内、外部egr对柴油机冷起动过程燃烧性能及排放的影响

内、外部egr对柴油机冷起动过程燃烧性能及排放的影响

研究现状由于其高燃料效率和可靠性，直驱油机广泛应用于多个领域。在近十几年来,由于一些先进技术在柴油机上的应用,如高压共轨电控燃油喷射、增压中冷、EGR等,柴油机已达到了较低排放的要求。但一些过渡工况,如起动工况、加速、减速工况等,对这些瞬变过程排放的优化控制依然是亟待解决的重要问题。柴油机冷起动存在的问题主要是起动着火前的倒拖时间较长、出现失火现象及排放问题。从早期的增加辅助起动装置,到近年来对着火燃烧过程的深入分析,国内外学者已开展了大量的研究[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。柴油机冷起动过程存在的这些问题主要是由于冷起动过程的缸内压缩温度和压力较低,导致燃烧滞后及燃油蒸发雾化不良等,从而引起燃烧过程恶化甚至失火而造成的。为了提高柴油机的冷起动性能,许多学者提出了很多冷起动辅助措施,所有这些措施都是通过不同的方法,提高柴油机冷起动过程初始阶段的燃烧着火性能,从而实现柴油机冷起动性能和排放的改善。EGR是目前为降低柴油机正常工况下的NOx排放而广泛采用的一项技术。正常工况下的EGR主要成分是惰性气体,其通过3个方面影响柴油机的缸内燃烧过程,从而影响NOx排放的生成。这3个方面是EGR对进气的稀释效应,EGR中的惰性气体增加了工质的比热容及EGR的热效应。发动机在正常工况,前两个方面的影响占主导作用,导致了缸内燃烧温度降低,从而降低了NOx排放的生成。冷起动过程中的排气成分与正常工况有着很大的区别,其中含有大量的HC、燃油蒸气(白烟)及一些部分氧化产物。这些成分对燃烧过程的影响与正常工况下的EGR存在很大的差别。冷起动过程的排气中含有大量的HC、燃油蒸气及一些部分氧化产物,如果将含有这些成分的废气以EGR的方式重新引入气缸内,则引入废气的热效应及废气中这些活化成分的化学活化效应将可能有利于改善混合气的滞燃期,提高发动机的燃烧着火性。本文主要通过试验,研究在冷起动过程中分别加入内、外部EGR后对柴油机冷起动着火燃烧性能及排放的影响,以期找到一种新的改善柴油机冷起动性能的方法。1试验系统的建立本试验是在一台自然吸气、带高压共轨电控燃油喷射系统的单缸柴油机上进行,柴油机的基本参数见表1。试验中,采用fNOx400型NOx分析仪对进排气管中的NOx浓度进行测量;采用AVL439消光烟度计对排气烟度进行测量;进排气压力测量采用CYG1609型高频响压阻式传感器;进排气温度测量采用NANMAC的E12型快速响应热电偶;整个数据采集存储系统以LabVIEW为平台自行开发。整个试验系统的布置如图1所示。整个试验分两部分,即外部EGR试验和内部EGR试验。在外部EGR试验中,固定喷油正时、气门正时及喷油脉宽不变,分别调节EGR阀开度(OEV)和背压阀开度(OBV),依次进行冷起动试验。通过对进、排气压力、温度、NOx浓度、缸压及烟度等参数进行分析,研究不同外部EGR条件对柴油机冷起动着火燃烧过程的影响。在试验中,考虑到热EGR对进气有一定的加热作用,故EGR中冷器未起作用,即试验采用的是热EGR方式。在内部EGR试验中,同样固定喷油角度、进气门正时及喷油脉宽不变,通过调节排气门关闭正时(EVC)以改变内部EGR量,依次进行冷起动试验,分析内部EGR对柴油机冷起动着火燃烧过程的影响。整个试验过程的环境温度保持为30℃,各次试验的初始机油温度、冷却水温度均保持与环境温度一致。各次试验的进气门开启正时(IVO)为7°CABTDC,喷油脉宽为1.4ms,喷油正时为20°CABTDC,而排气门正时、EGR阀及背压阀开度、喷油角度等参数见表2。2试验结果及分析2.1开度对试验、试验和试验的影响试验中,对各测量参数均是从冷起动过程喷油开始循环到发动机稳定运转共90个循环的数据进行记录。图2是各次试验的高压油轨压力变化曲线。试验中,油轨压力采用PID控制。从图中可以看到各次试验前28个循环(大约前20160°CA)的轨压基本一致,到80个循环(大约60000°CA)以后基本趋于稳定值80MPa。通过对这些轨压基本一致的循环的着火燃烧特性进行对比,可对加入不同EGR量对冷起动着火燃烧性能的影响进行分析。图3a～图3e是各次试验的缸压变化曲线,图3f是各循环最大爆发压力随循环变化的曲线。从图中可以看到,起动初始阶段前10个循环的最大爆压基本一致,这说明各次试验开始均能稳定着火燃烧。但对背压阀开度500/0及100/0(试验Ⅳ和试验Ⅴ)的情况,分别在第15循环(大约10800°CA)、第12循环(大约8640°CA)后,当轨压因振荡处于较低时,出现爆压迅速下降,发动机运转在临界失火状态。而其他3种情况爆压虽然随轨压出现波动,但均能较稳定地着火燃烧。由图3f还可以看到,对于试验Ⅰ、试验Ⅱ和试验Ⅲ,在第15～35个循环(10080°CA～25200°CA),由于轨压下降造成各次试验的爆压下降,但背压阀全开、EGR阀开度分别为500/0和1000/0(即试验Ⅱ和试验Ⅲ)时,爆压明显高于无EGR的情况(试验Ⅰ)。这表明,适当的外部EGR量可以使冷起动过程的稳定性得到提高。下面对各次试验的初始着火循环的缸压变化曲线进行分析,研究外部热EGR对初始着火性能的影响。图4a、图4b分别是开始喷油后第3、第4个循环的缸压变化曲线。第3个循环是开始出现明显着火现象的初始着火循环。图4a中可以看到,在背压阀开度500/0(试验Ⅳ)和100/0(试验Ⅴ)时,发动机能够迅速着火,而其他条件下的着火均不明显。这一点从图5的瞬时转速变化曲线中也可以看出来,在开始喷油后的第3个循环,试验Ⅳ、试验Ⅴ的瞬时转速突增速度明显大于其他条件下的结果。这个结果主要由两方面的原因造成。首先,试验Ⅳ、试验Ⅴ在着火前的倒拖过程中实现了外部EGR。在第3个着火循环前的倒拖过程中,尽管发动机没有着火燃烧,但由于试验Ⅳ及试验Ⅴ中的背压阀处于部分关闭状态,其节流作用使得背压阀前压力迅速上升,迫使排气由EGR管路反馈回进气管中。而在第1、第2个喷油循环中,由于均未出现着火燃烧现象,喷入缸内的燃油除了部分附到气缸壁上以外,其余大部分则以燃油蒸气及焰前反应中间产物的形式进入排气管中。这样,在试验Ⅳ及试验Ⅴ中,由于外部EGR作用,这些燃油蒸气及焰前反应中间产物的很大一部分将被重新引入气缸中。由于前面的循环中着火燃烧没有发生,这些被重新引入气缸的排气中并不具有明显的热效应和稀释效应。但排气中的燃油蒸气及焰前反应中间产物成分具有很强的化学活化作用,加速了混合气的焰前反应速率,大大缩短混合气的滞燃期,提高混合气的着火燃烧性能。其次,在试验Ⅳ及试验Ⅴ中,背压阀的部分关闭引起的排气背压上升,在一定程度上造成缸内残余废气量的增加,从而使得缸内燃油蒸气及焰前反应中间产物成分有一定程度的增加,有利于提高混合气的着火燃烧性能。对于试验Ⅱ和试验Ⅲ,虽然在试验中EGR阀处于打开状态,但由于背压阀全开,若发动机没有着火燃烧,则排气管中的压力较低,无法推动排气由EGR管路向进气管流动。因此,在图4a中,试验Ⅱ、试验Ⅲ的初始着火循环缸内压力变化曲线与试验Ⅰ无EGR情况下的结果相似。图4b是开始喷油后第4个循环的缸压变化曲线。由图4b中可以看到,试验Ⅱ、试验Ⅲ(背压阀全开,EGR阀开度分别为500/0、1000/0)的燃烧得到了很大的改善,其着火时刻与试验Ⅳ、试验Ⅴ的情况非常接近,滞燃期大大缩短。这主要是由于第3个循环中的着火燃烧使得排气管中压力迅速上升,推动排气管中的气体由EGR管路反馈回进气管,形成EGR流动。这样第1、第2个循环积累在排气管中的燃油蒸气和焰前反应中间产物,以及第3个循环中的不完全燃烧产物均将被重新引入气缸中,使得第4个循环中混合气的滞燃期大大缩短。在第4个循环中,试验Ⅰ的燃烧虽然有所改善,但其最大压升率的出现依然落后于其他情况的结果。由此可知,通过调节背压阀,在冷起动过程开始未着火的倒拖循环中强迫产生EGR气体反馈流动,从而提高冷起动过程初始着火循环的着火燃烧性能。图6a、图6b分别是第6、第7个循环的缸压变化曲线。由于着火稳定后,排气管的压力迅速上升,此时若背压阀部分关闭将引起EGR量的大幅上升。而且,随着气缸壁、活塞顶等处的温度上升,燃烧过程逐渐完善,EGR的稀释效应逐渐增强。因此,由图6中可以看到,对于EGR阀全开、背压阀开度分别为500/0(试验Ⅳ)和100/0(试验Ⅴ)的情况,着火时刻出现逐渐滞后的现象。而由图3f中更可以看到,试验Ⅳ、试验Ⅴ分别在第15个循环(大约10800°CA)、第12循环(大约8640°CA)后,这两种情况下的最大爆压迅速下降,除了由于轨压出现第2个振荡峰时,最大爆压有所回升外,发动机几乎都运转在临界失火状态。由图6中还可以看到,随着气缸壁、活塞顶等处的温度上升,无EGR情况(试验Ⅰ)的着火时刻逐渐提前。对于背压阀全开、EGR阀分别为500/0、1000/0(即试验Ⅱ、试验Ⅲ)时,着火时刻并未出现逐渐滞后的现象。对于背压阀全开,EGR阀开度分别分500/0、1000/0两种情况(即试验Ⅱ、试验Ⅲ),由图3f中可以看到,整个起动过程中,最大爆压变化情况与无外部EGR条件下相比,除在第15～35个循环(10800°CA～25200°CA)间稍有差别以外,整个起动过程都基本一致。而由图7中第78、第79个循环的缸压变化曲线可知,背压阀全开、EGR阀分别为500/0、1000/0(即试验Ⅱ、试验Ⅲ)的情况与无外部EGR情况(试验Ⅰ)相比,燃烧过程并没有恶化,开始着火时刻还略有提前。由此可见,当发动机起动稳定后,加入适当的外部EGR量,并不会引起起动过程燃烧恶化,相反与无外部EGR的情况相比,对冷起动过程的着火燃烧还有一定的改善作用。图8是整个起动过程瞬态消光烟度的变化曲线。发动机起动后,由于轨压迅速增大引起了循环油量的增大,造成了烟度排放形成了一个很高的峰值。试验Ⅲ、试验Ⅳ和试验Ⅴ的烟度排放峰值达到了900/0以上,这主要是试验Ⅲ、试验Ⅳ和试验Ⅴ在这一阶段中引入了过量的EGR,且随着燃烧的逐步完善,EGR的稀释效应逐渐增强,造成燃烧恶化而引起烟度增大。试验Ⅱ中引入的EGR量较少,对燃烧没有造成不良影响,其这一阶段的烟度排放基本与试验Ⅰ的情况一样。由图中还可以看到,在接下来的起动过程中,试验Ⅳ和试验Ⅴ由于引入的EGR量过大,发动机燃烧处于极度恶化状态,因此,这两种情况下的烟度排放基本上都维持在一个很高的水平。而对后面阶段试验Ⅰ、试验Ⅱ和试验Ⅲ的烟度排放进行分析可以发现,当轨压出现减小、增大的波动时,试验Ⅱ、试验Ⅲ的烟度排放均低于试验Ⅰ的结果。这主要是由于试验Ⅱ、试验Ⅲ引入一定量的EGR,使燃烧过程得到改善的结果。此外,由图8还可以看到,当发动机运转基本稳定后,试验Ⅱ、试验Ⅲ的烟度排放与试验Ⅰ的结果基本一致。由此可见,在冷起动过程中,加入适量的外部EGR有利于改善冷起动过程的烟度排放。图9是冷起动过程的NOx排放变化曲线。由图中可见,起动初期由于轨压出现很大的过冲造成NOx排放出现了一个较高的峰值。然后随着轨压振荡出现波谷,NOx排放几乎减小到零。但当发动机燃烧着火逐渐趋于稳定后,EGR中惰性成分增加,加入一定量的EGR后,有效地降低了NOx排放。2.2内部egr对火焰的影响内部EGR试验与外部EGR试验类似。如表2中所示,通过调整排气门关闭正时(EVC),从而实现内部EGR量的改变。带内部EGR的冷起动过程轨压变化与外部EGR试验基本一致,各次试验具有很好的重复性,如图10所示。图11则是内部EGR条件下冷起动试验的最大爆发压力随循环变化曲线。由图11可知,内部EGR条件下的冷起动过程中发动机均能稳定着火燃烧,并未出现燃烧极度恶化的现象。而且与外部EGR条件下的结果一样,在第15～35个循环间,由于轨压下降造成各次试验的爆压下降时,内部EGR较大的情况下爆压明显较高,这说明一定量的内部EGR同样可以提高冷起动过程的稳定性。接下来,同样对各次试验初始着火循环的缸压曲线进行分析,研究内部EGR对冷起动过程初始着火循环的影响。图12是喷油开始后第3个循环的缸压曲线。在内部EGR条件下,同样是喷油开始后第3个循环开始出现明显的着火现象。由图12可见,由于内部EGR增加了缸内燃油蒸气、焰前反应中间产物等活性成分,因此,内部EGR的加大对改善初始着火循环的着火性能也着有非常明显的效果。但由图12中还可以看到,试验Ⅹ(EVC为21°CABTDC)的最大爆压并不比试验Ⅸ(EVC为14°CABTDC)高。而且由图11也可以看到,当轨压波动造成燃烧恶化时,试验Ⅹ也并没表现出比试验Ⅸ更好的燃烧性能。由此可见,冷起动过程中,内部EGR量并非越大越好。为了分析冷起动过程发动机稳定着火运行后内部EGR对着火燃烧的影响,这里同样取第78、第79个循环的缸压曲线来进行分析,如图13所示。由图13中可以看到,在发动稳定着火运行后,内部EGR对着火开始时刻有着非常显著的影响。内部EGR的加入,使着火时刻明显提前。但同时由图中也可以看到,当内部EGR增大到一定程度时,着火时刻又出现了逐渐延后的趋势。图14a是内部EGR条件下冷起动过程的烟度排放变化曲线。由图中可见,在冷起动初期,由于轨压增大导致循环喷油量增大而造成烟度排放形成一个很高的峰值。这个峰值随排气门关闭正时的提前而逐渐下降,在14°CABTDC时(即试验Ⅸ)达到最低,在21°CABTDC时(即试验Ⅹ)又出现了增大。这主要是由以下原因造成的。在冷起动初始阶段,循环喷油量增大,但缸内混合气形成条件较差,当适当加大内部EGR量时,内部EGR的热效应及残余废气中活化成分的活化效应都有利于改善缸内混合气的形成及着火性能。而当内部EGR量过大时,一方面,残余废气中的燃油蒸气及其他一些活化成分增大了缸内混合气的燃空比;另一方面,内部EGR的热效应使得喷入缸内的燃油蒸发雾化量增大。这就使得缸内可燃混合气的燃空比超过碳烟生成的临界值,造成烟度排放增大。由图14a还可以看到,在接下来的起动过程中,当轨压出现幅度相对较小的波动时,加大内部EGR量,有利于改善烟度排放。而当发动机运转基本稳定后,不同排气门关闭正时的试验结果基本一致。图14b是在内部EGR条件下冷起动过程的NOx排放变化曲线。