废气再循环率及可变压缩比对PCCI柴油机

王浩

摘 要：预混压燃（PCCI）柴油机的预混压燃功能是通过调整进气门关闭时刻和提前喷油角度实现的，其能有效的控制可溶性有机物的排放，在PCCI柴油机中，加入废气再循环系统（EGR）能有效的控制一氧化氮的排放，降低压缩比能够显著推迟缸内着火时刻，强化油气混合，同时降低氮氧化合物和干碳烟的排放，但油耗会提高，本文阐述了废气再循环率及可变压缩比如何对PCCI柴油机燃烧和排放产生影响。

关键词：PCCI；柴油机；废气再循环率；EGR；压缩比

中图分类号：TK427 文献标识码：A

柴油机作为运输动力之一，具有良好的热效率和燃油经济性，然而，同时碳氢化合物的排放和干碳烟的排放方面也带来了很明显的环境污染问题，因此节能减排成为了当代发动机研究发展的重要方向之一。通过提高发动机压缩比可以加快发动机缸内燃烧速度，从而提高发动机的功率扭矩输出，降低燃油消耗率，减少碳氢化合物和一氧化碳排放等，与此同时，氮氧化合物将会增多，要有效降低发动机的排放则可采用废气再循环（EGR）技术。因此，预混压燃（PCCI）能够有效的降低碳烟和碳氢化合物的排放，废气再循环率（EGR）及可变压缩比则是影响PCCI柴油机燃烧和排放的主要原因。当今的排放法规对内燃机技术提出了更严格的要求，如何在保持良好经济性的同时，降低颗粒物和氮氧化合物排放，实现高效、清洁燃烧已成为柴油机燃烧技术所面临的共同难题与挑战。

一、可变压缩比（VCR）对PCCI柴油机燃烧和排放的影响

1 压缩比计算

ε=Va/VC

ε表示压缩比，Va表示活塞处于下止点时气缸内的最大容积，VC表示活塞处于上止点时气缸内的容积，即为燃烧室容积。

压缩比是指发动机混合气体被压缩的程度，用压缩前的气缸总容积与压缩后的气缸容积（即燃烧室容积）之比来表示。当压缩比较高时，压缩结束时所产生的气缸压力与温度相对地提高，当接近压缩上止点时，燃油分子能汽化得更完全，颗粒能更细密，混合气混合质量更好，在自燃瞬间更充分释放出爆发能量，推动活塞下行来实现发动机的动力输出。当压缩比较低时，燃烧的时间会延长，增加发动机的温度并消耗能量，发动机动力的输出并未增加，因而，高的压缩比对提高发动机性能有利。压缩比的变化将对缸内燃烧产生影响，导致压缩终点时的缸内压力的变化和混合气温度的变化。

2 可变压縮比（VCR）对PCCI柴油机燃烧和排放的影响

可变压缩比（VCR）是根据柴油机内不同的负荷，采用提高或降低发动机的压缩比方法，在低负荷时，通过提高压缩比来增大发动机的温度和平均有效压力，进而使热效率增大，增大压缩比通过减小气缸容积，增大压缩冲程的最大缸内压力从而提高发动机的功率和扭矩等，但同时会使发动机的燃烧温度过高，爆震倾向严重，排气温度过高。如果和其他技术相结合，则可以扩大压缩比的使用范围；在高负荷时，是降低压缩比，降低柴油机的爆震倾向，可以有效降低发动机的爆震倾向，此时即可使用较高的压缩比，一方面弥补由于的使用造成的功率损失，另一方面对于减少发动机油耗方面也可以有很好的效果。柴油机压缩比变化的空间相对有限，然而通过可变压缩比技术，可以使柴油机的经济性和排放性得到改善，如果和其他技术相结合，则可以扩大压缩比的使用范围，如在高负荷时采用废气再循环（EGR），能有效降低发动机的爆震倾向，此时可提高的压缩比，能有效的弥补由于使用废气再循环（EGR）而造成的功率损失，进而减少发动机油耗方面。

可以根据发动机工况的不同适时改变压缩比，从而获得更好的动力性能或者爆震性能，提高发动机的稳定性，可变压缩比柴油机能提高发动机的平均有效压力进而提高升功率，降低发动机的燃油消耗率，降低发动机的部分排放物的生成量，如氮氧化物、碳烟和碳氢化合物等，有效的提高燃料的能量利用率，增强发动机的燃料适应性。可变压缩比发动机减少摩擦损失和时间损失，尽管冷却损失和漏气带来的损失增加，可以抵消在同样的压缩比下，较高的压缩比与可变压缩比（VCR）发动机的活塞运动特点相结合可以提高燃烧的稳定性，从而可以扩大废气再循环（EGR）极限，最终达到减少油耗与排放的目的，并满足更严格的排放法规要求。

二、废气再循环（EGR）率对PCCI柴油机燃烧和排放的影响

1 EGR率计算

mA表示新进气质量，mE表示循环废气质量。

废气再循环（EGR）率通常是指再循环废气的百分比，是重新进入气缸中废气的质量与进入气缸总的混合气质量的比值。废气再循环（EGR）系统则主要通过惰性气体在燃烧室内对燃烧的抑制作用，来影響燃烧速率、燃烧温度以及氧浓度产生，进而对发动机的排放和各项性能产生作用。不同压缩比下废气再循环（EGR）率对发动机HC、CO、NOX排放的影响如图1所示。

2 废气再循环（EGR）率对PCCI柴油机燃烧和排放的影响

废气再循环（EGR）在柴油机中还可以有效降低发动机的爆震倾向，在低负荷情况下可以通过降低泵气损失来降低燃油消耗率，但废气再循环（EGR）率过大则会使燃烧恶化，大大降低发动机的动力性和经济性。由于不同的废气再循环（EGR）率下，进入气缸中废气多少的不同，会使发动机的动力性、燃油经济性及其他性能表现有所变化，当发动机排气烟度随废气再循环率增加而增加。废气再循环系统会使残余废气系数增加，使更多残余废气进入发动机循环，同时采用废气再循环系统也会导致的进气节流，造成进气限力增加，新鲜充量减少，导致缸内混合气的过量空气系数降低，烟度增加。当在中高负荷时，柴油机过量空气系数远低于无废气再循环系统柴油机，烟度增加的幅度较大；在低负荷时，柴油机过量空气系数较大，废气再循环对过量空气系数的影响相对减弱，烟度恶化的趋势也相对较小，随着废气的引入，氮氧化合物排放降低，但烟度排放值升高，大负荷工况时烟度恶化更明显。

废气再循环（EGR）系统分为冷废气再循环和热废气再循环，冷废气再循环为排气经过冷却循环之后进入进气管道与新鲜空气混合，而后进入燃烧室的循环。热废气再循环未经冷却循环而直接与新鲜空气混合然后进入气缸燃烧的循环。冷废气再循环促使进气的密度提高，进而提高了发动机的容积效率，同时温度的降低可以进一步降低燃烧温度，从而降低的排放，但与热废气再循环相比排放和循环波动增加。冷废气再循环能有效降低汽油机的爆震倾向。冷却再循环废气温度较低，热效率有所下降，但同时增加大了进气密度，提高了发动机的容积效率。在循环波动方面，由于冷废气再循环使混合气温度较低，使混合气不均匀，在燃烧时候会出现局部的燃烧恶化，从而使燃烧产物中一氧化碳和氮氧化合物含量增多，并随着废气量的增多，在燃烧时候就会出现燃烧不稳定，火焰传播变动较大，对排放产生巨大影响，随着废气再循环率的提高，排放大幅下降。

热废气再循环过程中，热废气仍然具有很高的温度，在与新鲜空气进行混合的时候扩散较快，废气的加热效果和燃烧温度的提高促进了混合气的燃烧，更容易与新鲜空气均匀混合，燃烧温度相对较高。燃烧时循环波动比冷时要低，可以提高缸内的层流火焰速度。因此，热废气再循环的一氧化碳和碳氢化合物相对较少，而排放则有所上升。热废气再循环可以利用废气的余热对新鲜混合气进行加热，从而提高的混合气的蒸发和雾化效果，在一定程度上促进了混合气的燃烧，提高了发动机的热效率。随着废气再循环率的增加，会在一定程度上使柴油机的滞燃期、燃烧持续期变短，燃烧温度、热效率均有所下降，在一定程度上促进了混合气的燃烧，提高了发动机的热效率。

结论

废气再循环主要是靠降低缸内的层流火焰速度来使循环波动增大，对平均流动速度和湍流强度影响作用小，而压缩比对三者都有影响，压缩比的增大会提高层流火焰速度、湍流强度和平均流动速度，从而可以降低发动机的循环波动。在相同的压缩比下，由于废气中惰性气体的作用，随着EGR比率的增大，混合气稀释而使缸内氧气浓度降低，缸内燃烧受到抑制，缸内温度降低。从而在燃烧过程中使氮氧化物生成量随EGR比率的增大大幅下降。因而废气再循环率及可变压缩比协同作用对预混压燃（PCCI）柴油机燃烧和排放的影响，能合理的组织燃烧过程，以使柴油机的经济性和排放性得到有效改善，并满足更严格的排放法规要求。

参考文献

[1]吴延霞，郑要权.EGR率对降低柴油机NOX排放的应用研究[J].德州学院学报，2010（06）：45-47.

[2]牛钊文，周斌，等.可变压缩比技术的研究与展望[J].内燃机，2010（04）：44-49.

[3]杨帅，张振东，应启戛，等.EGR率对柴油机排放特性影响的试验[J].农业机械学报，2006，37（05）：29-33.

[4]杜慧起，尤明福.可变压缩比技术对发动机性能影响的研究[J].上海汽车，2009（11）：17-19.