富氧燃烧对柴油机工作特性影响的试验研究*

周俊瑾　沈颖刚　徐波峰（-文山壮族苗族自治州技工学校云南文山663309 -昆明理工大学云南省内燃机重点实验室）

富氧燃烧对柴油机工作特性影响的试验研究*

周俊瑾1沈颖刚2徐波峰2
（1-文山壮族苗族自治州技工学校云南文山663309 2-昆明理工大学云南省内燃机重点实验室）

在一台增压柴油机上进行了富氧进气的试验研究，并在此基础上采用EGR技术，研究不同进气氧浓度下EGR率对柴油机排放特性的影响，以期改善柴油机NOx和碳烟的权衡关系。研究表明：富氧进气柴油机在同一进气氧浓度下，其有效燃油消耗率随着负荷的增加而明显减小；同一负荷时有效燃油消耗率随着氧浓度的升高而稍有降低。在富氧燃烧的基础上，引入EGR可以实现柴油机的烟度和NOx排放的同时降低，其关键是在一定的工况点匹配与之相适合的EGR率。当2 200 r/min全负荷工况下，进气氧浓度21%与EGR率20%组合、氧浓度22%与EGR率50%组合，烟度和NOx排放降低比例分别达到20.0%和14.8%、6.7%和19.2%。

增压柴油机富氧进气烟度NOx

引言

柴油发动机功率密度大，热效率高及燃油经济性好等特点［1］，使其广泛地应用在载重汽车、农用机械、工程机械、内燃机车及船舶舰艇等领域。传统柴油机的NOx和碳烟（Soot）排放控制方法相互矛盾［2］。

国内外关于内燃机富氧燃烧的相关研究表明，通过采用比空气中氧含量高的富氧空气助燃，可以显著提高燃烧效率和火焰温度，从而改善燃烧和排放性能，是一项具有广阔应用前景的高效节能技术［3-4］。由于富氧燃烧使得缸内燃烧更加完全，对于CO、HC及微粒（PM）的排放控制也有较好的效果；但由于氧体积分数的提升使燃烧温度升高，会导致一定程度的NOx排放恶化［5］。本文针对一台加装富氧装置的直列增压柴油机，用实验方法研究了在不同转速下进气氧浓度对柴油机排放和性能的影响；同时在此基础上，采用废气再循环（EGR）技术，通过CO2的高比热容吸热作用抑制燃烧室内的局部高温［6］，进行富氧状态下不同EGR率对柴油机排放特性影响的试验研究，旨在实现NOx和碳烟的同时降低。

1　试验装置与方法

本研究试验在天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室进行。试验所选用的样机是4100QBZL-2柴油机，该发动机的主要技术参数见表1。

表1　试验发动机主要技术参数

试验中所用仪器设备主要有AVL电涡流测功机、AVL DIGAS 4000 Light五组分汽车排放分析仪、佛山分析仪有限公司的烟度计等设备。根据富氧燃烧和EGR技术结合来控制柴油机排放的特性，特别是增压中冷柴油机由于其进气管平均压力高于排气管平均压力，废气不能自动从排气管流向进气管，故需要专门设计一套氧气供给系统和EGR循环系统，以保证发动机富氧进气浓度和所需EGR率的可控和灵活调节，试验台架设计与总布置见图1。

图1　试验台架设计与布置图

在测试过程中，富氧进气浓度由安装在进气管上的氧气检测仪来直接测试，氧浓度大小表示氧气所占进气中的体积百分比，即：

式中，m为氧气检测仪的读数，表示体积比。本文选用测量CO2来计算外部EGR率，根据测试CO2所占进气的体积百分比和排气中的CO2体积分数之比来表示，EGR率计算公式为：

式中（CO2）intake表示经过EGR废气稀释后进气中CO2的体积百分比；（CO2）exhaust表示排气中CO2的体积百分比。

2　试验结果及分析

2.1进气氧浓度的影响

本文中采用佛山全自动烟度计测量烟度，并以所测取的烟度来表示柴油机的微粒排放。试验时，柴油机参数不作任何改动，供油提前角为12.5°CA；选取转速为1 600 r/min和2 200 r/min，在不同负荷（25%、50%、75%和100%）下测试进气氧浓度（21%、22%、23%和24%）对柴油机性能与排放特性的影响规律。

2.1.1富氧进气对柴油机排放特性的影响

图2是转速分别为1 600 r/min和2 200 r/min，在不同负荷（25%、50%、75%和100%）下测试的柴油机烟度随着进气氧浓度变化的特性曲线图。

图2　不同负荷下进气氧浓度对烟度的影响

从图2中的曲线变化可以知道，同一工况时，柴油机的烟度随进气氧浓度的增加而大幅度减小。1 600 r/min最大减小幅度达到63.6%（负荷为50%），2 200 r/min最大减小幅度达到68.8%（负荷为100%），烟度降低效果十分明显。这主要因为随着进气氧浓度的升高，使得缸内氧含量增加，促进缸内燃料与空气的混合，加快燃烧速率，提高燃烧温度，缸内高温过浓局部区域减少，使燃烧更加充分；同时燃烧后期氧化强度增大，有利于降低烟度的排放。

图3是转速分别为1 600 r/min和2 200 r/min，在不同负荷（25%、50%、75%和100%）下测试的柴油机NOx排放随着进气氧浓度变化的特性曲线图。

图3　不同负荷下进气氧浓度对NOx的影响

由图3可知，同一工况下，发动机NOx排放随着进气氧浓度增加而急剧上升。1 600 r/min、25%负荷时最大上升幅度达到202.6%（氧浓度从21%增加至24%），2 200 r/min、25%负荷最大上升幅度达到185.3%（氧浓度从21%增加至24%）；在同一进气氧浓度下，发动机NOx排放随着负荷的不断增大而上升，上升趋势比较明显，1 600 r/min时增加幅度达到48.3%，2 200 r/min时增加幅度达到209.5%。

根据扩展的泽尔多维奇机理，影响柴油机NOx的形成主要有高温、富氧及高温滞留时间3个因素［7］。进气氧浓度对NOx的影响主要表现在两方面：1）进气氧浓度的大小影响燃料与氧气混合形成可燃混合气的速度，影响燃烧反应速率的快慢，进而影响缸内平均温度；2）氧气作为NOx生成的原料之一，进气氧浓度越高，NOx生成原料越丰富，相同的条件下越利于NOx的生成。

2.1.2富氧进气对柴油机经济性能的影响

图4是1 600 r/min和2 200 r/min转速下，在不同进气氧浓度下，有效燃油消耗率随着发动机负荷增大而变化的特性曲线图。

图4　不同负荷下进气氧浓度对有效燃油消耗率的影响

从图4可以看出，在1 600 r/min和2 200 r/min转速时，同一进气氧浓度下，有效燃油消耗率（比油耗）随着负荷的增加而减小，减小的变化幅度十分明显。最大减小幅度出现在进气氧浓度为23%时，降低比例可达25.0%和29.8%。同一负荷时，有效燃油消耗率随着氧浓度的升高而降低，但其降低幅度不大。

燃料燃烧的化学反应非常复杂，为便于说明问题，将燃料燃烧的化学反应简化成如下反应式［8］：

式中α、β、γ为计量系数，相应的化学反应速率公式为

从化学反应式来看，富氧进气使气缸内气体（工质）的氧浓度增加，燃料的化学反应速率加快，促进了燃料燃烧，从而燃料利用率得以提高。但是，由于实验时使用的发动机是增压柴油机，其原有的涡轮增压作用大大提高了柴油机的空气进气量，即提高了原机的进气密度，一定程度上也增加了缸内的氧气浓度，故原机的经济性已经得到了很好的改善。所以，同一负荷时，有效燃油消耗率随着氧浓度的升高而降低，但降低幅度不大，进气氧浓度由21%升高到24%时，2 200 r/min、100%负荷最佳降低效果能够达到3.3 g/（kW·h）。此外，在进气氧浓度增大到一定程度时，在个别工况出现了比油耗稍有回升的现象，其原因是富氧进气使燃烧滞燃期缩短，不利于混合气的形成，燃烧恶化，影响了燃料燃烧，故而在个别工况比油耗稍有回升。

2.2EGR对富氧进气柴油机的影响

从上节分析可知，富氧进气能有效降低柴油机的碳烟排放，但同时NOx排放也急剧升高。废气再循环（EGR）技术被认为是降低柴油机NOx排放的一种有效措施，但EGR率高意味着新鲜空气量减少，缸内燃烧会恶化，导致碳烟排放增加。基于前节转速为1 600 r/min和2 200 r/min，在不同负荷（25%、50%、75%和100%）下测试进气氧浓度对柴油机性能与排放特性影响的研究。本节将EGR与富氧技术结合，以2 200 r/min转速，75%和100%负荷为基点，通过不同进气氧浓度（21%、22%、23%和24%）下不同EGR率（20%、35%、45%和50%）对柴油机排放特性的影响研究，探索进气氧浓度与EGR率的最佳组合，以期改善柴油机NOx和碳烟的权衡关系。

图5是负荷分别为75%和100%，在不同进气氧浓度（21%、22%、23%和24%）下测试的柴油机烟度随着EGR率变化的特性曲线图。

图5　不同进气氧浓度下EGR率对烟度排放的影响

从图5中可以看出，在相同进气氧浓度时，柴油机的烟度随着EGR率的增加而明显增大，这是由于EGR稀释了新鲜空气充量，导致燃烧恶化，碳烟排放增多。当EGR率相同时，柴油机的烟度随着进气氧浓度的增大而明显降低。在同一EGR率下，当进气氧浓度由21%至24%变化，2 200 r/min、75%负荷工况下，在EGR率为20%时，烟度最大降低比例达到50.0%；在EGR率为45%处，烟度最大的降低比例达到76.2%。与原机相比，在不同富氧进气和EGR率的组合下，其大部分组合均远远低于原机的烟度，在富氧进气为24%和EGR为20%的组合情况下，发动机在2 200 r/min全负荷工况出现了烟度降低的最大幅度，在原机的基础上降低了80.0%。

出现上述现象的原因是多方面因素作用的结果，第一是由于富氧进气提高了缸内氧含量，弥补了由使用EGR带来的稀释进气新鲜充量的效果，特别在富氧进气的浓度在22%以上，氧气发挥了更大作用，有利于碳烟的氧化；同时引入EGR后，进气中的CO2和水蒸汽等三原子分子气体增加，缸内工质比热容增大，有效降低了最高燃烧温度与压力，有利于烟度降低。此外，EGR系统中包括排气稳压罐、中冷、混合稳压罐等系统，使引出的废气中含有的碳烟微粒等已经基本沉淀和冷凝，有利于烟度降低。

图6是负荷分别为75%和100%，在不同进气氧浓度（21%、22%、23%和24%）下测试的柴油机NOx排放随着EGR率变化的特性曲线图。

由图6可知，在同一EGR率下，柴油机的NOx排放随进气氧浓度的增加而升高。在相同进气氧浓度下，NOx排放随着EGR率的增加而降低。2 200r/min、75%负荷工况下，在进气氧浓度为21%处出现NOx排放的最大降低幅度达到52.5%；2 200 r/min的全负荷工况下，在进气氧浓度为24%处出现NOx排放的最大降低幅度达到38.4%。与原机相比，在不同进气氧浓度与EGR率的组合下，NOx排放在部分组合下远远低于原机，特别是在较低氧浓度和高EGR率范围工况内。例如在2 200 r/min、75%负荷工况，EGR率为50%处NOx排放最大降低幅度达到55.2%；进气氧浓度为22%时，在2 200 r/min、75%负荷工况下，EGR率为50%处其NOx排放最大降低幅度达到24.8%。

图6　不同进气氧浓度下EGR率对NOx排放的影响

此外，随着EGR率增加，稀释了混合气，有效降低最高燃烧温度与压力，减少了NOx排放。同时，由于直接引入发动机尾气来进行EGR，并未采取措施来降低EGR中的NOx含量，故NOx排放只在部分工况点优于原机。

在富氧进气的基础上引入EGR来同时降低柴油机烟度和NOx排放的关键是一定工况下，进气氧浓度与EGR率的最佳组合匹配。通过上述对2 200 r/min、75%和全负荷工况点的烟度和NOx排放的试验，综合考虑，可以得到一定工况点下柴油机使用不同的富氧进气浓度和EGR率的最佳组合。以2 200 r/min全负荷时为例，当进气氧浓度21%与EGR率20%组合、氧浓度22%与EGR率50%组合，实现了烟度和NOx排放同时降低的最佳组合，烟度和NOx排放降低比例分别为20.0%和14.8%、6.7%和19.2%。

3　结论

1）单一使用富氧进气能大幅度降低烟度，但同时也急剧提高了柴油机NOx排放，因此在富氧进气的基础上，需要采取必要的措施来降低NOx。

2）富氧进气柴油机在同一进气氧浓度下，其有效燃油消耗率随着负荷的增加而明显减小；同一负荷时有效燃油消耗率随着氧浓度的升高而稍有降低，这是因为柴油机涡轮增压作用提高了原机的进气密度，一定程度增加了缸内的氧气浓度，故原机的经济性已经得到了很好的改善。

3）在富氧燃烧的基础上，引入EGR可以同时实现柴油机的烟度和NOx排放的降低，其关键是在一定的工况点匹配与之相适合的EGR率。当2 200 r/min全负荷工况下，进气氧浓度21%与EGR率20%组合、氧浓度22%与EGR率50%组合，烟度和NOx排放降低比例分别达到20.0%和14.8%、6.7%和19.2%。

1张韦，舒歌群，沈颖刚，等.EGR与进气富氧对直喷柴油机NO和碳烟排放的影响［J］.内燃机学报，2012，30（1）：16-21

2Zhang W，Chen Z，Li W，et al.Influence of EGR and oxygenenriched air on diesel engine NO-Smoke emission and combustion characteristic［J］.Applied Energy，2013，107：304-314

3Perez P L，Boehman A L.Performance of a single-cylinder diesel engine using oxygen-enriched intake air at simulated high-altitudeconditions［J］.AerospaceScienceand Technology，2010，14（2）：83-94

4Byun H，Hong B，Lee B.The effect of oxygen enriched air obtained by gas separation membranes from the emission gas of diesel engines［J］.Desalination，2006，193（1）：73-81

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6Ladammatos N，Abdelhalim S M，Zhao H，et al.The dilution，chemical and thermal effects of exhaust gas recirculation on diesel engine emissions-Part 3：Effect of water vapour［C］. SAE Paper 971659

7安晓辉，刘波澜，张付军，等.基于氧浓度的EGR对柴油机性能影响的仿真［J］.内燃机学报，2013，31（2）：115-119

8蒋德明.内燃机燃烧与排放学［M］.西安：西安交通大学出版社，2001

An Experimental Study on the Influence of Oxygen-enriched Combustion on the Working
Characteristics of Diesel Engine

Zhou Junjin1，Shen Yinggang2，Xu Bofeng2
1-The Vestibule School in Wenshan State（Wenshan，Yunnan，663309，China）2-Yunnan Key Laboratory of Internal Combustion Engine，Kunming University of Science and Technology

There is an experimental investigation of intake oxygen enrichment on a turbocharged diesel engine，using EGR technology studying the influence of the EGR ratio under different intake oxygen concentration on diesel emission performance，in order to improve the trade-off relation between the NOx and soot.The research shows that，under the same inlet oxygen concentration，the effective specific fuel consumption obviously decreases with the increase of load；and the effective specific fuel consumption slightly declines with the increase of oxygen concentration under the same load.Based on the intake oxygen enrichment，using EGR can both achieve the decrease of soot and NOx emission，the significant point is the fit EGR ratio under certain operating point.Under full charge with 2200r/min，oxygen concentration and EGR ratio are 21%and 20%，22%and 50%，while the emission reduction ratio of soot and NOx are 20.0% and 14.8%，6.7%and 19.2%.

Turbocharged diesel engine，Intake oxygen enrichment，Smoke，NOx

TK421.2

A

2095-8234（2016）04-0015-05

2016-04-25）

国家自然科学基金（51366007）。

周俊瑾（1978-），男，助理讲师，主要研究方向为汽车应用技术。