废气再循环技术对柴油机燃烧特性的影响

2011-07-09邹振宇

长春工业大学学报 2011年3期

邹振宇, 刘晶

(1.吉林建筑工程学院土木工程学院,吉林长春 130021;2.吉林大学机械科学与工程学院,吉林长春 130021;3.国家开发银行吉林省分行,吉林长春 130021)

0 引言

节能、减排是当今世界面临的最大的问题,柴油机的排放是影响这两个问题的最大因素之一。为了解决这个问题,世界范围内对柴油机排放的研究越来越热。要解决柴油机尾气污染的问题,根据大量的研究经验来看,废气再循环(EGR)技术是降低柴油机排放的一项最有利措施[1-2]。通过在进气管中引入CO2能有效增加比热[3-4]。引入CO2可以通过引入部分排气来实现。同时,EGR稀释了混合气中O2,NOx的生成量被大大降低[5-7],但是EGR技术在降低柴油排放的同时,也影响到了柴油机的燃烧特性。文中利用EGR技术,通过试验的方法研究了EGR技术对柴油机燃烧特性的影响,并总结其影响规律。

1 EGR系统在发动机上的结构布置

1.1 样机参数

研究样机的基本参数见表1。

表1 柴油机参数

1.2 EGR的结构布置

实验装置如图1所示。

图1 实验装置示意图

本试验的EGR系统采用废气从涡轮机前排气管引出模式,废气与压后进气混合进入汽缸。此种EGR废气流动路线设计与其它方式相比可以避免再循环废气污染压气机和中冷器,使压气机和中冷器不受排气中的微粒、碳氢化合物和硫的影响,从而减少了可能会出现的淤塞与腐蚀问题[8]。通常增压直喷柴油机的排气平均压力小于进气平均压力,要实现稳定可靠的废气再循环,必须采取措施克服压力逆差,使足量的废气送入进气系统。克服压力逆差通过调整增压器参数以提高涡前压力方法来实现。由涡轮前排气管向中冷后进气管加EGR废气,通过废气调节阀控制废气流量,并利用EGR冷却器对废气进行冷却。

1.3 EGR试验注意事项

1)试验时需要严格控制试验边界条件,比如对EGR系统影响较大的排气背压,中冷后温度和压力等试验参数,时刻控制这些重要参数保持在合理的范围之内。

2)试验过程中要密切关注一些对发动机性能有重要影响的试验参数,如发动机的热负荷是否运行,发动机长时间运行在高转速高负荷工况,排气温度和压气机转速是否超标等,这些都是EGR系统可能带来的一些负面影响。

2 试验结果及分析

发动机B75转速特性图如图1所示。

图2 发动机B75转速特性图

对于发动机A,B,C三种转速来说,B转速的特性介于A和C转速之间,所以B转速代表了发动机的一般特性,完全可以B75点为例,研究EGR对柴油机燃烧特性的影响。从图中可以发现,EGR开度由小变大的过程中,空燃比是逐渐降低的,降低将近10%左右。而有效燃油消耗率也是具有微小增加的趋势。这是因为,随着EGR开度的逐渐扩大,进入到汽缸中的废气逐渐增多,而新鲜空气会逐渐减少,所以造成空燃比降低。这会使发动机的燃烧特性变差,使燃油燃烧不充分,恶化燃烧,从而,燃油消耗量会有一定程度的提高。导致的结果就是柴油机排放物中的NOx含量降低,而微粒的含量大大增加。对于发动机各转速的其它点来说,同样会有这样的情况。只是相对来说,C转速的空燃比要比B转速小,比A转速更小,所以C转速恶化燃烧的程度更大。排放物中微粒的含量更高,这都是燃烧不充分产生的结果。

发动机B75转速在不同曲轴转角下缸压对比如图3所示。

图3 发动机B75转速在不同曲轴转角下缸压对比图

从图上可以发现,随着EGR开度增大,汽缸里的最高燃烧压力有所降低,尤其是EGR开度变大后,压力降的更低,这主要是由于EGR开度变大后,由于废气循环进汽缸,使缸内总的进气量受到影响,从而压力降低。汽缸内最高燃烧压力降低不利于发动机燃烧,使燃烧特性恶化。最高燃烧压力降低也破坏了生成NOx所需要的高压条件,在一定程度上抑制了NOx的生成。

发动机B75转速在不同曲轴转角放热率对比如图4所示。

图4 发动机B75转速在不同曲轴转角放热率对比图

从图中可以看出,随着EGR开度的不断增加,发动机的最大放热率是逐渐降低的,随着最大放热率降低,开始着火的时刻有所提前,着火滞燃期相应缩短。因此,初期放热率的峰值有所降低,从这一点的意义上说,也将能使NOx生成量减少,也说明了发动机燃烧品质变差,燃油消耗增加。通过以上分析可以知道,RGR技术对解决柴油机废气排放是有很大作用的,可以很大程度上控制NOx生成量,但同时也产生了负面效应,它会使碳烟的生成量逐渐变大,因为废气再循环破坏了发动机的燃烧特性,使燃烧不充分,而且会使燃油消耗量一定幅度地得到增加。