烟度问题是应用EGR系统的一个主要的难点。随着负荷的增加,烟度的大小都随EGR率的增大而增大。这种增大的幅度在不同大气压下不一样。在负荷最低的工况下(例如工况点为2200 r/min、85 N·m时),模拟大气压为100 kPa下的过量空气系数比80 kPa大气压时增大了近一半,所以在引入相同排气量的同时,缸内氧浓度的减少量要小,所以烟度的变化不明显。但在模拟大气压为80 kPa下,10%EGR率下的烟度要比2%EGR率下的烟度增加了22%,这说明了柴油机的微粒排放增加。这给人们带来了一些启示,高原地区由于大气压的降低,进气密度的减少,即便是小负荷区域,过量空气系数也会有较大的减少,因此在这种工况下为防止出现微粒排放过大增加,加入再循环气体量要相应的比平原地区运行的柴油机要小一些。为了更加深入地说明此问题,表1列举了不同大气压下柴油机在标定转速以及输出最大转矩转速的低负荷工况的烟度排放对比。从表中可以看出,增压柴油机转速2 200 r/min时,随着大气压的减少,烟度值上升了10%,当转速上升到3 200 r/min时,烟度值上升了14%。负荷增加,过量空气系数随之减少,当引入排气后,促使了缸内温度增加的趋势和氧浓度减少的趋势的增加,因此加大了烟度排放。这种趋势在80 kPa下较明显,例如在2 200 r/min的全负荷点下, 10% EGR率下的烟度比2% EGR率的烟度增加18%,这比100 kPa下的15%增加了3%。图5、图6表示的是不同大气压下,增压柴油机外特性处不同EGR率与原机烟度排放的比较。
从图中可以明显地观测到,烟度随EGR率的升高而增大,并且这种趋势随转速的升高而加剧。在2 800r/min以后,加入再循环气体后,会对烟度有十分明显的增加作用,到3 200r/min处最明显。这是由于EGR的作用使缸内扩散燃烧持续期变长,同时也减少了进气中的氧浓度,从而促使微粒排放加重,反映到烟度上则是使烟度排放值升高。 3.3 结论
1)不同大气压下,增压柴油机进行EGR之后,其比油耗和烟度的变化规律基本相同。
2)运行在高原地区的增压柴油机进行EGR之后,即使在小负荷区域,烟度随EGR率的变化也
有较大的变化,在全负荷工况下,这种趋势更加明显。因此在这些工况掺入排气时,其量应比平原地区相
应减少一些。
3)增压柴油机运行在高原地区,过量空气系数由于大气压力的降低而减少,进行EGR之后,势必将增大减少的幅度,因此在高原地区进行EGR,应适当减少相对于平原地区的EGR率。 4、EGR温度对涡轮增压柴油机燃烧和排放的影响 4.1 试验装置与试验方法
试验机型为直列6缸、4冲程、废气涡轮增压、中冷柴油机,其主要结构性能参数见表1。
试验台架布置见图1。废气在双入口涡轮前通过两根EGR管引出,在稳压腔内混合后通过EGR阀。为方便控制EGR温度,流出EGR阀的废气分成两路,并通过调节两条管路上的控制阀(图1中的7和8),可以控制通过EGR冷却器和直通管路中的气体流量,从而控制再循环废气的温度。EGR的温度由温度传感器5测量。EGR气与压缩中冷后的新鲜空气在文吐里混合器中混合。文吐里管安装在中冷器之后,这样安装可以使得再循环的废气不再流经中冷器,避免对中冷器的腐蚀。进气流量通过安装在压气机前的双纽线流量计测量。在进气管道适当的位置安装压力和温度传感器,分别测量进气充量的中冷前压力和温度、中冷后压力和温度。同时,在涡轮前和涡轮后的排气管道的适当位置安装压力和温度传感器,测量涡轮前的排气温度和压力,以及涡轮后的排气压力和温度。采用EGR后,进气的成分将会发生变化,必须对进气的组分进行检测。气体分析仪15测量进气组分,排放分析仪16对排放废气进行测量。NOx的测量采用化学发光法,烟度采用全自动烟度计测量,缸内压力的测量采用缸内压力传感器,压力测量所需的上止点信号和转角信号由与曲轴相联的编码器提供。试验中,每隔0.5°CA取一次样。测得的电压信号经电荷放大器输入数据采集仪。 4.2 结果分析
试验选定的工况点为1 300 r/min、720 N·m(75%负荷),试验中转速、扭矩保持不变,进气充量的质量流量不变,氧含量不变。试验测量了不同EGR温度下柴油机的示功图、燃油耗、烟度、NOx排放、排气温度等相关的参数。由实测的示功图根据热力学第一定律,计算得到了燃烧的放热规律。
图2表明了EGR温度对NOx排放的影响。由图看出,再循环的废气温度由507 K降至331 K时,NOx排放由1 272×10-6降到了1 143×10-6,降幅为10.14%。EGR温度的降低有利于降低NOx的排放。但由于废气中水蒸气的含量较空气高,并且含有少量的硫化物,过低的EGR温度一方面会导致水蒸气和硫化物的凝结,造成气缸壁的腐蚀和磨损;另一方面会导致EGR冷却器尺寸增大,成本增加。图2中的曲线表明,当EGR冷却到400 K左右时,继续降低其温度,NOx排放的变化趋势趋于平坦。EGR废气温度由474 K变化到401 K时,降低了73 K,NOx排放由1 220×10-6降到了1 165×10-6,降幅为4.51%。而EGR废气温度由401 K变化到331 K时,NOx排放由1 165×10-6降低到1 143×10-6,降幅为1.89%。因此,对EGR的冷却保持在400 K左右,这样既能达到降
低NOx排放的要求,又可以尽量减少对气缸的腐蚀和磨损。
图3为EGR温度为507 K和450 K时测录的示功图。图3表明,EGR温度为450 K时,燃烧初期的压力和压力升高率均较EGR温度为507 K时低,最高爆发压力也较低。试验中,使EGR的温度由507 K降低到331 K。EGR温度的降低,使其与新鲜空气混合后,进气充量的温度由315 K降低到306 K(见图4)。EGR温度的降低,使得进气充量的温度降低,使燃烧的滞燃期延长,放热率的峰值降低(见图5),燃烧的最高温度降低(见图6)。燃烧温度的降低,导致了NOx排放的降低。
由燃烧放热率图(图5)可以看出,随着EGR温度的降低,滞燃期延长,滞燃期内喷入气缸的油量增加,参与预混合燃烧的燃油的比例增加,燃烧的热效率提高。在整个燃烧过程中,随着EGR温度的降低,燃烧温度降低。综合整个燃烧过程,对EGR进行冷却,可以降低燃烧的温度。从放热规律中可以看出,EGR温度的降低,预混合燃烧的比例增加,燃烧持续期略有缩短,并没有出现明显的后燃现象,因此,排气温度也随EGR温度的降低,呈现一定的下降趋势(见图7)。
EGR温度的降低,降低了燃烧的温度,使得柴油机的散热损失减小;另一方面,EGR温度的降低,使滞燃期延长,预混合燃烧的比例增加,燃烧持续期缩短,热效率升高。在转速和扭矩保持不变的情况下,燃油耗随EGR温度的降低有所下降。EGR由507 K冷却到331 K,燃油耗降低了5.2 g/(kW·h)(见图8)。
由燃烧放热率图(图5)可以看出,高的EGR温度使预混合燃烧的比例降低,扩散燃烧的份额增加,并且使燃烧持续期变长。柴油机的碳烟主要产生于扩散燃烧阶段,扩散燃烧份额的增加,会增加烟度排放。燃烧持续期的增加,使得扩散燃烧的结束较低的EGR温度时晚。由于扩散燃烧发生在活塞下行的过程中,此时缸内的温度下降,燃烧持续期越长,越不利于碳烟的氧化,使烟度增加。另外,高的EGR温度使进气充量的温度升高,从而导致整个燃烧过程的温度升高,这可以使滞燃期和燃烧过程中燃油的雾化加快。温度的升高减小了进气密度,容易形成局部富油区。局部富油和高的燃烧温度加速了燃油的裂解,且不易被氧化,导致碳烟排放增加。 4.3 结论
(1)对EGR冷却可以延长燃烧的滞燃期,增加预混合燃烧的比例,缩短燃烧持续期,降低燃烧的放热率峰值,降低燃烧的最高温度,从而降低NOx的排放。
(2)燃烧温度的降低,可以降低燃烧过程中的散热损失,提高热效率,降低燃油耗。 (3)预混合燃烧比例的增加以及燃烧持续期的缩短,可以降低碳烟的排放。
(4)将EGR冷却到400 K(127℃)以下时,继续降低EGR的温度,NOx的降低不再明显。过低的EGR温度会使水蒸气和硫化物凝结,造成气缸壁和活塞的腐蚀和磨损。因此,该试验工况下,EGR的温度应保持在400 K左右。 三、EGR应用的难点及发展展望
1)对EGR的作用机理的深入研究是必要的,其中包括EGR中各种化学成分以及各种物性参数对工作的影响。在试验室模拟EGR的作用机理是不失为一种较好的研究手段。
2)目前怎样把EGR运用于所有的速度和负荷,仍是一个没有解决的问题。尤其是内燃机在高负荷区运行时,如何在保证足够的动力性的情况下使用EGR降低NOx的排放是一个重要的研究课题,采用各种EGR的处理措施,如EGR冷却、EGR氧化和EGR燃油重整等为解决此问题提供了努力的方向,其中EGR冷却目前已进入实用化的阶段。
3)由于大量使用EGR可能引起内燃机性能的不稳定,这样处于最优控制状态下实际使用的最大EGR率就要小, EGR的作用得不到最充分的发挥。充分的EGR控制需要实际的EGR率和燃烧质量监测,要建立足够的反馈控制机制,这方面还需要进一步的研究。
柴油机排气中含有硫酸盐、研磨剂和其它腐蚀性物质。因为气缸活塞的磨损,是否应在柴油机上使用EGR受到争议[10]。过多使用EGR也会降低能量效率和运行的稳定性,增加PM的产
生。然而,低硫柴油的使用是目前的必然趋势,硫酸盐等腐蚀性物质对气缸的影响将降低,借助计算机对EGR的精确控制也会使EGR对柴油机稳定运行及能量效率的影响降到最低程度。要满足欧Ⅲ、欧Ⅳ及欧Ⅴ等严格的排放法规,未来一段时期内,EGR仍是能大量减少NOx的切实可行的措施。同时处理NOx和PM的高效能的后处理系统还处在早期发展阶段。催化后处理技术的滞后也促进了EGR的进一步使用。
参 考 文 献
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