內(nèi)、外部egr對柴油機冷起動過程燃燒性能及排放的影響

內(nèi)、外部egr對柴油機冷起動過程燃燒性能及排放的影響

研究現(xiàn)狀由于其高燃料效率和可靠性，直驅(qū)油機廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。在近十幾年來,由于一些先進技術(shù)在柴油機上的應(yīng)用,如高壓共軌電控燃油噴射、增壓中冷、EGR等,柴油機已達(dá)到了較低排放的要求。但一些過渡工況,如起動工況、加速、減速工況等,對這些瞬變過程排放的優(yōu)化控制依然是亟待解決的重要問題。柴油機冷起動存在的問題主要是起動著火前的倒拖時間較長、出現(xiàn)失火現(xiàn)象及排放問題。從早期的增加輔助起動裝置,到近年來對著火燃燒過程的深入分析,國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量的研究[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。柴油機冷起動過程存在的這些問題主要是由于冷起動過程的缸內(nèi)壓縮溫度和壓力較低,導(dǎo)致燃燒滯后及燃油蒸發(fā)霧化不良等,從而引起燃燒過程惡化甚至失火而造成的。為了提高柴油機的冷起動性能,許多學(xué)者提出了很多冷起動輔助措施,所有這些措施都是通過不同的方法,提高柴油機冷起動過程初始階段的燃燒著火性能,從而實現(xiàn)柴油機冷起動性能和排放的改善。EGR是目前為降低柴油機正常工況下的NOx排放而廣泛采用的一項技術(shù)。正常工況下的EGR主要成分是惰性氣體,其通過3個方面影響柴油機的缸內(nèi)燃燒過程,從而影響NOx排放的生成。這3個方面是EGR對進氣的稀釋效應(yīng),EGR中的惰性氣體增加了工質(zhì)的比熱容及EGR的熱效應(yīng)。發(fā)動機在正常工況,前兩個方面的影響占主導(dǎo)作用,導(dǎo)致了缸內(nèi)燃燒溫度降低,從而降低了NOx排放的生成。冷起動過程中的排氣成分與正常工況有著很大的區(qū)別,其中含有大量的HC、燃油蒸氣(白煙)及一些部分氧化產(chǎn)物。這些成分對燃燒過程的影響與正常工況下的EGR存在很大的差別。冷起動過程的排氣中含有大量的HC、燃油蒸氣及一些部分氧化產(chǎn)物,如果將含有這些成分的廢氣以EGR的方式重新引入氣缸內(nèi),則引入廢氣的熱效應(yīng)及廢氣中這些活化成分的化學(xué)活化效應(yīng)將可能有利于改善混合氣的滯燃期,提高發(fā)動機的燃燒著火性。本文主要通過試驗,研究在冷起動過程中分別加入內(nèi)、外部EGR后對柴油機冷起動著火燃燒性能及排放的影響,以期找到一種新的改善柴油機冷起動性能的方法。1試驗系統(tǒng)的建立本試驗是在一臺自然吸氣、帶高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)的單缸柴油機上進行,柴油機的基本參數(shù)見表1。試驗中,采用fNOx400型NOx分析儀對進排氣管中的NOx濃度進行測量;采用AVL439消光煙度計對排氣煙度進行測量;進排氣壓力測量采用CYG1609型高頻響壓阻式傳感器;進排氣溫度測量采用NANMAC的E12型快速響應(yīng)熱電偶;整個數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)以LabVIEW為平臺自行開發(fā)。整個試驗系統(tǒng)的布置如圖1所示。整個試驗分兩部分,即外部EGR試驗和內(nèi)部EGR試驗。在外部EGR試驗中,固定噴油正時、氣門正時及噴油脈寬不變,分別調(diào)節(jié)EGR閥開度(OEV)和背壓閥開度(OBV),依次進行冷起動試驗。通過對進、排氣壓力、溫度、NOx濃度、缸壓及煙度等參數(shù)進行分析,研究不同外部EGR條件對柴油機冷起動著火燃燒過程的影響。在試驗中,考慮到熱EGR對進氣有一定的加熱作用,故EGR中冷器未起作用,即試驗采用的是熱EGR方式。在內(nèi)部EGR試驗中,同樣固定噴油角度、進氣門正時及噴油脈寬不變,通過調(diào)節(jié)排氣門關(guān)閉正時(EVC)以改變內(nèi)部EGR量,依次進行冷起動試驗,分析內(nèi)部EGR對柴油機冷起動著火燃燒過程的影響。整個試驗過程的環(huán)境溫度保持為30℃,各次試驗的初始機油溫度、冷卻水溫度均保持與環(huán)境溫度一致。各次試驗的進氣門開啟正時(IVO)為7°CABTDC,噴油脈寬為1.4ms,噴油正時為20°CABTDC,而排氣門正時、EGR閥及背壓閥開度、噴油角度等參數(shù)見表2。2試驗結(jié)果及分析2.1開度對試驗、試驗和試驗的影響試驗中,對各測量參數(shù)均是從冷起動過程噴油開始循環(huán)到發(fā)動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)共90個循環(huán)的數(shù)據(jù)進行記錄。圖2是各次試驗的高壓油軌壓力變化曲線。試驗中,油軌壓力采用PID控制。從圖中可以看到各次試驗前28個循環(huán)(大約前20160°CA)的軌壓基本一致,到80個循環(huán)(大約60000°CA)以后基本趨于穩(wěn)定值80MPa。通過對這些軌壓基本一致的循環(huán)的著火燃燒特性進行對比,可對加入不同EGR量對冷起動著火燃燒性能的影響進行分析。圖3a～圖3e是各次試驗的缸壓變化曲線,圖3f是各循環(huán)最大爆發(fā)壓力隨循環(huán)變化的曲線。從圖中可以看到,起動初始階段前10個循環(huán)的最大爆壓基本一致,這說明各次試驗開始均能穩(wěn)定著火燃燒。但對背壓閥開度500/0及100/0(試驗Ⅳ和試驗Ⅴ)的情況,分別在第15循環(huán)(大約10800°CA)、第12循環(huán)(大約8640°CA)后,當(dāng)軌壓因振蕩處于較低時,出現(xiàn)爆壓迅速下降,發(fā)動機運轉(zhuǎn)在臨界失火狀態(tài)。而其他3種情況爆壓雖然隨軌壓出現(xiàn)波動,但均能較穩(wěn)定地著火燃燒。由圖3f還可以看到,對于試驗Ⅰ、試驗Ⅱ和試驗Ⅲ,在第15～35個循環(huán)(10080°CA～25200°CA),由于軌壓下降造成各次試驗的爆壓下降,但背壓閥全開、EGR閥開度分別為500/0和1000/0(即試驗Ⅱ和試驗Ⅲ)時,爆壓明顯高于無EGR的情況(試驗Ⅰ)。這表明,適當(dāng)?shù)耐獠縀GR量可以使冷起動過程的穩(wěn)定性得到提高。下面對各次試驗的初始著火循環(huán)的缸壓變化曲線進行分析,研究外部熱EGR對初始著火性能的影響。圖4a、圖4b分別是開始噴油后第3、第4個循環(huán)的缸壓變化曲線。第3個循環(huán)是開始出現(xiàn)明顯著火現(xiàn)象的初始著火循環(huán)。圖4a中可以看到,在背壓閥開度500/0(試驗Ⅳ)和100/0(試驗Ⅴ)時,發(fā)動機能夠迅速著火,而其他條件下的著火均不明顯。這一點從圖5的瞬時轉(zhuǎn)速變化曲線中也可以看出來,在開始噴油后的第3個循環(huán),試驗Ⅳ、試驗Ⅴ的瞬時轉(zhuǎn)速突增速度明顯大于其他條件下的結(jié)果。這個結(jié)果主要由兩方面的原因造成。首先,試驗Ⅳ、試驗Ⅴ在著火前的倒拖過程中實現(xiàn)了外部EGR。在第3個著火循環(huán)前的倒拖過程中,盡管發(fā)動機沒有著火燃燒,但由于試驗Ⅳ及試驗Ⅴ中的背壓閥處于部分關(guān)閉狀態(tài),其節(jié)流作用使得背壓閥前壓力迅速上升,迫使排氣由EGR管路反饋回進氣管中。而在第1、第2個噴油循環(huán)中,由于均未出現(xiàn)著火燃燒現(xiàn)象,噴入缸內(nèi)的燃油除了部分附到氣缸壁上以外,其余大部分則以燃油蒸氣及焰前反應(yīng)中間產(chǎn)物的形式進入排氣管中。這樣,在試驗Ⅳ及試驗Ⅴ中,由于外部EGR作用,這些燃油蒸氣及焰前反應(yīng)中間產(chǎn)物的很大一部分將被重新引入氣缸中。由于前面的循環(huán)中著火燃燒沒有發(fā)生,這些被重新引入氣缸的排氣中并不具有明顯的熱效應(yīng)和稀釋效應(yīng)。但排氣中的燃油蒸氣及焰前反應(yīng)中間產(chǎn)物成分具有很強的化學(xué)活化作用,加速了混合氣的焰前反應(yīng)速率,大大縮短混合氣的滯燃期,提高混合氣的著火燃燒性能。其次,在試驗Ⅳ及試驗Ⅴ中,背壓閥的部分關(guān)閉引起的排氣背壓上升,在一定程度上造成缸內(nèi)殘余廢氣量的增加,從而使得缸內(nèi)燃油蒸氣及焰前反應(yīng)中間產(chǎn)物成分有一定程度的增加,有利于提高混合氣的著火燃燒性能。對于試驗Ⅱ和試驗Ⅲ,雖然在試驗中EGR閥處于打開狀態(tài),但由于背壓閥全開,若發(fā)動機沒有著火燃燒,則排氣管中的壓力較低,無法推動排氣由EGR管路向進氣管流動。因此,在圖4a中,試驗Ⅱ、試驗Ⅲ的初始著火循環(huán)缸內(nèi)壓力變化曲線與試驗Ⅰ無EGR情況下的結(jié)果相似。圖4b是開始噴油后第4個循環(huán)的缸壓變化曲線。由圖4b中可以看到,試驗Ⅱ、試驗Ⅲ(背壓閥全開,EGR閥開度分別為500/0、1000/0)的燃燒得到了很大的改善,其著火時刻與試驗Ⅳ、試驗Ⅴ的情況非常接近,滯燃期大大縮短。這主要是由于第3個循環(huán)中的著火燃燒使得排氣管中壓力迅速上升,推動排氣管中的氣體由EGR管路反饋回進氣管,形成EGR流動。這樣第1、第2個循環(huán)積累在排氣管中的燃油蒸氣和焰前反應(yīng)中間產(chǎn)物,以及第3個循環(huán)中的不完全燃燒產(chǎn)物均將被重新引入氣缸中,使得第4個循環(huán)中混合氣的滯燃期大大縮短。在第4個循環(huán)中,試驗Ⅰ的燃燒雖然有所改善,但其最大壓升率的出現(xiàn)依然落后于其他情況的結(jié)果。由此可知,通過調(diào)節(jié)背壓閥,在冷起動過程開始未著火的倒拖循環(huán)中強迫產(chǎn)生EGR氣體反饋流動,從而提高冷起動過程初始著火循環(huán)的著火燃燒性能。圖6a、圖6b分別是第6、第7個循環(huán)的缸壓變化曲線。由于著火穩(wěn)定后,排氣管的壓力迅速上升,此時若背壓閥部分關(guān)閉將引起EGR量的大幅上升。而且,隨著氣缸壁、活塞頂?shù)忍幍臏囟壬仙?燃燒過程逐漸完善,EGR的稀釋效應(yīng)逐漸增強。因此,由圖6中可以看到,對于EGR閥全開、背壓閥開度分別為500/0(試驗Ⅳ)和100/0(試驗Ⅴ)的情況,著火時刻出現(xiàn)逐漸滯后的現(xiàn)象。而由圖3f中更可以看到,試驗Ⅳ、試驗Ⅴ分別在第15個循環(huán)(大約10800°CA)、第12循環(huán)(大約8640°CA)后,這兩種情況下的最大爆壓迅速下降,除了由于軌壓出現(xiàn)第2個振蕩峰時,最大爆壓有所回升外,發(fā)動機幾乎都運轉(zhuǎn)在臨界失火狀態(tài)。由圖6中還可以看到,隨著氣缸壁、活塞頂?shù)忍幍臏囟壬仙?無EGR情況(試驗Ⅰ)的著火時刻逐漸提前。對于背壓閥全開、EGR閥分別為500/0、1000/0(即試驗Ⅱ、試驗Ⅲ)時,著火時刻并未出現(xiàn)逐漸滯后的現(xiàn)象。對于背壓閥全開,EGR閥開度分別分500/0、1000/0兩種情況(即試驗Ⅱ、試驗Ⅲ),由圖3f中可以看到,整個起動過程中,最大爆壓變化情況與無外部EGR條件下相比,除在第15～35個循環(huán)(10800°CA～25200°CA)間稍有差別以外,整個起動過程都基本一致。而由圖7中第78、第79個循環(huán)的缸壓變化曲線可知,背壓閥全開、EGR閥分別為500/0、1000/0(即試驗Ⅱ、試驗Ⅲ)的情況與無外部EGR情況(試驗Ⅰ)相比,燃燒過程并沒有惡化,開始著火時刻還略有提前。由此可見,當(dāng)發(fā)動機起動穩(wěn)定后,加入適當(dāng)?shù)耐獠縀GR量,并不會引起起動過程燃燒惡化,相反與無外部EGR的情況相比,對冷起動過程的著火燃燒還有一定的改善作用。圖8是整個起動過程瞬態(tài)消光煙度的變化曲線。發(fā)動機起動后,由于軌壓迅速增大引起了循環(huán)油量的增大,造成了煙度排放形成了一個很高的峰值。試驗Ⅲ、試驗Ⅳ和試驗Ⅴ的煙度排放峰值達(dá)到了900/0以上,這主要是試驗Ⅲ、試驗Ⅳ和試驗Ⅴ在這一階段中引入了過量的EGR,且隨著燃燒的逐步完善,EGR的稀釋效應(yīng)逐漸增強,造成燃燒惡化而引起煙度增大。試驗Ⅱ中引入的EGR量較少,對燃燒沒有造成不良影響,其這一階段的煙度排放基本與試驗Ⅰ的情況一樣。由圖中還可以看到,在接下來的起動過程中,試驗Ⅳ和試驗Ⅴ由于引入的EGR量過大,發(fā)動機燃燒處于極度惡化狀態(tài),因此,這兩種情況下的煙度排放基本上都維持在一個很高的水平。而對后面階段試驗Ⅰ、試驗Ⅱ和試驗Ⅲ的煙度排放進行分析可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)軌壓出現(xiàn)減小、增大的波動時,試驗Ⅱ、試驗Ⅲ的煙度排放均低于試驗Ⅰ的結(jié)果。這主要是由于試驗Ⅱ、試驗Ⅲ引入一定量的EGR,使燃燒過程得到改善的結(jié)果。此外,由圖8還可以看到,當(dāng)發(fā)動機運轉(zhuǎn)基本穩(wěn)定后,試驗Ⅱ、試驗Ⅲ的煙度排放與試驗Ⅰ的結(jié)果基本一致。由此可見,在冷起動過程中,加入適量的外部EGR有利于改善冷起動過程的煙度排放。圖9是冷起動過程的NOx排放變化曲線。由圖中可見,起動初期由于軌壓出現(xiàn)很大的過沖造成NOx排放出現(xiàn)了一個較高的峰值。然后隨著軌壓振蕩出現(xiàn)波谷,NOx排放幾乎減小到零。但當(dāng)發(fā)動機燃燒著火逐漸趨于穩(wěn)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內(nèi)部egr對火焰的影響內(nèi)部EGR試驗與外部EGR試驗類似。如表2中所示,通過調(diào)整排氣門關(guān)閉正時(EVC),從而實現(xiàn)內(nèi)部EGR量的改變。帶內(nèi)部EGR的冷起動過程軌壓變化與外部EGR試驗基本一致,各次試驗具有很好的重復(fù)性,如圖10所示。圖11則是內(nèi)部EGR條件下冷起動試驗的最大爆發(fā)壓力隨循環(huán)變化曲線。由圖11可知,內(nèi)部EGR條件下的冷起動過程中發(fā)動機均能穩(wěn)定著火燃燒,并未出現(xiàn)燃燒極度惡化的現(xiàn)象。而且與外部EGR條件下的結(jié)果一樣,在第15～35個循環(huán)間,由于軌壓下降造成各次試驗的爆壓下降時,內(nèi)部EGR較大的情況下爆壓明顯較高,這說明一定量的內(nèi)部EGR同樣可以提高冷起動過程的穩(wěn)定性。接下來,同樣對各次試驗初始著火循環(huán)的缸壓曲線進行分析,研究內(nèi)部EGR對冷起動過程初始著火循環(huán)的影響。圖12是噴油開始后第3個循環(huán)的缸壓曲線。在內(nèi)部EGR條件下,同樣是噴油開始后第3個循環(huán)開始出現(xiàn)明顯的著火現(xiàn)象。由圖12可見,由于內(nèi)部EGR增加了缸內(nèi)燃油蒸氣、焰前反應(yīng)中間產(chǎn)物等活性成分,因此,內(nèi)部EGR的加大對改善初始著火循環(huán)的著火性能也著有非常明顯的效果。但由圖12中還可以看到,試驗Ⅹ(EVC為21°CABTDC)的最大爆壓并不比試驗Ⅸ(EVC為14°CABTDC)高。而且由圖11也可以看到,當(dāng)軌壓波動造成燃燒惡化時,試驗Ⅹ也并沒表現(xiàn)出比試驗Ⅸ更好的燃燒性能。由此可見,冷起動過程中,內(nèi)部EGR量并非越大越好。為了分析冷起動過程發(fā)動機穩(wěn)定著火運行后內(nèi)部EGR對著火燃燒的影響,這里同樣取第78、第79個循環(huán)的缸壓曲線來進行分析,如圖13所示。由圖13中可以看到,在發(fā)動穩(wěn)定著火運行后,內(nèi)部EGR對著火開始時刻有著非常顯著的影響。內(nèi)部EGR的加入,使著火時刻明顯提前。但同時由圖中也可以看到,當(dāng)內(nèi)部EGR增大到一定程度時,著火時刻又出現(xiàn)了逐漸延后的趨勢。圖14a是內(nèi)部EGR條件下冷起動過程的煙度排放變化曲線。由圖中可見,在冷起動初期,由于軌壓增大導(dǎo)致循環(huán)噴油量增大而造成煙度排放形成一個很高的峰值。這個峰值隨排氣門關(guān)閉正時的提前而逐漸下降,在14°CABTDC時(即試驗Ⅸ)達(dá)到最低,在21°CABTDC時(即試驗Ⅹ)又出現(xiàn)了增大。這主要是由以下原因造成的。在冷起動初始階段,循環(huán)噴油量增大,但缸內(nèi)混合氣形成條件較差,當(dāng)適當(dāng)加大內(nèi)部EGR量時,內(nèi)部EGR的熱效應(yīng)及殘余廢氣中活化成分的活化效應(yīng)都有利于改善缸內(nèi)混合氣的形成及著火性能。而當(dāng)內(nèi)部EGR量過大時,一方面,殘余廢氣中的燃油蒸氣及其他一些活化成分增大了缸內(nèi)混合氣的燃空比;另一方面,內(nèi)部EGR的熱效應(yīng)使得噴入缸內(nèi)的燃油蒸發(fā)霧化量增大。這就使得缸內(nèi)可燃混合氣的燃空比超過碳煙生成的臨界值,造成煙度排放增大。由圖14a還可以看到,在接下來的起動過程中,當(dāng)軌壓出現(xiàn)幅度相對較小的波動時,加大內(nèi)部EGR量,有利于改善煙度排放。而當(dāng)發(fā)動機運轉(zhuǎn)基本穩(wěn)定后,不同排氣門關(guān)閉正時的試驗結(jié)果基本一致。圖14b是在內(nèi)部EGR條件下冷起動過程的NOx排放變化曲線。