ｆ.采用ＥＧＲ技术后,相关部件的磨损加大,使用时应充分重视。
二、废气再循环（EGR）应用现状
1. 在增压中冷柴油机上的应用 1.1 试验仪器与设备
1.2 EGR系统布置
发动机上EGR系统的布置原理图如图1所示,废气在涡轮机进口前被引出,进入废气冷却器中冷却,然后流经EGR阀,在文丘里管的喉口部位与新鲜进气混合,最后进入气缸中参与燃烧[2, 3]。
在整个系统布置中,通常需要考虑以下两点:
(1)EGR阀的位置。EGR阀可以选择放在废气冷却器前或后。置于冷却器前,可以避免废气冷却器长期与燃气接触,但是阀体距离排气管很近,直接暴露在高温排气下,对其抗热负荷的性能要求很高,因此有的阀体上加工了冷却水通道,利用发动机循环水来冷却;EGR阀置于冷却器后,降低阀体所须承受的热负荷,目前许多带有驱动电机的EGR阀都采取这种布置,但是这要求冷却器具有较强的抗热负荷、抗酸性腐蚀功能。本试验中采用EGR阀后置。
(2)文丘里管系统的位置。文丘里管系统的作用是在进气管中产生足够的压降,使废气能够与新鲜进气混合,并使流动损失尽可能小。如果在进气中冷器前导入废气,对废气的冷却效果将明显加强,但是在冷却过程中会产生酸液,同时在中冷器的内壁面附着一层微粒,最终导致冷却器工作能力的下降和壳体的损坏。本试验中文丘里管系统安置在进气中冷器后。
EGR率在试验中定义如下:
EGR率=（[CO2]进气-[CO2]环境大气）/（[CO2]排气-[CO2]进气） 式中, [CO2]为CO2摩尔浓度。 1.3 试验结果分析
试验在各种工况下对发动机的燃油耗、气体排放物、烟度进行了测试,转速(r/min)为: 1200, 1500,1800, 2000, 2300;在每种转速下负荷分别为: 10%,25%, 50%, 75%, 100%。试验时的喷油定时不变,不同的EGR率依靠调节文丘里管系统的节流阀和EGR阀的开度来实现。当节流阀开度减小时,更多的气流从文丘里管侧通过,这时喉口处的压降增加,更多的废气可利用此引射效应参与再循环。图2是试验测得的最大EGR率分布情况。
试验可达到的最高EGR率约为13%。在1500r/min、75%负荷处(相当于13工况中的第5工况),能实现1. 6%的EGR率,在中低转速的高负荷工况下,废气压力低于文丘里管喉口处的进气压力,无法进行废气再循环。
对于NOx,在所有的工况下,随EGR率的增加,其排放都会降低,尤其是在高负荷区域这种现象更为明显。这主要是因为,当废气引入时,它取代了部分新鲜空气,降低了其中的氧浓度;废气中的惰性气体抑制滞燃期内可燃混合气的形成和燃烧速度;同时废气中比热容较高的物质如CO2等会吸收燃烧产生的热量,对燃烧温度起抑制作用。这样NOx形成机理中的两个重要条件高温和富氧被破坏,从而降低了它的排放。在高负荷工况下,过量空气系数很小,燃烧对氧浓度的变化十分敏感,少量的废气引入可以使NOx有明显的降低,例如在1500 r/min、75%负荷下, 1. 6%的EGR率使NOx下降约13%;在低负荷时,过量空气系数很高,此时对降低NOx排放起明显作用的是废气对燃烧速度和温度的抑制作用。从图3可看出,在高负荷工况下,曲线的走势较陡,在低负荷时则很平缓。
EGR对HC的影响较为复杂,通常认为HC是由缸内的不完全燃烧以及缸壁的淬冷产生。废气的引入使缸内的氧浓度降低,充量的温度增加。前者使燃烧恶化,HC排放增加,而后者又减弱了淬冷效应,特别是在某些高负荷工况,HC排放随EGR率的增加反而有下降趋势,见图4。CO的排放随EGR率升高总体呈上升趋势,在低负荷工况下走势平缓,高负荷时急剧升高。这主要是EGR率对氧浓度的影响程度不同,在低负荷时,废气的引入虽然导致氧气减少,但此时过量空气系数很高,对燃烧影响较小;高负荷时,过量空气系数很小,加入少量的废气就能导致燃烧的恶化,见图4。
通常情况下,EGR率的增加会对柴油机的经济性能带来负面影响。这主要与废气替代了部分新鲜空气,导致氧浓度的降低,缸内燃烧温度下降,扩散燃烧的持续期加长有关。在高负荷工况下燃油耗和烟度的升高趋势比低负荷时更为明显,尤其是烟度,如图5中所示,在2300r/min和1500r/min两个转速的中高负荷下,烟度随EGR率的增加急剧上升,而在低负荷下则变化不明显,这是因为低负荷时含氧量高,对废气的容忍度较高。
从以上分析可看出,在负荷较高的情况下,EGR对降低NOx排放作用非常明显,但同时又会引起油耗、烟度的恶化,甚至导致动力性下降,兼顾6、8工况在排放试验中的重要性,只在8工况采用5. 8%的EGR率, 6、5工况则不采用EGR。在低负荷区域,如12工况,试验时采用的EGR率对NOx没有明显的降低作用,但是烟度、油耗、HC和CO的排放却在恶化,所以不采用EGR。综上所述,在十三工况试验中,在2、3、4、8、9、10、11七个工况下采用EGR。EGR率的选用和排
放测试结果见表3。
表4为十三工况排放测试计算结果,其中NOx排放有明显的下降,HC和CO的变化不大,其中值得注意的是颗粒排放有所下降,原因是再循环废气经过冷却后虽然温度有所降低,但仍然远高于中冷后的新鲜空气温度(高于100°C),这样在预燃期内,缸内的混合气温度较高,减少了HC和可溶性颗粒物的生成量,从而遏制了颗粒的排放。 1.4 结论
(1)为满足严格的排放法规,EGR作为降低NOx排放的一种手段,效果非常明显,而且具有很强的实用性。
(2)文丘里管系统是增压柴油机运用EGR技术时,非常重要的一项措施,它对于扩大EGR的运行工况范围,提高EGR率非常有效。
(3)采用EGR后,油耗、烟度会有所增加,这在实际应用时需要综合考虑。
(4)废气的冷却温度会影响发动机的性能和排放,应该尽可能的降低废气冷却后的温度。 2. 废气再循环对不同辛烷值燃料HCCI燃料的影响 2.1冷却EGR对HCCI发动机燃烧特性的影响
EGR是柴油机抑制NOx产生的基本措施[1-4]。现今,EGR也成为了HCCI燃烧进行着火控制的基本手段之一[5-7]。EGR通过几种方式来影响HCCI发动机的着火时刻与燃烧。其一,加热作用。热EGR与较低温度的燃料空气混合物混合后,压缩初始状态的温度得到提高;对内部EGR,残余废气与燃料空气在整个气缸内充分混合。本节主要讨论冷却EGR对HCCI的影响,在第二节中将讨论通过热EGR提高进气充量的温度后,对HCCI燃烧的影响。第二,EGR的稀释作用。EGR引入到缸内后,氧的浓度大幅度降低;热效果———由于二氧化碳和水蒸气的比热要比空气高,因此EGR使整个混合气的比热增加,由此而引起压缩终了的温度降低;化学作用———EGR中的份可以部分参与化学反应而引起自燃与着火时刻的变化。EGR的化学作用一方面是内部EGR的活性基效果,但是目前对EGR中是否有活性基存在及其对着火的影响还有所争议[8];另一方面是EGR中有未燃碳氢或燃料、CO、CO2、NO、H2O等都会参与下一个循环的反应,因此也可以提前或延缓HCCI的着火与燃烧。
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