废气再循环对高比例甲醇双燃料柴油机燃烧过程的影响*

李仁春，王 忠，张登攀，李铭迪

(江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013)

前言

醇类燃料可以部分替代柴油，能降低柴油机NOx和碳烟的排放。研究较多的醇类燃料有甲醇和乙醇燃料，国内外学者针对甲醇和乙醇在柴油机上的燃烧过程、排放特性和污染物的形成机理开展了一系列的研究工作[1-3]。甲醇燃料有含氧量高、燃烧速度快和着火界限宽等优势。采用进气管喷射的方式可以实现高比例掺烧甲醇[4-5]，研究发现：在高负荷工况，掺烧高比例甲醇会导致发动机爆燃[6-7]，缩小了柴油机掺烧高比例甲醇运行工况的范围。废气再循环(EGR)技术是降低柴油机污染物排放的有效方法，不少学者认为EGR技术也是控制燃料着火和反应速率的一个重要技术手段[8-9]。引入热EGR可以提高进气温度，有助于缩短着火延迟期，减缓燃烧初期反应速率，抑制柴油机工作粗暴[10-11]。

近年来，国内外学者对EGR影响双燃料发动机燃烧过程展开了一些研究工作，如对冷却废气再循环影响二甲醚/天然气、二甲醚/甲醇双燃料燃烧过程的试验研究[12-13]，对冷EGR影响甲醇/柴油乳化混合燃料的燃烧特性的研究[4]。研究结果表明，适当的EGR可以拓宽双燃料发动机的工况范围，同时对燃料的着火和燃烧放热产生一定的影响。本文在以进气管喷射方式掺烧甲醇的基础上[15]，采用外部EGR抑制高比例甲醇/柴油工作粗暴，研究EGR对高比例甲醇/柴油双燃料发动机燃烧过程的影响。

1 试验条件与方法

试验在4B26增压柴油机上进行，柴油机主要技术参数为：缸径90mm；活塞行程100mm，排量2.5L；燃烧室型式ω型，压缩比18；标定功率55kW，标定转速3 200r/min；最大转矩183N·m，最大转矩转速2 200r/min；柴油供油提前角为12°CA，甲醇喷射时刻为排气上止点前150°CA。柴油供油系统不变，进气管喷射的甲醇由柴油引燃，甲醇喷射量由甲醇电控喷射系统控制。试验过程中使用的主要设备：EIM0301D台架控制柜、WE32水力测功机、HAM03醇耗仪和AVL 525燃烧分析仪。试验装置布置示意图见图1。

试验采用的废气再循环由排气管直接引入进气歧管，中间不经过冷却装置。EGR率计算方法采用质量流量法。调整EGR阀开度，EGR率分别为0、7%和15%。试验工况为1 800r/min、80%负荷，甲醇预混掺烧比例为48%(记为M48)保持不变。

甲醇掺烧比例定义为：甲醇的消耗率与甲醇和柴油的消耗率之和的比值。

w=bm/(bm+bd)

式中：bm和bd分别为试验实测的甲醇和柴油消耗率。

2 试验结果与分析

2.1 EGR对高比例甲醇双燃料柴油机工作粗暴的抑制作用

发动机在转速1 800r/min，80%负荷，掺烧48%甲醇时，EGR对甲醇/柴油双燃料燃烧的气缸压力和压力升高率的影响如图2所示。与燃烧柴油相比，掺烧48%甲醇后，最大爆发压力和压力升高率明显升高，最大爆发压力升高近13%，压力升高率峰值升高了67.8%。工况不变，打开EGR控制阀，当EGR率为15%时，最大爆发压力和压力升高率都明显降低，最大爆发压力出现的位置略有推迟。最大爆发压力下降了近8%，压力升高率峰值降幅为41.4%，缸内燃烧压力振荡明显减弱。

甲醇汽化潜热大，喷入进气管后经汽化吸收大量的热量，降低了进气温度，发动机压缩终了时缸内温度降低，不利于柴油在甲醇预混合气氛围中的雾化、着火，延长了甲醇/柴油的滞燃期；再加上甲醇替代了部分柴油，使甲醇/柴油的预混合燃烧量进一步增加，导致燃烧初期的放热速度和加速度过大，产生了带有爆炸性质的燃烧。

外部热EGR的引入使进气温度升高，提高了缸内可燃混合气的物理、化学准备过程的热力状态，缩短了甲醇/柴油的滞燃期，使燃烧初期的预混合燃烧量减少。另外，EGR的引入使缸内惰性气体成分增加，对缸内燃烧化学反应的阻滞作用增强。在这两种因素综合作用下，燃烧初期放热速度和加速度减慢，抑制甲醇/柴油燃烧粗暴。

2.2 EGR对燃烧过程的影响

图3为EGR对甲醇/柴油双燃料燃烧放热率的影响曲线。由图可见，随着EGR率的增加，放热率峰值降低，最大降幅为31.1%，放热率峰值出现的位置提前了6.2°CA。

EGR阀关闭时(即EGR率为0)，甲醇/柴油双燃料燃烧放热率曲线呈双峰放热，以预混放热为主，预混放热率峰值明显高于扩散放热率峰值，整个放热持续时间短。随着EGR率的增加，放热提前，放热率曲线仍是双峰放热，但是扩散放热量增加，预混放热量减少，放热持续时间变长。这主要是因为引入外部热EGR缩短了甲醇/柴油双燃料的滞燃期，减少了预混合燃烧量，扩散放热占主导；EGR稀释了混合气活性氧的浓度，同时引入了未燃碳氢、未燃燃料、部分氧化物、惰性气体等物质及其它活性自由基，放热速率受到阻滞[16]。

不同EGR率(0、7%和15%)对甲醇/柴油双燃料滞燃期、燃烧持续期和缸内平均温度的影响如图4所示。由图可见，随着EGR率的增加，滞燃期缩短，燃烧持续期延长，燃烧最高温度降低。

EGR的引入导致混合气中活性氧的浓度降低而惰性气体分子数增多，减缓了燃料的低温化学反应速率[17]，有推迟甲醇/柴油着火的作用。温度也是影响甲醇/柴油滞燃期的主要因素之一。定容燃烧试验表明：在甲醇氛围中，甲醇/柴油的滞燃期随温度的升高而缩短[18]。外部热EGR提高了进气温度，使发动机压缩终了温度较高。当温度超过1 000K时，甲醇大量分解得到CH2O，通过多步链式反应释放出大量的OH[19]，OH大量转化为H2O2。H2O2的分解是引发高温放热反应的关键，温度升高有助于低温反应中积累的H2O2提前分解，这些放热反应的发生，有助于促进缸内混合气的着火。甲醇含氧量高，进气预混掺烧比例达到48%，EGR率较低时，引入EGR对缸内混合气活性氧的浓度影响不大。因此，温度的升高对滞燃期的缩短起了主导作用，而一旦EGR率过高，前一因素将起到主导作用，甚至会出现失火的现象[13]。所以，适当的EGR率有助于缩短甲醇/柴油的滞燃期。

甲醇/柴油双燃料的燃烧持续期随EGR率的增加而延长，主要是由于EGR减缓了甲醇/柴油的燃烧反应速率：(1)随着EGR率的增加，滞燃期缩短，甲醇/柴油双燃料的预混合燃烧量减少，燃烧速率较慢的扩散燃烧占主导，整体燃烧反应速率相对减缓；(2)缸内惰性气体成分随EGR率的增加而增多，混合气的比热容增大，惰性气体对缸内燃烧化学反应的阻滞作用增强，燃烧变得缓慢，延长了整个燃烧持续期。

2.3 EGR对指示热效率的影响

图5为EGR对甲醇/柴油双燃料燃烧的指示热效率影响的直方图。由图可见：随着甲醇掺烧比例的增加，发动机指示热效率有所提高。在相同工况，保持掺烧48%甲醇不变时，引入EGR后，双燃料发动机的指示热效率有所降低，EGR率为15%时指示热效率降低了7.87个百分比；与燃烧柴油相比，发动机进气预混掺烧甲醇后，指示热效率得到提高，主要原因是掺烧甲醇使最大爆发压力提高。图6为1 800r/min，80%负荷工况示功图。由图可见，当爆发压力较大时，气缸容积基本保持不变，此时发动机活塞处于上止点附近，散热面积较小，再加上燃烧持续期短，减少了散热时间，使向燃烧室周边传出的热量减少，定容燃烧比例加大，热效率得到显著提高。

发动机工况和甲醇掺烧比例不变时，指示热效率随EGR率的增加逐渐降低。EGR的引入延长了燃烧持续期，散热时间变长，混合气比热容增大，吸热量提高，导致发动机热损失增加。EGR引入的一部分未燃碳氢、未燃燃料、部分氧化物和惰性气体等物质，对可燃混合气的化学反应起一定的阻滞作用，不完全燃烧损失增加。另外，引入EGR使缸内最大爆发压力降低(如图6所示)，定容放热比例减小，每循环的做功量有所减少。在这些因素的综合作用下，指示热效率降低，且随着EGR率的增加，降低趋势更加明显。

3 结论

(1) 高负荷工况时，柴油机进气预混掺烧高比例甲醇，会出现强烈的压力振荡；引入适当的EGR可以显著降低燃烧初期时燃烧速度和加速度，抑制发动机工作粗暴。

(2) EGR的引入有助于缩短甲醇/柴油的滞燃期，减少预混合燃烧量；放热始点提前，放热率曲线呈双峰，预混放热量减少，扩散放热量增加。燃烧反应速率减缓，燃烧持续期延长。

(3) 随着甲醇掺烧比例的增加，双燃料发动机指示热效率提高。相同工况，保持掺烧48%甲醇不变时，双燃料发动机的指示热效率随着EGR率的增加而降低。

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