李垂孝　朱昌吉（吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　吉林　長春　130025）

當(dāng)量比下EGR對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究

李垂孝朱昌吉（吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吉林長春130025）

摘要：在一臺(tái)增壓中冷天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上，研究了理論當(dāng)量混合氣條件下EGR對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。結(jié)果表明：在2000 r/min，λ=1及一定的點(diǎn)火提前角（上止點(diǎn)前35°CA）條件下，通入不同的EGR率，在小、大負(fù)荷聯(lián)合三元催化轉(zhuǎn)化器可以很好地控制排放在很低的水平；不同負(fù)荷下小的EGR率對(duì)經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性影響較小，大EGR率對(duì)經(jīng)濟(jì)性惡化明顯。

關(guān)鍵詞：CNG發(fā)動(dòng)機(jī)理論空燃比燃燒EGR排放經(jīng)濟(jì)性動(dòng)力性

引言

內(nèi)燃機(jī)的廢氣排放問題已經(jīng)變成了一個(gè)尖銳的環(huán)境和社會(huì)問題，天然氣是一種經(jīng)過實(shí)踐證明可以應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)上的理想替代燃料，相比于汽油和柴油，它可以有效地減輕對(duì)環(huán)境的負(fù)擔(dān)[1]。天然氣的應(yīng)用相比于汽油、柴油更加安全，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，天然氣的點(diǎn)火溫度是260℃，發(fā)生泄漏時(shí)因?yàn)槊芏缺瓤諝獾?，可以迅速地升至高空，并且泄露的的天然氣不?huì)對(duì)大氣造成污染[2]，我國CNG燃料儲(chǔ)量豐富，有著廣闊的應(yīng)用前景。

目前解決CNG發(fā)動(dòng)機(jī)排放問題主要有兩種策略[3]：稀燃和當(dāng)量比聯(lián)合EGR和三效轉(zhuǎn)化器。目前大部分的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用稀薄燃燒的方法取得低的NOx排放和高效率，然而稀燃策略不足以應(yīng)對(duì)將來更加嚴(yán)格的排放法規(guī)；當(dāng)量比燃燒+EGR+三效轉(zhuǎn)化器（TWC）的方法是成本最低的可以運(yùn)用的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)將NOx、HC、CO控制在極低的水平。美國西南院和康明斯公司針對(duì)理論空燃比+EGR+TWC的路線進(jìn)行了大量的研究[4]。本實(shí)驗(yàn)首先通過優(yōu)化出最佳點(diǎn)火提前角，然后研究通入不同EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響規(guī)律。

1　實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)用的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如表1所示：本實(shí)驗(yàn)所匹配增壓器為霍尼韋爾TB28增壓器，具體實(shí)驗(yàn)設(shè)備的名稱、規(guī)格型號(hào)及生產(chǎn)廠家如表2所示。

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

表2　實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器

廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）可以很好地實(shí)現(xiàn)降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷[5]，抑制氮氧化物的生成，部分負(fù)荷可以使經(jīng)濟(jì)性提高，通過實(shí)驗(yàn)量化的方法可以應(yīng)對(duì)大缸徑當(dāng)量比燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒問題，本實(shí)驗(yàn)的EGR設(shè)計(jì)取自渦后低壓循環(huán)，如圖1所示。

圖1 EGR低壓回路循環(huán)示意圖

本實(shí)驗(yàn)的控制系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)串口和ECU之間的通信進(jìn)行了點(diǎn)火和噴氣脈普?qǐng)D的修改，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障診斷、點(diǎn)火、怠速等功能的控制，完成了ECU的開發(fā)工作，如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)所選擇的工況按照相關(guān)的排放標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)計(jì)算選擇轉(zhuǎn)速為2000 r/min，λ=1的條件下，研究點(diǎn)火提前角（SAA）及EGR對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響規(guī)律。

圖2　控制系統(tǒng)工作原理圖

2　當(dāng)量比條件下點(diǎn)火提前角對(duì)性能的影響

在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min，λ=1，天然氣流量為3.84 kg/h（10%負(fù)荷）、6.15 Kg/h（25%負(fù)荷）、9.25 kg/h（50%負(fù)荷），研究了點(diǎn)火提前角SAA=25、30、35、40、45°CA時(shí)的經(jīng)濟(jì)性、熱負(fù)荷、排放性的變化情況。

圖3、4、5為不同負(fù)荷時(shí)點(diǎn)火提前角與燃油消耗率、排溫、NOx的排放量的變化關(guān)系曲線圖。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的每一工況都對(duì)應(yīng)有最佳的點(diǎn)火提前角。由圖3、4的點(diǎn)火提前角特性可以得出：點(diǎn)火提前角對(duì)10%負(fù)荷的燃油經(jīng)濟(jì)性影響較大，25%、50%負(fù)荷時(shí)燃油消耗率曲線變化平穩(wěn)，有效功率在不同的負(fù)荷時(shí)呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì)；在50%負(fù)荷時(shí)點(diǎn)火角過大會(huì)使功率下降，小負(fù)荷功率呈現(xiàn)緩慢的遞增趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谛∝?fù)荷時(shí)充量系數(shù)低，殘余廢氣系數(shù)高，點(diǎn)火角的提前可以較好地改善燃燒，中負(fù)荷點(diǎn)火角過于提前將會(huì)使壓縮負(fù)功變大，從而使得功率降低。經(jīng)過分析，在上止點(diǎn)前35~40°CA可以取得較好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。

圖4　不同負(fù)荷下SAA與有效功率的關(guān)系曲線

圖5　不同負(fù)荷下SAA與NOx排放量的關(guān)系曲線

圖6、7研究了點(diǎn)火提前角和氮氧化物、排溫的關(guān)系曲線。結(jié)果表明：隨著負(fù)荷的增加，溫度增加，NOx的生成增加幅度較大，排溫呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，原因是高溫易于NOx的生成，點(diǎn)火提前減少了后燃。研究發(fā)現(xiàn)，從排放和排溫的角度來說上止點(diǎn)前35°CA較為合適。綜合上述分析，實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)火提前角選為上止點(diǎn)前35°CA。

圖6　不同負(fù)荷下SAA與排氣溫度的關(guān)系曲線

3　當(dāng)量比條件下不同EGR率對(duì)整機(jī)性能的影響

圖7、8、9、10、11研究了在天然氣當(dāng)量比燃燒、最優(yōu)點(diǎn)火提前角時(shí)通入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性的影響規(guī)律。對(duì)圖7、8、9排放性分析可知：變化關(guān)系顯示在當(dāng)量比燃燒EGR率為零的情況下，高負(fù)荷所產(chǎn)生的排放物的量要高于低負(fù)荷。隨著EGR惰性氣體的加入，25%負(fù)荷時(shí)的CO和HC在小于8%EGR率時(shí)變化不明顯，EGR率超過8%時(shí)，兩者產(chǎn)生量迅速增加；在75%負(fù)荷時(shí)CO、NOx排放物均有不同程度的降低，HC略有增加。

以上現(xiàn)象的原因解釋為：在小負(fù)荷時(shí)，EGR量的增加會(huì)造成低溫、缺氧的環(huán)境，有利于CO和HC的生成，EGR惰性氣體的通入加劇了氧含量的減少，一定程度上抑制了NOx的生成。通過分析25%負(fù)荷經(jīng)過TWC催化后，CO可以實(shí)現(xiàn)零排放，HC在EGR率超過8%后上升較快，NOx的排放得到了很好的控制；在高負(fù)荷（75%）時(shí)，缸內(nèi)的溫度升高，燃燒質(zhì)量相比小負(fù)荷提高，在通入較小量的EGR有效地減少了CO的生成量；因?yàn)槎栊詺怏w多為雙原子，等熵指數(shù)較大，可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷，從而有效地減少高負(fù)荷時(shí)的NOx量，從圖9的曲線可以看出NOx線性下降；隨著EGR的通入，會(huì)使得猝熄現(xiàn)象增加，HC略有增加。對(duì)75%負(fù)荷催化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出：相比于低負(fù)荷排放的效果更好，當(dāng)量比聯(lián)合EGR在高負(fù)荷可以很好地控制排放。通過排放性的分析可知，在EGR率為8%時(shí)可以取得較好的效果。

圖7 不同負(fù)荷時(shí)CO隨EGR量的變化關(guān)系

圖8 不同負(fù)荷時(shí)HC隨EGR量的變化關(guān)系

圖10、11為在不同負(fù)荷時(shí)EGR率對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的分析。由圖10可見，隨著EGR率的升高，扭矩降低，其中75%負(fù)荷時(shí)的扭矩下降趨勢(shì)較快。由圖11可知，高、低負(fù)荷的燃油消耗率隨著EGR率的升高呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。在低負(fù)荷時(shí)的燃油消耗率將會(huì)隨著EGR的通入而增加。這是因?yàn)樵诘拓?fù)荷的燃燒質(zhì)量原本較差，加之EGR占據(jù)一定的進(jìn)氣量且為惰性氣體，從而使得燃燒更加惡化，熱效率降低，油耗上升，扭矩降低；高負(fù)荷時(shí)，燃燒質(zhì)量相對(duì)較好，一定EGR量的加入可以使當(dāng)量比燃燒得更柔和，雙原子數(shù)的增多，一定程度上可以提高熱效率，有利于提高經(jīng)濟(jì)性。同樣地因?yàn)镋GR占據(jù)進(jìn)氣空間，使得充量系數(shù)降低，從而扭矩下降，從變化曲線可以看出，高負(fù)荷時(shí)扭矩的下降趨勢(shì)明顯比小負(fù)荷快。

綜合上述分析，本試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)在通入EGR率8%～10%時(shí)聯(lián)合三元催化轉(zhuǎn)化器，可以在當(dāng)量比燃燒條件下實(shí)現(xiàn)高效率的轉(zhuǎn)化廢氣，同時(shí)將3種主要排放物轉(zhuǎn)化到很低的程度，很好地控制了發(fā)動(dòng)機(jī)的排放；相比于稀燃，當(dāng)量比燃燒可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性[6]，在低負(fù)荷時(shí)由于EGR的通入，降低了泵氣損失，但是會(huì)使經(jīng)濟(jì)性變得較差；在高負(fù)荷時(shí)為了取得較低的燃油消耗率不宜使用大EGR率。

圖9 不同負(fù)荷時(shí)NO隨EGR量的變化關(guān)系

圖10　不同負(fù)荷時(shí)扭矩隨EGR量的變化關(guān)系

圖11　不同負(fù)荷時(shí)燃油消耗率隨EGR量的變化關(guān)系

4　結(jié)論

1）通過分析點(diǎn)火提前角特性及排放性和經(jīng)濟(jì)性，上止點(diǎn)前35°CA為本實(shí)驗(yàn)研究CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)火提前角。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)使用8%～10%小的EGR率時(shí)，對(duì)經(jīng)濟(jì)性，動(dòng)力性影響較低，大EGR率對(duì)經(jīng)濟(jì)性惡化明顯。

3）當(dāng)量比組合TWC技術(shù)可以很好的解決排放問題。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：TK46+.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8234（2015）02-0016-04Abstract：For understanding the effect of EGR under Stoichiometric Operation on CNG engine performance，some experiments have been done in a CNG enginewith turbocharged and intercooled system.The resultsshow thaton the condition ofstoichiometric combustion and the bestsparkingadvanceangle（SAA= 35deg BTDC）at RPM=2000r/min，the full and part load with a three way catalyst diluted with EGR can control the emission in a very low level；the effectof the low-EGR isnot very obvious for the economic and power characteristics，and thehigh-EGRwillmake theeconomic characteristicsdeteriorate.

收稿日期：（2015-02-02）

作者簡(jiǎn)介：李垂孝（1987-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料。

Influenceof EGRw ith Stoichiometric Operation on CNG Engine Performance

LiChuixiao,Zhu Changji
NationalKeyLab ofAutomobile Dynamic Simulation，Jilin University（Changchun，Jilin，130025，China）

Keywords：CNGEngine，Stoichiometric combustion，EGR，Emissions，Economic characteristics，Power characteristics