当量比下EGR对天然气发动机性能影响的研究

李垂孝　朱昌吉（吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室　吉林　长春　130025）

当量比下EGR对天然气发动机性能影响的研究

李垂孝朱昌吉（吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室吉林长春130025）

摘要：在一台增压中冷天然气发动机上，研究了理论当量混合气条件下EGR对天然气发动机性能的影响。结果表明：在2000 r/min，λ=1及一定的点火提前角（上止点前35°CA）条件下，通入不同的EGR率，在小、大负荷联合三元催化转化器可以很好地控制排放在很低的水平；不同负荷下小的EGR率对经济性及动力性影响较小，大EGR率对经济性恶化明显。

关键词：CNG发动机理论空燃比燃烧EGR排放经济性动力性

引言

内燃机的废气排放问题已经变成了一个尖锐的环境和社会问题，天然气是一种经过实践证明可以应用于内燃机上的理想替代燃料，相比于汽油和柴油，它可以有效地减轻对环境的负担[1]。天然气的应用相比于汽油、柴油更加安全，在标准大气压下，天然气的点火温度是260℃，发生泄漏时因为密度比空气低，可以迅速地升至高空，并且泄露的的天然气不会对大气造成污染[2]，我国CNG燃料储量丰富，有着广阔的应用前景。

目前解决CNG发动机排放问题主要有两种策略[3]：稀燃和当量比联合EGR和三效转化器。目前大部分的天然气发动机采用稀薄燃烧的方法取得低的NOx排放和高效率，然而稀燃策略不足以应对将来更加严格的排放法规；当量比燃烧+EGR+三效转化器（TWC）的方法是成本最低的可以运用的技术，可以实现将NOx、HC、CO控制在极低的水平。美国西南院和康明斯公司针对理论空燃比+EGR+TWC的路线进行了大量的研究[4]。本实验首先通过优化出最佳点火提前角，然后研究通入不同EGR率对发动机性能的影响规律。

1　实验设备及方法

实验用的天然气发动机基本参数如表1所示：本实验所匹配增压器为霍尼韦尔TB28增压器，具体实验设备的名称、规格型号及生产厂家如表2所示。

表1　发动机基本参数

表2　实验设备及仪器

废气再循环技术（EGR）可以很好地实现降低发动机热负荷[5]，抑制氮氧化物的生成，部分负荷可以使经济性提高，通过实验量化的方法可以应对大缸径当量比燃烧发动机的燃烧问题，本实验的EGR设计取自涡后低压循环，如图1所示。

图1 EGR低压回路循环示意图

本实验的控制系统通过计算机串口和ECU之间的通信进行了点火和喷气脉普图的修改，可以实现对故障诊断、点火、怠速等功能的控制，完成了ECU的开发工作，如图2所示。

实验所选择的工况按照相关的排放标准经计算选择转速为2000 r/min，λ=1的条件下，研究点火提前角（SAA）及EGR对CNG发动机燃烧的影响规律。

图2　控制系统工作原理图

2　当量比条件下点火提前角对性能的影响

在发动机转速为2000 r/min，λ=1，天然气流量为3.84 kg/h（10%负荷）、6.15 Kg/h（25%负荷）、9.25 kg/h（50%负荷），研究了点火提前角SAA=25、30、35、40、45°CA时的经济性、热负荷、排放性的变化情况。

图3、4、5为不同负荷时点火提前角与燃油消耗率、排温、NOx的排放量的变化关系曲线图。

对于发动机的每一工况都对应有最佳的点火提前角。由图3、4的点火提前角特性可以得出：点火提前角对10%负荷的燃油经济性影响较大，25%、50%负荷时燃油消耗率曲线变化平稳，有效功率在不同的负荷时呈现出递增趋势；在50%负荷时点火角过大会使功率下降，小负荷功率呈现缓慢的递增趋势。这是因为在小负荷时充量系数低，残余废气系数高，点火角的提前可以较好地改善燃烧，中负荷点火角过于提前将会使压缩负功变大，从而使得功率降低。经过分析，在上止点前35~40°CA可以取得较好的经济性和动力性。

图4　不同负荷下SAA与有效功率的关系曲线

图5　不同负荷下SAA与NOx排放量的关系曲线

图6、7研究了点火提前角和氮氧化物、排温的关系曲线。结果表明：随着负荷的增加，温度增加，NOx的生成增加幅度较大，排温呈现出降低的趋势，原因是高温易于NOx的生成，点火提前减少了后燃。研究发现，从排放和排温的角度来说上止点前35°CA较为合适。综合上述分析，实验发动机的最佳点火提前角选为上止点前35°CA。

图6　不同负荷下SAA与排气温度的关系曲线

3　当量比条件下不同EGR率对整机性能的影响

图7、8、9、10、11研究了在天然气当量比燃烧、最优点火提前角时通入不同质量分数的EGR率对发动机的排放性、经济性、动力性的影响规律。对图7、8、9排放性分析可知：变化关系显示在当量比燃烧EGR率为零的情况下，高负荷所产生的排放物的量要高于低负荷。随着EGR惰性气体的加入，25%负荷时的CO和HC在小于8%EGR率时变化不明显，EGR率超过8%时，两者产生量迅速增加；在75%负荷时CO、NOx排放物均有不同程度的降低，HC略有增加。

以上现象的原因解释为：在小负荷时，EGR量的增加会造成低温、缺氧的环境，有利于CO和HC的生成，EGR惰性气体的通入加剧了氧含量的减少，一定程度上抑制了NOx的生成。通过分析25%负荷经过TWC催化后，CO可以实现零排放，HC在EGR率超过8%后上升较快，NOx的排放得到了很好的控制；在高负荷（75%）时，缸内的温度升高，燃烧质量相比小负荷提高，在通入较小量的EGR有效地减少了CO的生成量；因为惰性气体多为双原子，等熵指数较大，可以降低发动机的热负荷，从而有效地减少高负荷时的NOx量，从图9的曲线可以看出NOx线性下降；随着EGR的通入，会使得猝熄现象增加，HC略有增加。对75%负荷催化后的数据进行分析可以得出：相比于低负荷排放的效果更好，当量比联合EGR在高负荷可以很好地控制排放。通过排放性的分析可知，在EGR率为8%时可以取得较好的效果。

图7 不同负荷时CO随EGR量的变化关系

图8 不同负荷时HC随EGR量的变化关系

图10、11为在不同负荷时EGR率对动力性和经济性的分析。由图10可见，随着EGR率的升高，扭矩降低，其中75%负荷时的扭矩下降趋势较快。由图11可知，高、低负荷的燃油消耗率随着EGR率的升高呈现出上升的趋势。在低负荷时的燃油消耗率将会随着EGR的通入而增加。这是因为在低负荷的燃烧质量原本较差，加之EGR占据一定的进气量且为惰性气体，从而使得燃烧更加恶化，热效率降低，油耗上升，扭矩降低；高负荷时，燃烧质量相对较好，一定EGR量的加入可以使当量比燃烧得更柔和，双原子数的增多，一定程度上可以提高热效率，有利于提高经济性。同样地因为EGR占据进气空间，使得充量系数降低，从而扭矩下降，从变化曲线可以看出，高负荷时扭矩的下降趋势明显比小负荷快。

综合上述分析，本试验用发动机在通入EGR率8%～10%时联合三元催化转化器，可以在当量比燃烧条件下实现高效率的转化废气，同时将3种主要排放物转化到很低的程度，很好地控制了发动机的排放；相比于稀燃，当量比燃烧可以保证发动机的动力性[6]，在低负荷时由于EGR的通入，降低了泵气损失，但是会使经济性变得较差；在高负荷时为了取得较低的燃油消耗率不宜使用大EGR率。

图9 不同负荷时NO随EGR量的变化关系

图10　不同负荷时扭矩随EGR量的变化关系

图11　不同负荷时燃油消耗率随EGR量的变化关系

4　结论

1）通过分析点火提前角特性及排放性和经济性，上止点前35°CA为本实验研究CNG发动机的最佳点火提前角。

2）发动机使用8%～10%小的EGR率时，对经济性，动力性影响较低，大EGR率对经济性恶化明显。

3）当量比组合TWC技术可以很好的解决排放问题。

参考文献

1Semin，Bakar,R.A.A technical review of compressed natural gas as an alternative fuel for internal combustion engines.American J.of Engineering and Applied Sciences，2008，1（4）：302~311

2Saanum，I.，Bysveen，M.，Tunestål，P.，etal.Lean burn versus stoichiometric operation with EGR and 3-way catalyst of an engine fueled with natural gas and hydrogen enriched naturalgas[C].SAEPaper2007-01-0015

3Boretti，A.，Lappas，P.，Zhang，B.，etal.CNG fueling strategies for commercialvehiclesengines-A literature review [C].SAEPaper 2013-01-2812

4Southwest Research Institute.Meeting Euro VI emissions with natural gas engines[EB/OL].2013-5.H ttp：//www. swarc.com.cn/swarc/lib/rootfiles/6.pdf

5莫海俊，黄永全，冒晓建，等.天然气发动机EGR系统的数值研究[J].车用发动机，2012（6）：72～79

6姜士阳.天然气发动机理论空燃比与稀燃对比研究[J].农机化研究，2010，32（10）：195～198

中图分类号：TK46+.4

文献标识码：A

文章编号：2095-8234（2015）02-0016-04Abstract：For understanding the effect of EGR under Stoichiometric Operation on CNG engine performance，some experiments have been done in a CNG enginewith turbocharged and intercooled system.The resultsshow thaton the condition ofstoichiometric combustion and the bestsparkingadvanceangle（SAA= 35deg BTDC）at RPM=2000r/min，the full and part load with a three way catalyst diluted with EGR can control the emission in a very low level；the effectof the low-EGR isnot very obvious for the economic and power characteristics，and thehigh-EGRwillmake theeconomic characteristicsdeteriorate.

收稿日期：（2015-02-02）

作者简介：李垂孝（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向为发动机代用燃料。

Influenceof EGRw ith Stoichiometric Operation on CNG Engine Performance

LiChuixiao,Zhu Changji
NationalKeyLab ofAutomobile Dynamic Simulation，Jilin University（Changchun，Jilin，130025，China）

Keywords：CNGEngine，Stoichiometric combustion，EGR，Emissions，Economic characteristics，Power characteristics