质

表3 试验燃料主要性质的比较

在试验过程中，发动机转速固定在1 600 r/min；BMEP恒定为0.8 MPa；喷油时刻为上止点前(BTDC)3 ℃A；喷油压力为120 MPa，具体参数如表4所示。为减少实验误差，每个工作点的试验重复三次，取平均值。

表4 试验固定参数表

2 试验结果与分析

2.1 EGR率对混合燃料燃烧特性的影响

图2分别比较了不同EGR率(5 %、15 %、25 %)下三种燃料的缸压和放热率曲线。与纯柴油相比，添加PODE3-4的DP20放热率峰值增大，放热始点提前，并且随着EGR率的增加，这种趋势越明显。这是因为PODE3-4具有挥发性好、十六烷值高的特点，所以燃油雾化蒸发好，形成的混合气均匀，滞燃期短，燃烧放热速率快。由于正戊醇的十六烷值低，蒸发潜热大，使得添加正戊醇后的DPPt20滞燃期延长，预混燃烧比例增加，因此，其放热率峰值和缸压大于DP20。

(a)EGR率5 %

(c)EGR率25 %

图3分别比较了三种燃料在不同EGR率下的缸压和放热率曲线。随着EGR率的增大，三种燃料的放热始点延迟，并且放热率峰值和缸压均呈下降趋势。EGR率增加，进入气缸的废气量增多，惰性气体含量增加，气缸中的氧浓度降低，阻碍了正常的燃烧，减缓了燃烧放热速率；同时气缸内三原子气体(CO2和H2O)含量增加，比热容增大，气缸平均压力和温度增长变缓(如图3、图4所示)。

(a)D100

(b)DP20

(c)DPPt20

(a)D100

(b)DP20

(c)DPPt20

图5比较了三种燃料不同EGR率下的热效率。图6给出了不同EGR率下的燃烧重心(CA50),即燃烧累积放热量为50 %时所对应的曲轴转角。由图5可知，随着EGR率的增加，三种燃料的热效率降低。这是因为EGR率增加，气缸内惰性气体含量增多，氧浓度降低，阻碍了燃烧放热过程，气缸的燃烧温度降低，降低了燃烧效率。从图上还可以看出DP20的热效率最高，其次是DPPt20。在柴油中添加PODE3-4后，热效率提高。这是因为，一方面，PODE3-4的挥发性好、含氧量高，所以形成的混合气质量高，燃烧更充分；另一方面，PODE3-4的十六烷值高，滞燃期短，燃烧重心靠近上止点(如图6所示)，膨胀做功能力强。但是，在DP20加入正戊醇后，热效率略微降低。这是由于正戊醇的十六烷值低，蒸发潜热大，使得滞燃期延长，燃烧重心比DP20靠后，膨胀做功效率降低，导致了热效率的降低。

图5 不同EGR率下热效率

Fig.5 Thermal efficiency under different EGR rate

图6 不同EGR率下的燃烧重心

Fig.6 CA50 at varied EGR rates

2.2 EGR率对混合燃料排放特性的影响

图7给出了三种燃料在不同EGR率下NOx、Soot、CO和HC排放对比图。随着EGR率的增加，三种燃料的NOx排放显著降低(如图7a所示)，而Soot、CO和HC排放增加(如图7b、c、d所示)，EGR率大于15 %时这种趋势更为明显。由于增大EGR率，缸内的过量空气系数变小，含氧量下降，燃烧温度降低，低温燃烧抑制了NOx的形成，所以NOx的排放降低；在低EGR率下，气缸内过量空气系数还相对较大，氧气含量充足，Soot、CO和HC排放增加不明显；在较高的EGR率下，气缸内氧气不足，恶化了燃烧，CO、HC和Soot排放显著增加。

(a)NOx排放

(c)CO排放

(d)HC排放

图7 不同EGR率下三种燃料的主要排放物

Fig.7 Major emissions of three fuels at varied EGR rates

图8 不同EGR率下三种燃料的总颗粒物质量浓度

在相同EGR率下，三种燃料NOx排放相差不大；在柴油中添加PODE3-4后，DP20的Soot、CO和HC排放低于柴油。这是由于PODE3-4挥发性好，形成的混合气均匀；另外，PODE3-4高含氧量，有助于Soot前驱物的氧化，所以DP20的Soot排放比柴油低。DPPt20的Soot排放比DP20低。这是因为正戊醇为含氧醇类燃料，使得DPPt20的含氧量进一步提高。此外，DPPt20滞燃期比DP20延长，预混燃烧比例增加，气缸内燃烧温度和压力增大，促进了Soot、CO和HC的氧化。

图8给出了不同EGR率下三种燃料的总颗粒物质量浓度。增大EGR率，三种燃料的总颗粒物质量浓度均增大。由图8分析可知，在低EGR率下，由于气缸含氧量和温度相对较高，抑制了Soot的向大颗粒的聚集态转化，颗粒物主要为核态；在较高的EGR率下，气缸局部过浓区域增加，缸内燃烧温度较低，抑制了颗粒物的氧化，颗粒物主要为聚集态的大颗粒，使得大EGR率下总颗粒物质量浓度迅速增长。在同一EGR率下，柴油的总颗粒物质量浓度最大。在柴油中添加PODE3-4后，DP20的总颗粒物质量浓度降低。由于PODE3-4具有高十六烷值和含氧量，燃烧温度高，有利于颗粒物的氧化。在DP20中添加正戊醇后，DPPt20的总颗粒物质量浓度更低。这是因为，在DP20中添加正戊醇，DPPt20的含氧量进一步增大，促进了颗粒物的氧化，总颗粒物质量浓度降低。

3 结论

通过对三种燃料(D100、DP20、DPPt20)不同EGR率(5 %、10 %、15 %和20 %)下低温燃烧对中等负荷柴油机燃烧和排放特性的影响研究。主要得出以下结论：

① 在相同EGR率下，DPPt20的缸压和放热率峰值最大，其次是DP20，D100的最低。在D100中添加PODE3-4滞燃期缩短，着火提前，热效率最高。在DP20中加入正戊醇后，滞燃期延长，热效率略微降低；增大EGR率，三种燃料的缸压和放热率峰值均呈下降趋势，滞燃期延长，热效率降低。

② 当EGR率较低时，随着EGR率的增加，Soot、CO、HC排放缓慢增加，而NOx排放急剧降低；EGR率较高时，随着EGR率的增加，Soot、CO、HC排放迅速增加。在相同EGR率下，三种燃料NOx排放相差不大；而DPPt20的Soot、CO、HC排放最低，其次为DP20，D100的最高。

③ 随着EGR率的增加，三种燃料的总颗粒物质量浓度上升；EGR率较高时，随着EGR率的增加，总颗粒物质量浓度迅速增加。与D100相比，DPPt20的总颗粒物质量浓度排放更低。