张翔宇，郑尊清，李研芳，祝宇轩，高英英，尧命发

(1.中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400；2.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

内外EGR和喷油压力对柴油机低温燃烧的影响

张翔宇1,2，郑尊清2，李研芳1，祝宇轩2，高英英1，尧命发2

(1.中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400；2.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

在1台装有电液可变气门的单缸柴油机上，通过改变内外EGR策略和喷油压力，对柴油机小负荷工况下低温燃烧的燃烧特性和排放特性进行了试验研究。内部EGR通过排气门两次开启实现，发动机转速和喷油量分别固定为1 500 r/min和20 mg/cycle。研究结果表明，通过高EGR率控制可以实现超低NOx排放，其中采用高喷油压力可以降低内部EGR的炭烟排放，而采用低喷油压力可以降低外部中冷EGR的HC和CO排放。在内外EGR耦合控制策略中，提高内部EGR比例可以降低HC和CO排放，但改善效果逐渐减弱，同时为了抑制炭烟排放，需要结合更高喷油压力，而提高外部中冷EGR比例可以获得较高热效率。

柴油机；废气再循环；喷油压力；低温燃烧

相比传统燃烧，柴油机低温燃烧可以获得极低的NOx和soot排放，已在国内外得到了广泛研究[1-3]。在小负荷工况，低温燃烧存在CO和HC排放过高、燃油经济性恶化问题[4-6]，同时较低的排气温度也不利于采用后处理技术[7-9]。研究表明[10-13]，采用内部EGR策略可以有效降低小负荷工况下的不完全燃烧损失并获得较高热效率和排气温度，但随着负荷升高，内部EGR策略下soot排放急剧增加，需要采用外部中冷EGR策略来抑制soot排放。但同时文献[14]也指出，在某一特定工况(平均指示压力约为0.3 MPa)，单纯采用内部或外部中冷EGR策略难以同时获得较低soot，CO和HC排放。因此有必要在特定负荷工况下针对两种EGR之间的过渡策略，即内外EGR耦合策略进行进一步研究。

喷油策略是柴油低温燃烧过程控制的另一个主要技术途径，可以通过形成合理的混合气分层来进一步优化燃烧过程，控制有害物排放[15-16]，但关于内部EGR耦合喷油压力以及内外EGR耦合喷油压力对低温燃烧影响的试验研究鲜有报道。因此在小负荷工况下研究了内外EGR策略和喷油压力对柴油机低温燃烧的影响，探索了小负荷工况下实现柴油机高效清洁燃烧的控制方法。

1 试验装置和研究方法

图1示出本研究所用的发动机试验台架，主要包括经过改造的单缸试验用发动机、测功机、高压共轨燃油喷射系统、模拟进气增压系统、外部中冷废气再循环(EGR)系统、进气温度控制系统、缸内压力采集及分析系统、电液可变气门控制系统和尾气排放测试仪器等部分。缸内压力采集和分析采用了一套自制的数据采集和燃烧分析系统完成，缸内压力采样间隔设为0.5°曲轴转角，采集循环数设为50；发动机尾气测量采用了Horiba MEXA-7100DEGR排气分析仪以及AVL 415S烟度计；利用一套自制的电液可变气门控制系统使排气门在进气过程中额外开启一次，从而一部分发动机废气从排气管倒吸回缸内形成内部EGR。利用MEXA排气分析仪可测出外部中冷EGR流量以及过量空气系数φa，利用空气流量计可以测出新鲜空气流量，采用GT-Power软件通过对比模拟外部中冷EGR流量、新鲜空气量、过量空气系数与发动机实际所测值，即可以分别算出外部中冷EGR率、内部EGR率以及总EGR率[11,14]。EGR率计算公式如下：

式中：mEx-EGR为引入缸内的外部中冷EGR质量；mIn-EGR为引入缸内的内部EGR质量；mfresh为引入缸内的新鲜空气质量；mresidual为缸内初始残余废气质量。试验用发动机主要结构参数以及试验参数见表1。

图1 发动机试验台架示意

缸径/mm105行程/mm125连杆长度/mm210几何压缩比16∶1转速/r·min-11500±2循环喷油量/mg·cycle-120±0．2进气压力/MPa0．13±0．001进气温度/℃40±1θCA50(ATDC)/(°)4±0．5排气门关闭时刻(ATDC)/(°)-342

试验中IMEP由压缩和膨胀2个工作循环算出，试验过程中的测量误差见表2。

表2 试验过程测量误差

2 研究结果与分析

2.1内外EGR下喷油压力对燃烧和性能的影响

图2示出不同EGR策略和喷油压力下滞燃期随EGR率的变化趋势。EGR率为0时，提高喷油压力改善了燃油雾化质量，有利于形成易着火的混合气浓度区域，滞燃期逐渐缩短但变化幅度逐渐减小。对于外部中冷EGR策略，不同喷油压力下的滞燃期都随着EGR率增加而逐渐延长，且彼此之间的差异无显著变化。与此类似，对于内部EGR策略，不同喷油压力下的滞燃期也随着EGR率增加而逐渐延长，且彼此之间的差异无显著变化，但由于引入高温废气对混合气进行加热，导致其滞燃期随内部EGR率的增加幅度明显低于中冷EGR策略。

图2 滞燃期随EGR率的变化趋势

图3示出不同EGR策略和喷油压力下燃烧持续期随EGR率的变化趋势。随着喷油压力的提高，内部或外部中冷EGR策略下的燃烧持续期都逐渐缩短；而随着EGR率增大，各喷油压力下的燃烧持续期都逐渐延长。但同时可发现，内部EGR策略下的燃烧持续期增加幅度比外部中冷EGR策略更为明显，特别是当EGR率超过50%时，即使内部EGR策略采用150 MPa喷油压力，其燃烧持续期也比外部中冷EGR策略采用40 MPa喷油压力下的燃烧持续期要长。

图3 燃烧持续期随EGR率的变化趋势

图4示出不同EGR策略和喷油压力下指示热效率随EGR率的变化趋势。在外部中冷EGR或内部EGR策略下，喷油压力对指示热效率的影响不明显，而EGR策略对缸内燃烧的差异是导致热效率随EGR率变化出现较大区别的最主要影响因素。相比内部EGR策略，外部中冷EGR策略由于较低的传热损失[13]以及较短的燃烧持续期，在高EGR率下可以获得更高的指示热效率。

图4 指示热效率随EGR率的变化趋势

2.2内外EGR下喷油压力对排放的影响

图5示出不同EGR策略和喷油压力下NOx排放随EGR率的变化趋势。在EGR率为0%时，提高喷油压力加快了燃烧反应速率，提高了缸内燃烧温度，促使NOx排放增加。随着EGR率增加，废气中稀释效应对燃烧过程占主导作用，燃烧速度得到有效抑制，NOx排放迅速降低，喷油压力以及EGR策略对NOx变化趋势影响作用逐渐减弱，当EGR率大于50%时，各策略下NOx排放几乎相当。

图5 NOx排放随EGR率的变化趋势

图6示出不同气门策略和喷油压力下烟度与NOx的折中关系。中冷EGR策略下滞燃期较长，即使在低NOx排放区间(低于0.4 g/(kW·h))，60～80 MPa喷油压力下仍保持较低烟度(低于0.06 FSN)；而内部EGR策略由于引入废气混合的不均匀以及较低的过量空气系数，随着NOx排放逐渐降低，需要逐步采用更高喷油压力来促进混合，降低局部过浓区，抑制炭烟排放。例如保持NOx排放为0.4 g/(kW·h)附近时，内部EGR策略结合150 MPa高喷油压力下的烟度与外部中冷EGR结合60 MPa喷油压力下的烟度相当。

图6 烟度与NOx的折中关系

图7和图8分别示出不同EGR策略和喷油压力下HC和CO与NOx的折中关系。在低NOx排放区域，相比内部EGR策略，外部中冷EGR策略下缸内平均燃烧温度较低，提高喷油压力形成了更稀的混合气分层，HC与CO排放随之增加；而内部EGR策略整体过量空气系数的减少导致局部缺氧区域增多，这成为HC与CO排放迅速增加的主要因素，提高喷油压力可以有效增加燃油与氧分子碰撞概率，从而HC与CO排放略有改善。

图7 HC与NOx的折中关系

图8 CO与NOx的折中关系

2.3内外EGR耦合下喷油压力对低温燃烧的影响

缸内平均温度较高以及燃烧持续期较长所引起的传热损失增加，是导致内部EGR策略热效率低于中冷EGR策略的主要原因，有必要在满足低排放的条件下采用合适的混合气温度、浓度分层来控制缸内燃烧反应路径，以获得高效的燃烧过程。图9示出不同喷油压力控制下的NOx排放与烟度，图10示出获得上述低NOx排放与烟度下不同喷油压力所对应的控制参数(总EGR率、内外EGR率分配比例和对应过量空气系数)。在同一喷油压力(60 MPa)条件下，增加内部EGR率比例一方面加剧混合气浓度分层，另一方面降低了过量空气系数，两方面共同作用导致缸内局部当量比增大，烟度有所增加。因此，为了控制烟度在同一水平，随着内部EGR率比例的升高，需要采用与之对应的更高喷油压力。随着喷油压力及内部EGR率比例的增加，为了获得同样的低NOx排放，总EGR率略微增加但变化不大。这是因为一方面在低NOx排放下，喷油压力作用减弱，另一方面采用更高比例内部EGR率导致缸内温度较高，不利于控制NOx排放，但与此同时更低的过量空气系数(氧浓度)同样抑制了燃烧反应速率，以上因素共同作用，导致同样的NOx排放水平下总EGR率相差不大。

图9 NOx排放与烟度

图10 低NOx排放与烟度的控制参数

图11示出不同喷油压力耦合不同比例内外EGR率下的缸压和放热率曲线。随着内部EGR率比例增加，容积效率降低，导致着火前缸内压力有一定下降，与此同时氧浓度的减小导致放热率峰值降低，燃烧反应速率下降。图12示出不同喷油压力下的滞燃期与燃烧持续期。随着喷油压力以及对应的内部EGR率比例增加，一方面油气混合速度增加，有利于快速形成易着火的混合气浓度区间，另一方面缸内平均温度上升使混合气活性增强，最终导致滞燃期逐渐降低，但降幅逐渐减小。尽管喷油压力的提高以及缸内温度的上升同样有利于加快燃烧反应速率，但急剧下降的过量空气系数对燃烧过程产生不利影响，最终导致燃烧持续期逐渐延长，这表明废气的稀释效应对燃烧持续期的影响占主导地位。

图11 缸内压力和放热率

图12 滞燃期与燃烧持续期

图13示出不同喷油压力下的排气温度和指示热效率。随着喷油压力以及对应的内部EGR率比例增加，一方面缸内热废气循环比例提高，留存缸内热量更多，另一方面容积效率的下降导致缸内工质热容降低，缸内整体平均燃烧温度增加，这两点是导致排气温度迅速上升的主要原因。除此之外，由于固定了θCA50，燃烧持续期的延长意味着更多燃油远离上止点燃烧，同样导致排气温度升高。随着喷油压力以及对应的内部EGR率比例增加，一方面缸内传热损失增加，另一方面燃烧持续期的延长降低了燃烧定容度，最终导致指示热效率逐渐下降。图14示出不同喷油压力下的HC与CO排放。在保证低NOx排放与烟度下，随着内部EGR率增加及相应喷油压力的提高，缸内平均温度的升高有利于CO和HC的进一步氧化，CO与HC排放逐渐降低，但降低程度逐渐减弱。

图13 排气温度和指示热效率

图14 HC和CO排放

3 结论

在平均指示压力约为0.3 MPa工况下，对实现柴油机高效清洁燃烧的控制方法进行了试验研究，研究结果表明：

a) 外部中冷EGR策略结合较低喷油压力(60～80 MPa)在保持低NOx排放与烟度的同时避免生成较高的HC和CO排放；

b) 内部EGR策略结合较高喷油压力(150 MPa)可以有效抑制低NOx条件下过高的烟度，同时也可进一步改善HC和CO排放；

c) 在低NOx排放和烟度条件下(NOx排放约0.4 g/(kW·h)，烟度约0.1 FSN), 提高外部中冷EGR比例可以获得更高热效率，而采用高比例内部EGR与高喷油压力可以获得更低HC和CO排放以及更高排气温度，可根据控制目标(经济性和排放)选择合理的内外EGR耦合比例以及相适应的喷油压力。

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Keywords: diesel engine；exhaust gas recirculation(EGR)；injection pressure；low temperature combustion

EffectsofInternalandExternalEGRandInjectionPressureonLowTemperatureCombustionofDieselEngine

ZHANG Xiangyu1,2，ZHENG Zunqing2，LI Yanfang1，ZHU Yuxuan2，GAO Yingying1，YAO Mingfa2

(1.China North Engine Research Institution(Tianjin)，Tianjin 300400，China； 2.State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The combustion and emission characteristics of low temperature combustion at low load were investigated by changing strategies of internal and external EGR and injection pressure on a single cylinder diesel engine equipped with a electro-hydraulic variable valve actuator system. The internal EGR was achieved by opening exhaust valve twice during the intake process. The test was conducted at engine speed of 1 500 r/min with 20 mg/cyc fuel injection. The results show that the ultra-low NOxemission can be obtained by controlling EGR rates. The soot emission of internal EGR reduces at a high injection pressure, while HC and CO emissions of external EGR reduce at a low injection pressure. For the coupling control strategy of internal and external EGR, the increase of internal EGR ratio can reduce HC and CO emissions at a small range and a higher injection pressure is hence introduced to suppress soot emission. In addition, the increase of the external EGR ratio can achieve higher thermal efficiency.

2017-03-17；

2017-05-09

国家自然科学基金资助项目(51576138)

张翔宇(1984—)，男，助理研究员，博士，主要研究方向为柴油机燃烧与排放控制；fdj@qq.com。

尧命发(1968—)，男，研究员，博士，主要研究方向为柴油机燃烧理论与数值模拟技术；y_mingfa@tju.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.001

TK427

B

1001-2222(2017)05-0001-05

[编辑： 潘丽丽