高低压EGR对增压天然气发动机燃烧与排放的影响
2021-10-31朱赞董伟罗坤黄勇成
朱赞,董伟,罗坤,黄勇成
(1.广西玉柴机器股份有限公司,广西 玉林 537005;2.西安交通大学能源与动力工程学院,陕西 西安 710049)
发展内燃机代用燃料被认为是解决能源和环境问题的措施之一。在常用的替代燃料中,天然气的应用技术比较成熟。天然气储量较大,其主要成分甲烷的碳氢比在化学燃料中最低。因此,燃烧天然气产生的二氧化碳排放量相对较低[1]。天然气在室温下呈气态,很容易与空气混合,将其作为车用燃料可以有效地提高发动机的经济性和排放性能[2]。
点燃式天然气发动机按燃烧方式可分为稀薄燃烧和当量燃烧两大类。其中,为满足当前排放法规要求,采用稀薄燃烧的天然气发动机需要结合选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)后处理方案,发动机后处理成本大大增加。相关研究表明,采用当量燃烧模式结合废气再循环(Exhaust Gas Recirculation,EGR)方案,只需安装三元催化转换器(TWC),就可以满足排放法规要求,大大降低发动机运行成本[3-4]。
李铁等[5-6]通过热力学第一、第二定律从理论上分析了EGR系统提高发动机热效率的原理,并利用试验探究了高压缩比天然气发动机在应用EGR系统后经济性能的变化情况。研究发现,EGR技术的应用可以减少发动机氮氧化物(NOx)和颗粒物排放,同时降低发动机燃油消耗率。沈凯等[7]对增压汽油机采用不同EGR引入系统后增压器的运行规律和对发动机燃烧性能的影响进行了试验研究。研究表明,部分负荷下,相较于原有高压EGR系统,高低压EGR系统更有利于利用废气热容抑制燃烧的作用来降低爆震倾向,可以在相对较低的EGR率下实现点火提前角的提前,优化燃烧相位,从而降低发动机整体油耗。Reppert等[8]通过发动机台架试验研究了当量燃烧天然气发动机采用高压EGR、低压EGR和高低压EGR三种不同EGR引入系统时发动机燃烧和排放性能的变化规律。研究发现,当采用高低压EGR时,该发动机的HC和CO排放降低,NOx和颗粒物排放增加;相较于高压EGR,采用高低压EGR可有效降低发动机的燃气消耗量,提高经济性。Simio等[9]研究了不同EGR引入系统对重型天然气发动机性能的影响。研究发现,与高压EGR相比,采用高低压EGR可以在更大的工作区间内实现在废气旁通阀完全关闭的情况下,通过调节EGR率将输出扭矩控制在一定范围内;在相同工况下,采用高低压EGR可以保持更大的节气门开度,有利于减少节流损失,降低天然气发动机的燃气消耗率。
尽管上述文献对不同EGR引入系统对发动机经济和排放性能的影响进行了一定研究,但目前国内外关于采用高低压EGR技术对当量燃烧天然气发动机燃烧与排放性能影响的研究还较少。部分文献[8-9]涉及到不同EGR引入系统对发动机经济性能的影响,但主要基于对台架试验结果的定性分析。结合数值模拟方法,从发动机能量平衡角度对不同EGR引入系统对天然气发动机性能影响进行定量分析方面的研究,国内外尚有所欠缺。
本研究将通过台架试验对当量燃烧天然气发动机在高压废气再循环和高低压废气再循环两种模式下的燃烧及排放特性进行对比研究,并结合数值模拟方法对两种废气再循环模式下发动机的能量平衡进行定量分析,以期定量阐明不同EGR引入系统对发动机经济和排放性能的影响,得到高低压废气再循环模式下发动机的节油原理,为当量燃烧天然气发动机采用高低压废气再循环提供理论指导。
1 试验装置及测试设备
试验用发动机为一台增压中冷点燃式天然气发动机,表1示出了该天然气发动机的主要参数。图1示出了在高低压EGR与高压EGR两种模式下的测试台架示意。由图1可以看出,高低压EGR模式下废气由涡轮前引出,压气机前引入;高压EGR模式下废气由涡轮前引出,压气机后引入。
表1 试验用天然气发动机的主要参数
1—电控开关阀;2—电子控制单元(Electronic Control Unit,ECU); 3—喷油器;4—进气氧传感器;5—火花塞;6—电荷放大器;7—燃烧分析仪;8—气体流量计;9—电子节气门;10—EGR阀;11—EGR冷却器;12—曲轴转角传感器;13—发动机;14—电力测功机;15—天然气气罐;16—中冷器;17—压气机;18—涡轮;19—催化器前氧传感器;20—三元催化转化器;21—催化器后氧传感器。图1 天然气发动机测试台架示意
表2示出了台架试验中选取的工况及各工况下最佳EGR率和点火提前角。天然气发动机的最大扭矩转速为1 400 r/min,最大功率转速为2 000 r/min。与高压EGR相比,高低压EGR模式下发动机可采用较低的增压压力,使得高低压EGR不需要像高压EGR那样采用较大EGR率来抑制爆震。同时,采用高低压EGR系统后,发动机的控制策略需要进行相应调整,实际EGR率和实际点火提前角均有所变化。保持相同点火提前角和EGR率,并不能体现高低压EGR系统相较于高压EGR系统的优点。因此,为了在相同工况下比较天然气发动机采用高压EGR和高低压EGR时所能达到的最佳经济性,在试验过程中,天然气发动机采用不同EGR引入方式时的转速、输出扭矩保持相同,并控制EGR率和点火提前角使发动机的燃气消耗率最低。
表2 试验工况
表3示出试验主要仪器设备。排放物浓度采用HORIBA MEXA-7100型排放仪测量,其中HC的分析方法为氢火焰离子化法(Flame Ionization Detector,FID),CO的分析方法为不分光红外线法(Nondispersive Infrared Analyzer,NDIR),NOx的分析方法为化学发光法(Chemiluminescent Detector,CLD)。表4列出了上述主要测试设备的测量精度和误差。
表3 试验主要仪器设备
表4 相关测试设备的测量精度和误差
2 结果分析
2.1 发动机燃烧特性分析
图2示出了工况1与工况2两种EGR模式下缸内压力曲线的对比。由图2可知,与高压EGR相比,高低压EGR模式下泵气损失和压缩负功显著降低,这有利于发动机指示热效率的提升。
图2 不同EGR模式下缸内压力随气缸容积变化对比
图3示出了工况1与工况2两种EGR模式下缸内压力和瞬时放热率曲线的对比。由图3可知,与高压EGR相比,高低压EGR模式下缸内最高压力和瞬时放热率峰值明显增大,缸内燃烧放热加快,燃烧持续期明显缩短。该型天然气发动机由重型柴油机改装而来,可承受18 MPa的缸压峰值。采用高低压EGR系统后,发动机缸内压力最大值虽然已接近15 MPa,但是依然处于安全范围以内,发动机的机械强度可以满足要求。结合表2可知,与高压EGR相比,高低压EGR模式下发动机可采用较低的增压压力,因而进气歧管压力及进入缸内的混合气压力较低,压缩行程缸内压力也较低。这使得发动机采用高低压EGR时不需要像高压EGR那样采用较大EGR率来抑制爆震;较低的EGR率也使得高低压EGR模式下缸内燃烧速度加快,瞬时放热率峰值增大,燃烧放热更为集中,为保证合理的燃烧相位,高低压EGR模式下发动机的点火提前角有所推迟。
图3 不同EGR模式下缸内压力及瞬时放热率随曲轴转角变化对比
图4示出了两种EGR模式下的燃烧过程持续角的对比,其中CA10,CA50和CA90分别代表累计燃烧放热率为10%,50%和90%时发动机的曲轴转角。由图4可知,与高压EGR相比,虽然高低压EGR模式下点火提前角推迟,但其CA10却提前,这说明高低压EGR模式下火焰发展期(从点火到CA10)缩短,其中工况1和工况2的火焰发展期分别缩短了25.6%和19.8%;高低压EGR模式下燃烧重心CA50前移,缸内等容燃烧度提高;高低压EGR模式下快速燃烧期(从CA10到CA90)明显缩短,其中工况1和工况2的快速燃烧期分别缩短了40.7%和41.9%,这说明发动机缸内燃烧质量得到改善。
图5示出了工况1与工况2高压EGR与高低压EGR模式下燃气消耗率的对比。由图5可知,与高压EGR相比,高低压EGR模式下发动机的燃气消耗率有所降低,其中工况1和工况2的燃气消耗率分别减少了4.5%和9.3%。这主要是因为:一方面,高低压EGR模式下发动机的进气总管压力可以高于涡前压力,节气门开度增大,泵气损失降低;另一方面,高低压EGR模式下EGR率更低,火焰发展期和快速燃烧期缩短,缸内燃烧质量得到改善。
图5 不同EGR模式下燃气消耗率对比
2.2 能量平衡分析
为了探究发动机总气耗能量减少中各因素的占比,从能量平衡角度,结合数值模拟方法对总气耗能量进行了定量分析。由杨尚升等[10]的研究结果可知,总气耗能量Qfuel可以分解为以下因素:有效功项Pb、摩擦损失项Pf、泵气损失项Pp、缸内传热损失项Qht、排气能量损失项Qexh。其中Pb,Pf,Pp均可由试验数据计算得到,Qht和Qexh可通过由GT-SUITE软件搭建的发动机一维仿真模型计算得到。两种EGR模式下,因素N所消耗能量的差值与原高压EGR模式下总气耗能量之比定义为因素N对总气耗的节能贡献率αN。αN的定义如下:
(1)
式中:αN为因素N对总气耗的节能贡献率;QN,HP为高压EGR模式下,因素N所消耗能量;QN,HLP为高低压EGR模式下,因素N所消耗能量;Qfuel,HP为高压EGR模式下总气耗能量。由式(1)可知,各因素对总气耗的节能贡献率之和等于两种模式下发动机燃气消耗率减少百分比。
高压EGR模式和高低压EGR模式下,由GT-SUITE软件搭建的发动机一维仿真模型计算所得扭矩、燃气消耗率、进气流量和排气温度与试验测量结果的对比见图6。
图6 扭矩、燃气消耗率、进气流量和排气温度等因素试验值与模拟值的对比
由图6可知,扭矩、燃气消耗率、进气流量和排气温度等模拟计算结果与试验测量结果的误差值均小于3%。这说明该一维仿真模型能够真实有效地反映试验发动机工作过程,可用于Qht和Qexh的计算。由图6还可以看出,在扭矩保持相同的前提下,与高压EGR相比,高低压EGR模式下发动机的燃气消耗率、进气流量和排气温度均有所降低。当量燃烧、高低压EGR模式下,泵气损失的减少和缸内燃烧过程的改善使得发动机的燃气消耗减少,相应地使得所需进气流量减少;增压压力的降低使得进入缸内的混合气压力较低,压缩行程缸内压力也较低,燃烧持续期的缩短使得缸内高温持续时间缩短,两者共同作用导致发动机排气温度有所降低。
试验中,不同EGR引入系统下天然气发动机的转速、输出扭矩均保持相同,可以认为两种模式下发动机的有效功相等,因此不再分析有效功项Pb对总气耗的能量节能贡献率。图7示出了各因素(摩擦损失、泵气损失、缸内传热和排气能量)对总气耗的节能贡献率对比。
图7 不同EGR模式下各因素对总气耗的节能贡献率的对比
由图7可知,与高压EGR相比,摩擦损失增加,泵气损失、传热损失和排气能量损失减少,其中,排气能量损失减少幅度最大。高低压EGR模式下工况1和工况2摩擦损失对总气耗的节能贡献率均小于0,分别为-0.18%和-0.34%,这主要是由于高低压EGR模式下缸内最高压力较高压EGR模式有所升高,导致发动机摩擦损失增加。
高低压EGR模式下工况1和工况2泵气损失对总气耗的节能贡献率分别为1.27%和1.91%,这是因为高压EGR模式下需减小节气门开度使涡前压力高于进气总管压力以获得目标EGR率,而高低压EGR模式下进气总管压力可以高于涡前压力,节气门开度较高压EGR增大,泵气损失降低。
高低压EGR模式下工况1和工况2缸内传热损失对总气耗的节能贡献率分别为0.7%和1.85%,这是因为虽然高低压EGR模式下缸内最高压力和燃烧温度较高压EGR的高,但高低压EGR模式下燃烧持续期较短,高温持续时间缩短,两因素共同作用使得高低压EGR模式下传热损失减少。
高低压EGR模式下工况1和工况2排气能量损失对总气耗的节能贡献率分别为2.67%和5.88%,大于其他各项因素对总气耗的能量节能贡献率,这是因为与高压EGR相比,高低压EGR模式下发动机的进气流量和排气温度均有所下降(见图6c和图6d),两者共同作用使得高低压EGR模式下排气能量损失减少。
2.3 排放特性分析
图8示出了两工况高压EGR与高低压EGR模式下的催化器前未燃HC,CO和NOx排放体积分数的对比。其中,高低压EGR模式下工况1和工况2的HC排放分别减少了24.1%和17.5%,CO排放分别减少了19.1%和38.2%,NOx排放分别增加了21.9%和23.9%。与高压EGR相比,高低压EGR模式下EGR率较低,缸内燃烧速度较快,缸内最高压力和燃烧温度较高,这有利于促进HC和CO的氧化,有利于NOx的生成[11]。同时,与高压EGR相比,高低压EGR模式下发动机最高温度升高,高温持续时间缩短,但由发动机缸压曲线可知,最高温度升高幅度较大,高温对NOx的影响占主导作用,故NOx排放略有增加。
图8 不同EGR模式下排放对比
3 结论
a) 与高压EGR相比,高低压EGR模式下最佳EGR率降低,点火提前角推迟,火焰发展期和快速燃烧期缩短,燃烧速率明显加快,燃烧相位CA50前移,瞬时放热率峰值和缸内最高压力增大,高低压EGR模式下发动机的燃气消耗率降低了4.5%~9.3%;
b) 发动机能量平衡分析结果表明:在与高压EGR相比,高低压EGR模式下发动机的总气耗能量减少4.5%~9.3%,其中摩擦损失增加导致总气耗能量增加了0.18%~0.34%,泵气损失减少、传热损失减少和排气能量损失减少分别导致总气耗能量减少了1.27%~1.91%,0.74%~1.85%和2.67%~5.88%,在各因素中,排气能量损失减少所占比例最大;
c) 与高压EGR相比,采用高低压EGR技术后,天然气发动机的HC排放和CO排放降低,NOx排放升高。