废气再循环对燃用生物柴油发动机排放的影响

楼狄明, 徐　宁, 谭丕强, 胡志远

(同济大学 汽车学院, 上海 201804)



废气再循环对燃用生物柴油发动机排放的影响

楼狄明, 徐宁, 谭丕强, 胡志远

(同济大学 汽车学院, 上海 201804)

基于一台匹配冷却废气再循环系统(EGR)的轻型高压共轨柴油机，试验研究了EGR与主喷正时对燃用生物柴油发动机排放特性的影响.结果表明：外特性下，燃用生物柴油后，发动机的氮氧化合物(NOx)排放明显增加，而总碳氢化合物(THC)排放和超细颗粒排放数量浓度都明显降低.在转速为2 200 r·min-1的25%负荷下，随着EGR率的增加，NOx排放、超细颗粒总数量浓度都明显减少，THC排放以及燃油消耗率都降低，而随着主喷的滞后，NOx排放和超细颗粒总数量浓度也明显减少，但燃油消耗率和THC排放却增加；在50%负荷，随着EGR率的增大和主喷的滞后，NOx排放和超细颗粒总数量浓度也明显减少，但THC排放和燃油消耗率都增加；主喷正时对超细颗粒数量的影响相对较小.综合考虑排放和燃油经济性，在25%负荷时采用较大EGR率(26%)和较早主喷(提前7.7°曲轴转角)方案，而在50%负荷时采用中等EGR率(18%)和较早主喷 (提前6.3°曲轴转角)方案.

生物柴油; 废气再循环; 主喷正时; 排放特性

生物柴油作为一种替代燃料，与石化柴油相比，生命周期中CO2净释放量少[1]，对解决日益严重的化石燃料短缺和温室气体的控制等问题意义重大[2].近年来国内外也开展了大量生物柴油在柴油机上应用的研究[3-6]，证明了生物柴油作为替代燃料的可行性.生物柴油在中国也慢慢从研究探索阶段走向推广应用阶段，按照2015年5月发布的《加快成品油质量升级工作方案》，2016年1月1日起，符合国Ⅴ标准的车用柴油(含B5生物柴油)也将在中国东部地区11个省市全面供应，生物柴油被正式纳入中国油品目录.

但国内外研究也发现，柴油机燃用生物柴油后，NOx排放会有所增加[4-6]，需要通过其他手段来加以控制[7].而废气再循环(EGR)是目前降低轻型柴油机NOx排放的最有效的技术手段之一，且其成本相对选择性催化还原系统(SCR)较低.研究发现EGR率的增加可以很好地抑制NOx的排放，但同时也会使HC(碳氢化合物)、CO排放以及碳烟的排放增加[7-8]，其中碳烟中的吸附有多种具有不同程度的诱变和致癌作用有机物质的超细颗粒可以通过人体的呼吸直达肺部并沉积下来，对人体健康极为不利，且微粒尺寸相对微粒质量危害更严重[9-10]，需要对超细颗粒排放的数量加以控制.

国内外已经研究通过协调喷油策略和EGR来控制燃用石化柴油发动机的排放[7,9-12]，在生物柴油方面，Qi等[13]研究了主喷正时和EGR率对燃用大豆油制生物柴油燃烧和排放的影响，发现随着EGR率的增大，燃油消耗率和烟度排放都略有增加，NOx排放则明显降低，随着主喷的滞后，燃油消耗率略微增加，NOx排放则明显降低，烟度排放则基本不变.Qi等[14]的研究则发现主喷正时对CO,HC排放的影响不明显，而NOx排放则随着主喷的滞后明显减小，而随着EGR率的增大，CO和HC排放明显增加，NOx排放则明显减少，超细颗粒数量浓度也因为废气回流导致聚并作用增加而明显增加.这都证明在合理的EGR率和喷油策略组合下能同时实现在保证动力性经济性的同时，降低相关排放，但这些研究多针对较低喷油压力的重型柴油机.而对燃用生物柴油的轻型柴油发动机，也需针对性地探究EGR及喷油参数对其NOx排放和颗粒排放的影响，这对于更好控制燃用生物柴油发动机的排放很有意义[7].

1　试验装置及方案

试验燃料包括生物柴油(B100)以及国Ⅴ柴油(D100)，其理化特性对比如表1所示.可见生物柴油具有密度较小，运动黏度较大、冷滤点高、十六烷值略高、热值较低、含氧量较高等特点.

试验对象为一台排量为2.5 L的涡轮增压直列四缸高压共轨柴油机.最大转矩330 N·m，对应转速为2 200 r·min-1，额定功率为100 kW.使用Horiba OBS 2000车载排放分析仪进行NOx及THC等气态排放测试，使用TSI 3090 EEPS发动机排气粒径分析仪进行超细颗粒粒径分布特性进行测试，其检测粒径范围是5.6～560.0 nm，包含两种形态的颗粒：核态颗粒(粒径范围5～50 nm)，主要为在尾气稀释和冷却过程中，挥发性有机化合物和硫酸盐因冷凝成核作用形成的颗粒；聚积态颗粒(粒径范围50～1 000 nm)[9-10]，主要包括在燃烧过程中形成的碳黑颗粒，也包括其表面吸附的一些挥发性物质[12].试验系统具体布置如图1所示.

表1　试验用油理化特性Tab.1　Properties and characteristics of fuels

图1　试验系统布置图Fig.1　Layout of experiment system

首先进行了轻型柴油机燃用生物柴油和国V柴油的排放对比试验.研究表明，一般在中低负荷时使用较大EGR率，而在高负荷时为保证动力性经济性不受太大影响，一般不使用EGR[15-16].因此研究只围绕常用的最大转矩转速2 200 r·min-1的25%和50%负荷两个工况，以原机标定参数为基础，分别设计了针对EGR率和主喷正时两个因素的多水平全因子试验，重点研究EGR耦合主喷正时对燃用生物柴油轻型柴油机排放特性的影响，试验工况点具体参数如表2所示，主喷正时单位为提前上止点(BTDC)的曲轴转角(CA)度数.

表2　试验工况点分布及特性Tab.2　Distribution and characteristics of test operating point

1) 代表原机.

2　试验结果及分析

2.1燃用生物柴油对发动机排放的影响

图2为燃用生物柴油对发动机NOx排放和THC排放的影响.从图中可以看出，燃用生物柴油后相对燃用国Ⅴ柴油，外特性下，NOx排放平均增加了16.5%，而THC排放则平均降低了21.6%.这主要是因为生物柴油分子内含氧，导致燃烧比较充分[5].

图3为燃用纯生物柴油对包括核态和聚积态的超细颗粒排放总数量浓度和核态颗粒数量浓度所占总数量浓度比例的影响.从图3可见，外特性下，燃用纯生物柴油后，超细颗粒排放总数量浓度降低，平均下降了43%；核态颗粒和聚积态颗粒数量浓度也都降低，平均降幅分别为45.6%和40.9%；核态颗粒数量浓度所占比例在转速小于2 200 r·min-1的中低转速时低于国Ⅴ柴油，而在转速高于2 200 r·min-1时却高于国Ⅴ柴油.

a NOx排放

b THC排放图2　外特性下燃用生物柴油对发动机NOx和THC排放的影响Fig.2　Effects of biodiesel on NOx and THC emissions at WOT

图3　外特性下生物柴油对超细颗粒排放总数量浓度的影响Fig.3　Effects of biodiesel on ultra-particulate concentration at WOT

2.2EGR与主喷正时对NOx排放的影响

图4为EGR与主喷正时对燃用生物柴油轻型柴油机NOx排放的影响.

从图中可以看出，各负荷下，随着EGR率的增大和主喷正时的滞后，NOx排放都明显降低.其中，在25%负荷下，EGR率为33%时相对为8%时，NOx排放平均降低了60.9%；50%负荷下，EGR率为28%时相对为12%时，平均分别降低了85.5%.这主要是因为废气回流后，缸内氧气浓度减少且NOx生成反应过程中生成物浓度增加，导致反应向减少NOx方向进行.在25%负荷下，主喷提前角为4.7° 曲轴转角时相对8.7° 曲轴转角时，NOx排放平均分别降低了28.0%；50%负荷下，主喷提前角为3.3° 曲轴转角时相对为7.3°曲轴转角时，NOx排放平均分别降低了30.9%.这主要是因为主喷滞后使得滞燃期缩短，预混合燃烧比例降低，燃烧重心后移，扩散燃烧相对缓和，扩散燃烧火焰面处温度降低.可见，通过调整EGR率和调整主喷正时降低NOx排放的效果都比较明显，但调整前者相对更加明显.

2.3EGR与主喷正时对超细颗粒排放数量特性的影响

图5和图6分别为EGR与主喷正时对燃用生物柴油轻型柴油机超细颗粒排放总数量浓度及超细颗粒排放数量浓度粒径分布的影响.从图5中可以看出，各负荷下，超细颗粒排放数量浓度，随着EGR率的增大，都明显降低，而随着主喷的滞后，只是略有降低.其中25%负荷下，EGR率为33%时相对为8%时的颗粒排放数量浓度平均减少了62.7%，而主喷提前4.7° 曲轴转角时相对提前8.7° 曲轴转角减少了13.3%;50%负荷下，对应EGR率为28%时相对为12%时，减少了87.3%，而主喷提前角为3.3°曲轴转角时相对为7.3°曲轴转角时，减少了17.6%.可见，喷油正时对超细颗粒排放数量的影响相对较小.各负荷下，随着EGR率增大和主喷滞后，超细颗粒总数量的减少都主要是由核态颗粒数量的减少引起的，如图6所示.

a 25%负荷

b 50%负荷图4　EGR与主喷正时对NOx排放的影响Fig.4　Effects of EGR and main injection time on NOx emission

a 25%负荷

b 50%负荷图5　EGR与主喷正时对超细颗粒排放总数量的影响Fig.5　Effects of EGR and main injection time on total ultra-particulate

a 25%负荷下EGR的影响

b 25%负荷下主喷正时的影响

c 50%负荷下EGR的影响

d 50%负荷下主喷正时的影响

图6EGR与主喷正时对超细颗粒数量浓度粒径分布的影响

Fig.6Effects of EGR and main injection time on distribution of ultra-particulate concentration

从图6中还可以看出，各负荷下，聚集态颗粒数量浓度所占比例很小，而核态颗粒数量浓度所占总颗粒数量浓度比例很高，其中在25%负荷时高达95%～98%，50%负荷时达76%～99%，这主要是因为中低负荷时，空燃比较大，高温缺氧生成的碳烟少，聚并成聚集态颗粒较少.随着EGR率的增大，在25%负荷时，核态颗粒数量浓度在对应粒径范围内都较明显增大，而聚集态颗粒数量浓度也呈增大趋势，但不明显;而在50%负荷时，核态颗粒数量浓度对应粒径范围内都明显减小，聚集态颗粒数量浓度也明显增大.核态颗粒数量浓度减小主要是因为EGR率增大后，排气温度升高，如图7所示.核态颗粒形成过程中冷凝成核作用减弱而氧化作用加强，同时进气温度也升高，滞燃期变短，使柴油雾化更好，燃烧过程挥发性高分子有机物生成减少.而聚集态颗粒数量浓度略有增大,主要是因为EGR率增大后，缸内氧气浓度下降，高温缺氧区域扩大，碳烟颗粒增多，聚并而成的聚集态颗粒也增多，且在中负荷时，缸内含氧量本身较低，所以由氧浓度下降引起聚集态颗粒数量增多的趋势就更明显.而随着喷油正时的滞后，核态颗粒数量浓度也有所减少，聚集态颗粒也呈增多趋势，这主要是因为主喷正时滞后，滞燃期变短，扩散燃烧比例提高，油滴雾化时间变短，生成的高分子有机物减少，而高温缺氧形成的碳烟颗粒反而增加.但主喷正时滞后相对EGR率对超细颗粒排放数量的影响不明显，这主要是因为喷油正时对排气温度影响不大，颗粒后续氧化作用没有加强.

a 25%负荷

b 50%负荷图7　EGR与主喷正时对排气温度的影响Fig.7　Effects of EGR and main injection time on exhaust temperature

2.4EGR与主喷正时对THC排放的影响

图8为EGR与主喷正时对燃用生物柴油轻型柴油机THC排放的影响.从图8可以看出，EGR率对THC排放的影响在中低负荷时表现不同，在25%负荷时，随着EGR率的增大，THC排放呈减少趋势；而在50%负荷时，却呈增加趋势.这主要是因为在低负荷时，缸内富氧，EGR率增大对空燃比影响较小，而使其进气温度增加进而导致着火极限范围扩大的趋势较明显；但在中负荷时，EGR率增大引起氧气浓度下降恶化燃烧的趋势突显.而随着喷油正时的滞后，THC排放在25%和50%负荷下都增加，这主要是因为主喷滞后，滞燃期变短，扩散燃烧比例降低.

a 25%负荷

b 50%负荷图8　EGR与主喷正时对THC排放的影响Fig.8　Effects of EGR and main injection time on THC emission

2.5EGR与主喷正时对燃油经济性的影响

图9为EGR与主喷正时对燃用生物柴油轻型柴油机燃油消耗率的影响.从图9可以看出，EGR率对燃油经济性的影响在中低负荷时表现也不同，在25%负荷时，随着EGR率的增大，燃油消耗率减小；而在50%负荷时却增加.这主要是因为低负荷时，废气回流量增大后，导致进气温度增加，进而使得燃油雾化效果变好，燃烧更充分，而中负荷缸内空燃比本身就较小，废气回流使缸内氧气含量进一步减少，燃烧不充分，热效率降低.而随着喷油正时的滞后，燃油消耗率在25%和50%负荷下都增加.

a 25%负荷

b 50%负荷图9　EGR与主喷正时对燃油消耗率的影响Fig.9　Effects of EGR and main injection time on BSFC

2.6以发动机综合性能为目标的EGR率和主喷正时参数优化

建立了综合考虑发动机燃油经济性和排放的发动机优化方程，如下式：

(1)

式中:Zi(i=1，2，3，4)和ηi分别代表各EGR率和主喷正时组合策略下相对原机策略下，燃油消耗率、NOx排放、超细颗粒排放总数量和THC排放降低百分比经过标准分数标准化后的结果以及其加权系数.因为THC排放本身很低，所以加权系数为0，其他加权系数都取1.优化结果如图10所示.在25%负荷时，选用较大EGR率(26%)和较早主喷(7.7°曲轴转角)，可以使燃油消耗率、NOx排放、超细颗粒排放数量浓度和THC排放都降低；在50%负荷时，选择中等EGR率(18%)和较早主喷 (6.3°曲轴转角)，尽管NOx排放和超细颗粒排放数量浓度增加，但燃油经济性会大大改善.

a 25%负荷

b 50%负荷

图10优化结果

Fig.10Optimization results

3　结论

(1) 燃用生物柴油后，外特性下，发动机的NOx排放平均增加了16.5%，而THC排放平均降低了21.6%，核态颗粒、聚积态颗粒排放数量浓度以及超细颗粒排放总数量浓度都明显降低，平均分别降低了45.6%，40.9%和43%.

(2) 在2 200 r·min-1的25%和50%负荷下，随着EGR率的增加和主喷正时的滞后，NOx排放都明显减少，超细颗粒排放总数量也都明显减少，但主喷滞后对超细颗粒总数量浓度变化的影响相对较小.

(3) 随着EGR率的增大，在25%负荷时， THC排放和燃油消耗率都降低，但在50%负荷时都增加；而随着主喷正时的滞后，THC排放和燃油消耗率在25%和50%两个负荷下都增加.

(4) 综合考虑排放和燃油经济性，在25%负荷时采用较大EGR率(26%)和较早主喷提前(7.7°曲轴转角)方案，而在50%负荷时采用中等EGR率(18%)和较早主喷(6.3°曲轴转角)方案.

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Effects of EGR on Emission Characteristics of Low-Duty Engine Fueled with Biodiesel

LOU Diming, XU Ning, TAN Piqiang, HU Zhiyuan

(School of Automotive Studies， Tongji University, Shanghai 201804, China)

Based on a common rail diesel engine with cooling EGR and fueled with biodiesel, an experiment about the coupled effects of EGR and main injection time on engine emissions characteristics was conducted. The results show that at full load, the NOxemission increases, but THC emission and ultra particulate concentration decrease when the engine is fueled with biodiesel. At a load of 25% and a speed of 2 200 r·min-1, when the EGR rate increases, NOxemission, ultra-particulate concentration, THC emission and BSFC (brake specific fuel consumption) decrease. However, with the main injection time retarded, NOxemission and ultra-particulate concentration also decrease, but THC emission and BSFC increase. At a load of 25%, with the EGR rate increasing and main injection time retarded, NOxemission, ultra-particulate concentration decrease, but THC emission and BSFC increase. The effect of main injection time on ultra-particulate concentration is not so significant. Considering both emission and BSFC, at a load of 25%, a 26% of EGR and a main injection time of 7.7° CA BTDC are chosen. At a load of 50%, a 18% of EGR and a main injection time of 6.3° CA BTDC are chosen.

biodiesel; exhaust gas recirculation (EGR); main inject time; emission characteristics

2015-03-18

国家“八六三”高技术研究发展计划(2012AA111720)

楼狄明(1963—)，男，教授，博士生导师，工学博士，主要研究方向为柴油机的结构设计与性能优化．

E-mail: loudiming@tongji.edu.cn

TK427

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