EGR率和主喷时刻对生物柴油燃烧和排放的影响*

龙 腾 侯贝贝 王 儒 肖合林

(现代汽车零部件技术湖北省重点实验室1) 武汉 430070) (汽车零部件技术湖北省协同创新中心2) 武汉 430070)

0 引 言

生物柴油作为一种清洁含氧生物燃料，可供柴油机使用，是一种理想的替代燃料[1].既具有与石化柴油相似的物化性质，又具有其不可企及的优点，比如CO2排放低、污染物排放低等.但是柴油机燃用生物柴油仍存在燃烧噪声较高、燃油消耗较高、排放需进一步优化等问题[2].

目前国内外学者已对生物柴油的燃烧排放性能进行了研究.朱磊[3]在一台四缸柴油机上燃用生物柴油以及甲醇生物柴油和乙醇生物柴油混合燃料，分析了添加甲醇对生物柴油燃油经济性和燃烧特性的影响；尧命发等[4]对柴油机掺烧不同比例的生物柴油的燃烧排放性能进行了研究，发现柴油机燃用混合燃料后，功率略有下降，燃油消耗率有所上升；烟度、CO和HC排放降低，但NOx排放上升；楼狄明等[5]研究预喷射对生物柴油发动机燃烧及排放特性影响，发现采用预喷射后滞燃期有所缩短，燃烧持续期有所增大.NOx排放均有所降低，大部分预喷射条件下PM排放有所增加；Deepak等[6]通过比较了4种不同EGR(exhaust gas recirculation)率下的排放情况，发现增大EGR率能有效的减少碳烟和NOx的排放；Fang等[7]通过不同的喷油策略实现生物柴油在直喷柴油机上的低温燃烧，发现低温燃烧模式下的燃烧放热率曲线主要是由预混合燃烧组成，无明显的扩散燃烧阶段，且低温燃烧能有效抑制碳烟的形成并降低NOx排放.

文中以纯生物柴油为原料，研究不同喷油策略下在1 800 r/min工况下主喷时刻与EGR率对柴油机排放性能的影响，本研究将为后续生物柴油发动机采用预喷射研究提供基础数据，其研究方法具有一定的工程应用价值.

1 试验装置及研究方法

1.1 试验设备

实验所用发动机型号为YC4FA115-40，四缸直列布置，高压电控喷射系统，喷射压力范围为0～160 MPa,并且使用了废气涡轮增压系统.主要设备为：测功机-CWG110；发动机控制柜-FST3；缸内压力传感器-Kistler6125C；电荷放大器-Type5018；缸内压力采集系统-CB-466；颗粒物分析仪-DMS500和色谱仪-GC-7900.

试验是在1台改装过的4缸4冲程水冷增压直喷柴油机上进行，主要由改装的ECU、可改变运行参数的柴油机、燃油供给装置、电涡流测功机、油耗仪、机油、冷却水循环装置、数据采集系统和AVL尾气分析仪等.AVL分析仪用于测量尾气中HC、CO、NOx含量及过量空气系数.实验前，开启仪器进行预热及校正以保证实验检测数据准确无误.测量完成后读取数据，记录于表格中，每种工况下连续测量三次，然后取平均值.其中HC测量精度为0.1%，CO和NOx为10-6，而烟度则是通过不透光烟度计NH-T6检测不透光度来测量的，精度为±2.0%，颗粒物粒径及质量浓度由DMS500进行测量.

试验中，电涡流测功机与发动机通过联轴器连接，调整发动机的转矩输出，使发动机的转速保持在(1 800±5) r/min.发动机的工况由电子控制单元(ECU)控制，发动机的缸内压力使用Kistler压力传感器测量，进气压力和进气温度使用压缩机和空调系统控制．进气温度稳定在(25±0.5) ℃，发动机的冷却液温度通过温度控制器被精确控制在(85±1) ℃，机油温度稳定在±2 ℃.

1.2 测试燃料

表1为生物柴油和柴油理化特性的对比.

表1 生物柴油和柴油理化特性的对比

因原料油的不同，其理化特性存在一定差异，但这种差异并不太大.测试中所用生物柴油为由某公司提供，纯度达到99%.

1.3 试验方案

实验过程中，EGR率是通过调节EGR阀门开度进行控制，EGR率即为来自废气的充量m1发动机每循环吸入的新鲜充量m2的比值.实际测量中，很难确定废气质量与进气质量，但可以测出废气与进气中CO2的质量.得到不同EGR开度对应的EGR率见表2.

表2 生物柴油和柴油理化特性的对比 %

实验中，发动机转速稳定在1 800 r/min，小负荷(30%)，定喷油量为22.2 mg/cyc，主喷油时刻Tψ分别设定为2.5°,7.5°,12.5°,17.5°,22.5°CA BTDC，在每个主喷时刻下，分别调整EGR率为20%,50%,80%,100%，测定缸内压力、压力升高率、放热率等燃烧参数的变化趋势以及排放尾气中CO,HC,NOx及颗粒物质量浓度变化情况.为了降低实验的测量误差, 每个工况点下的数据最少进行3次测量.

2 试验结果及分析

2.1 EGR率和主喷时刻对生物柴油燃烧的影响

图1为9%,25%EGR率下燃用生物柴油在不同主喷时刻下的缸内压力与放热率曲线图.由图得在25%EGR率下，随着主喷时刻Tψ提前，燃料与空气混合充分，在着火前形成充足的可燃混合气，缸内燃烧压力升高.Tψ为22.5°CA BTDC时，燃油在发动机压缩行程中喷入气缸，压缩时缸内压力急剧增加.由于滞燃期较长，油气混合均匀，柴油机容易出现工作粗暴现象，放热过程剧烈，放热率峰值较大，缸内温度和压力快速上升，缸内压力升高率较大.主喷时刻在22.5°～12.5°CA BTDC之间时缸压差别不大且无明显双峰.是因为主喷时刻较早，油气均已混合完全，放热主要集中在上止点附近，看不到明显的压缩峰.Tψ为2.5°CA BTDC时，喷油时刻的过度延迟导致燃烧主要发生在活塞下行阶段，燃烧空间变大，缸内温度和压力都随之下降，燃烧始点也随之后移，缸内峰值压力下降，较低的燃烧温度和压力易导致燃烧不完全.在9%EGR率下，缸压和放热率的变化趋势与25%EGR率时基本一致，但燃烧始点并无明显差异，说明在该工况下，主喷时刻对燃烧始点影响较小.这是因为在低EGR率下，缸内温度较高，各种混合燃料在此条件下都容易着火，较高的温度使滞燃期的影响并不明显，故燃烧相位无明显差异.

图1 主喷时刻对缸压放热率影响图

图2为主喷时刻为2.5°,17.5°CA BTDC时，燃用生物柴油在不同EGR率下的缸内压力和放热率曲线图.大比例EGR同样是实现低温燃烧[8]的有效途径.Tψ为2.5°CA BTDC条件下，随着EGR的增加，峰值燃烧压力逐渐降低，峰值燃烧压力所对应的时刻逐渐远离活塞上止点.峰值放热率也随着EGR的增加而降低，且发生时刻逐渐远离上止点.发动机燃烧废气中CO2和H2O分子的比热容较大，导致废气的比热容比新鲜空气的比热容大.随着EGR的增大，废气对新鲜空气的稀释作用增加，气缸内氧浓度降低.另一方面，随着废气进入发动机气缸内，缸内气体温度升高率降低，有助于延长滞燃期，燃烧开始点延迟，最终都有利于降低缸内温度.缸内燃烧主要受温度和氧浓度控制，较低的缸内温度和氧质量浓度使反应速率降低.Tψ为17.5°CA BTDC条件下，随着EGR率增大，缸内压力和放热率下降趋势变缓.这是因为加入EGR延长滞燃期，促进混合气形成，虽然较低的氧浓度影响缸内化学反应过程，但两因素综合作用使缸内压力变化趋于平缓.

图2 EGR率对缸压放热率影响图

图3为生物柴油滞燃期随EGR率和主喷时刻变化规律，由图3可知,同一主喷时刻随着EGR率增加，滞燃期延长；同一EGR率下，随主喷时刻推迟，滞燃期先缩短后延长.前者是由于EGR率升高，进气比热容增大使缸内温度降低，滞燃期延长.后者是由于主喷时刻推迟，缸内温度和压力逐渐升高，有利于燃油的蒸发雾化，滞燃期缩短.当主喷时刻进一步推迟，虽然开始喷油时缸内温度和压力较高，但喷油时刻的过度延迟导致着火前活塞已经下行，缸内温度和压力已经下降，燃料蒸发雾化恶化，滞燃期延长.

图3 EGR率和主喷时刻对滞燃期的影响

2.2 EGR率和主喷时刻对排放的影响

在试验条件下，EGR率对NOx排放的影响见图4.由于NOx排放在缸内生成的三要素为：高温、富氧和作用时间.而生物柴油含氧，相比于普通石化柴油，柴油机燃烧生物柴油时，NOx排放较高.EGR增加后，进气热容增大，缸内最高燃烧温度也降低，而废气再循环量增加，混合气中氧浓度下降，然而滞燃期延长，燃料与空气充分混合.综合以上因素，总体上在同一主喷时刻中NOx排放随EGR率升高而下降.在同一EGR率下，NOx排放随主喷时刻提前而升高较快.在主喷时刻为2.5°CA BTDC时，着火时活塞下行，缸内温度和压力较低，燃气在高温高压反应时间短，生成的NOx减少，而随着主喷时刻提前，缸内最高压力和温度持续升高，燃气在高温高压下反应时间增加，NOx排放相应上升.因此，较大的EGR率与主喷时刻的适当延迟能实现低温燃烧，降低NOx排放.

图4 EGR率和主喷时刻对NOx的影响

在试验条件下，EGR对HC排放的影响见图5.HC是燃油不完全燃烧的产物，影响HC排放的原因较多，而本实验样机是直喷柴油机，燃油受到的冷壁效应、狭缝效应、沉淀物吸附作用影响较小.因此在不同工况下，由不同的因素起着主导作用.Tψ为2.5°CA BTDC时，燃油喷入缸内时温度和压力较高，有助于混合气的形成，但由于活塞处于下行阶段，燃烧持续期较短，混合气的不完全燃烧导致HC排放量较高.随着Tψ增加，混合气处于高温高压环境中时间延长，有助于降低HC排放浓度.Tψ继续增大到12.5°CA BTDC时，HC的排放开始上升.原因是燃油喷入气缸时缸内压力和温度变低，油束的贯穿距离较大，出现燃油的壁面淬熄[9]，使HC排放量增加.另外，刚加入EGR后，HC排放降低，因为滞燃期延长，燃料空气混合良好，HC能较好的氧化而抵消缸内温度降低的因素；而随着EGR继续增加，进气中废气的掺混率提高，进气中氧质量浓度降低，燃烧始点延后，滞燃期延长，缸内燃烧温度下降，HC排放浓度升高.

图5 EGR率和主喷时刻对HC的影响

在试验条件下，主喷时刻和EGR对CO排放的影响见图6.由图6可知，CO排放随主喷时刻提前而下降.相同主喷时刻下，在主喷提前角较小时，EGR率对CO排放影响较大，CO排放随EGR上升而增大.这是因为在Tψ为2.5°CA BTDC时，由于大量燃烧发生在活塞下行阶段，扩散燃烧能力下降，而随着EGR的增加，新鲜空气量减少，加剧了CO排放物的增加.Tψ增大后，CO排放逐渐降低.是因为主喷时刻提前，缸内燃烧温度升高，利于CO的氧化，此时CO排放随EGR变化率较小.

图6 EGR率和主喷时刻对CO的影响

图7为烟度随EGR率和主喷时刻的变化曲线图.碳烟与CO类似，也是碳氢燃料的不完全燃烧产物，在同一EGR率下，除了2.5°CA BTDC，碳烟生成量几乎是先降低再升高的趋势.原因是刚开始随主喷时刻提前，缸内燃烧更充分，碳烟排放降低，而主喷时刻进一步提前，一部分油束会喷射到壁面，该部分燃油未充分氧化，因此碳烟排放升高.而在同一主喷时刻下，EGR率增大，碳烟排放呈不同程度的增加，原因是EGR升高使缸内氧的浓度降低，且气体比热增大，不利于碳烟氧化.

图7 EGR率和主喷时刻对烟度的影响

图8为主喷时刻为12.5°CA BTDC时不同EGR率下碳烟颗粒尺寸分布.一般来说，颗粒物的尺寸分布分为两种模态：核模态颗粒(直径<50 mm)和聚集态颗粒(直径≥50 mm)[10].由图8可知，随EGR率增加，核模态颗粒分布减少，聚集态颗粒分布增加.这是由于EGR率增加会降低缸内氧浓度，减少聚集态颗粒的氧化.另外缸内温度也会降低，使燃烧恶化，形成更多核模态颗粒凝结为聚集态颗粒.

图8 EGR率对颗粒数密度尺寸分布特性的影响

图9为EGR率25%下，不同主喷时刻的碳烟尺寸分布.由图可知，主喷时刻对颗粒物尺寸及数量分布分为两个阶段，在22.5°～12.5°CA BTDC下，随着喷油时刻的推迟，颗粒物中聚集态颗粒数目增加，核模态颗粒数目减少，而在12.5°～2.5°CA BTDC下呈相反趋势.在前一阶段，缸内压力和温度较高，燃油喷入缸内能较好的雾化，形成均匀的混合气，随主喷时刻推迟，滞燃期缩短，油气混合较差，缸内温度降低，因此碳烟氧化速率减慢，聚集态颗粒数目增多；在后一阶段，主喷时刻进一步推迟，导致着火前活塞已下行，缸内温度和压力下降，不利于碳烟前驱物的生成，且滞燃期也变长，因此聚集态颗粒数目降低.

图9 主喷时刻对颗粒物密度尺寸分布特性的影响

3 结 论

1) 随着EGR率的增大，缸压峰值和放热率峰值降低，滞燃期延长.HC和CO排放升高，NOx排放降低，烟度升高，核模态颗粒物数目降低，聚集态颗粒物数目增加.

2) 随着主喷时刻的提前，缸压峰值和放热率峰值升高，放热始点提前，滞燃期先缩短后延长.HC和CO排放降低，NOx排放升高，烟度值先下降到最低值再上升，在17.5°～22.5°CA BTDC基本维持在较低的水平，颗粒物尺寸分布峰值在22.5°～12.5°CA BTDC随主喷时刻推迟聚集态颗粒物浓度上升，核模态浓度下降，随后呈相反趋势.

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