王浩
摘 要:預(yù)混壓燃(PCCI)柴油機(jī)的預(yù)混壓燃功能是通過調(diào)整進(jìn)氣門關(guān)閉時刻和提前噴油角度實(shí)現(xiàn)的,其能有效的控制可溶性有機(jī)物的排放,在PCCI柴油機(jī)中,加入廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)能有效的控制一氧化氮的排放,降低壓縮比能夠顯著推遲缸內(nèi)著火時刻,強(qiáng)化油氣混合,同時降低氮氧化合物和干碳煙的排放,但油耗會提高,本文闡述了廢氣再循環(huán)率及可變壓縮比如何對PCCI柴油機(jī)燃燒和排放產(chǎn)生影響。
關(guān)鍵詞:PCCI;柴油機(jī);廢氣再循環(huán)率;EGR;壓縮比
中圖分類號:TK427 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
柴油機(jī)作為運(yùn)輸動力之一,具有良好的熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性,然而,同時碳?xì)浠衔锏呐欧藕透商紵煹呐欧欧矫嬉矌砹撕苊黠@的環(huán)境污染問題,因此節(jié)能減排成為了當(dāng)代發(fā)動機(jī)研究發(fā)展的重要方向之一。通過提高發(fā)動機(jī)壓縮比可以加快發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒速度,從而提高發(fā)動機(jī)的功率扭矩輸出,降低燃油消耗率,減少碳?xì)浠衔锖鸵谎趸寂欧诺?,與此同時,氮氧化合物將會增多,要有效降低發(fā)動機(jī)的排放則可采用廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)。因此,預(yù)混壓燃(PCCI)能夠有效的降低碳煙和碳?xì)浠衔锏呐欧?,廢氣再循環(huán)率(EGR)及可變壓縮比則是影響PCCI柴油機(jī)燃燒和排放的主要原因。當(dāng)今的排放法規(guī)對內(nèi)燃機(jī)技術(shù)提出了更嚴(yán)格的要求,如何在保持良好經(jīng)濟(jì)性的同時,降低顆粒物和氮氧化合物排放,實(shí)現(xiàn)高效、清潔燃燒已成為柴油機(jī)燃燒技術(shù)所面臨的共同難題與挑戰(zhàn)。
一、可變壓縮比(VCR)對PCCI柴油機(jī)燃燒和排放的影響
1 壓縮比計(jì)算
ε=Va/VC
ε表示壓縮比,Va表示活塞處于下止點(diǎn)時氣缸內(nèi)的最大容積,VC表示活塞處于上止點(diǎn)時氣缸內(nèi)的容積,即為燃燒室容積。
壓縮比是指發(fā)動機(jī)混合氣體被壓縮的程度,用壓縮前的氣缸總?cè)莘e與壓縮后的氣缸容積(即燃燒室容積)之比來表示。當(dāng)壓縮比較高時,壓縮結(jié)束時所產(chǎn)生的氣缸壓力與溫度相對地提高,當(dāng)接近壓縮上止點(diǎn)時,燃油分子能汽化得更完全,顆粒能更細(xì)密,混合氣混合質(zhì)量更好,在自燃瞬間更充分釋放出爆發(fā)能量,推動活塞下行來實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的動力輸出。當(dāng)壓縮比較低時,燃燒的時間會延長,增加發(fā)動機(jī)的溫度并消耗能量,發(fā)動機(jī)動力的輸出并未增加,因而,高的壓縮比對提高發(fā)動機(jī)性能有利。壓縮比的變化將對缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生影響,導(dǎo)致壓縮終點(diǎn)時的缸內(nèi)壓力的變化和混合氣溫度的變化。
2 可變壓縮比(VCR)對PCCI柴油機(jī)燃燒和排放的影響
可變壓縮比(VCR)是根據(jù)柴油機(jī)內(nèi)不同的負(fù)荷,采用提高或降低發(fā)動機(jī)的壓縮比方法,在低負(fù)荷時,通過提高壓縮比來增大發(fā)動機(jī)的溫度和平均有效壓力,進(jìn)而使熱效率增大,增大壓縮比通過減小氣缸容積,增大壓縮沖程的最大缸內(nèi)壓力從而提高發(fā)動機(jī)的功率和扭矩等,但同時會使發(fā)動機(jī)的燃燒溫度過高,爆震傾向嚴(yán)重,排氣溫度過高。如果和其他技術(shù)相結(jié)合,則可以擴(kuò)大壓縮比的使用范圍;在高負(fù)荷時,是降低壓縮比,降低柴油機(jī)的爆震傾向,可以有效降低發(fā)動機(jī)的爆震傾向,此時即可使用較高的壓縮比,一方面彌補(bǔ)由于的使用造成的功率損失,另一方面對于減少發(fā)動機(jī)油耗方面也可以有很好的效果。柴油機(jī)壓縮比變化的空間相對有限,然而通過可變壓縮比技術(shù),可以使柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性得到改善,如果和其他技術(shù)相結(jié)合,則可以擴(kuò)大壓縮比的使用范圍,如在高負(fù)荷時采用廢氣再循環(huán)(EGR),能有效降低發(fā)動機(jī)的爆震傾向,此時可提高的壓縮比,能有效的彌補(bǔ)由于使用廢氣再循環(huán)(EGR)而造成的功率損失,進(jìn)而減少發(fā)動機(jī)油耗方面。
可以根據(jù)發(fā)動機(jī)工況的不同適時改變壓縮比,從而獲得更好的動力性能或者爆震性能,提高發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性,可變壓縮比柴油機(jī)能提高發(fā)動機(jī)的平均有效壓力進(jìn)而提高升功率,降低發(fā)動機(jī)的燃油消耗率,降低發(fā)動機(jī)的部分排放物的生成量,如氮氧化物、碳煙和碳?xì)浠衔锏?,有效的提高燃料的能量利用率,增?qiáng)發(fā)動機(jī)的燃料適應(yīng)性。可變壓縮比發(fā)動機(jī)減少摩擦損失和時間損失,盡管冷卻損失和漏氣帶來的損失增加,可以抵消在同樣的壓縮比下,較高的壓縮比與可變壓縮比(VCR)發(fā)動機(jī)的活塞運(yùn)動特點(diǎn)相結(jié)合可以提高燃燒的穩(wěn)定性,從而可以擴(kuò)大廢氣再循環(huán)(EGR)極限,最終達(dá)到減少油耗與排放的目的,并滿足更嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。
二、廢氣再循環(huán)(EGR)率對PCCI柴油機(jī)燃燒和排放的影響
1 EGR率計(jì)算
mA表示新進(jìn)氣質(zhì)量,mE表示循環(huán)廢氣質(zhì)量。
廢氣再循環(huán)(EGR)率通常是指再循環(huán)廢氣的百分比,是重新進(jìn)入氣缸中廢氣的質(zhì)量與進(jìn)入氣缸總的混合氣質(zhì)量的比值。廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)則主要通過惰性氣體在燃燒室內(nèi)對燃燒的抑制作用,來影響燃燒速率、燃燒溫度以及氧濃度產(chǎn)生,進(jìn)而對發(fā)動機(jī)的排放和各項(xiàng)性能產(chǎn)生作用。不同壓縮比下廢氣再循環(huán)(EGR)率對發(fā)動機(jī)HC、CO、NOX排放的影響如圖1所示。
2 廢氣再循環(huán)(EGR)率對PCCI柴油機(jī)燃燒和排放的影響
廢氣再循環(huán)(EGR)在柴油機(jī)中還可以有效降低發(fā)動機(jī)的爆震傾向,在低負(fù)荷情況下可以通過降低泵氣損失來降低燃油消耗率,但廢氣再循環(huán)(EGR)率過大則會使燃燒惡化,大大降低發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性。由于不同的廢氣再循環(huán)(EGR)率下,進(jìn)入氣缸中廢氣多少的不同,會使發(fā)動機(jī)的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及其他性能表現(xiàn)有所變化,當(dāng)發(fā)動機(jī)排氣煙度隨廢氣再循環(huán)率增加而增加。廢氣再循環(huán)系統(tǒng)會使殘余廢氣系數(shù)增加,使更多殘余廢氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)循環(huán),同時采用廢氣再循環(huán)系統(tǒng)也會導(dǎo)致的進(jìn)氣節(jié)流,造成進(jìn)氣限力增加,新鮮充量減少,導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣的過量空氣系數(shù)降低,煙度增加。當(dāng)在中高負(fù)荷時,柴油機(jī)過量空氣系數(shù)遠(yuǎn)低于無廢氣再循環(huán)系統(tǒng)柴油機(jī),煙度增加的幅度較大;在低負(fù)荷時,柴油機(jī)過量空氣系數(shù)較大,廢氣再循環(huán)對過量空氣系數(shù)的影響相對減弱,煙度惡化的趨勢也相對較小,隨著廢氣的引入,氮氧化合物排放降低,但煙度排放值升高,大負(fù)荷工況時煙度惡化更明顯。
廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)分為冷廢氣再循環(huán)和熱廢氣再循環(huán),冷廢氣再循環(huán)為排氣經(jīng)過冷卻循環(huán)之后進(jìn)入進(jìn)氣管道與新鮮空氣混合,而后進(jìn)入燃燒室的循環(huán)。熱廢氣再循環(huán)未經(jīng)冷卻循環(huán)而直接與新鮮空氣混合然后進(jìn)入氣缸燃燒的循環(huán)。冷廢氣再循環(huán)促使進(jìn)氣的密度提高,進(jìn)而提高了發(fā)動機(jī)的容積效率,同時溫度的降低可以進(jìn)一步降低燃燒溫度,從而降低的排放,但與熱廢氣再循環(huán)相比排放和循環(huán)波動增加。冷廢氣再循環(huán)能有效降低汽油機(jī)的爆震傾向。冷卻再循環(huán)廢氣溫度較低,熱效率有所下降,但同時增加大了進(jìn)氣密度,提高了發(fā)動機(jī)的容積效率。在循環(huán)波動方面,由于冷廢氣再循環(huán)使混合氣溫度較低,使混合氣不均勻,在燃燒時候會出現(xiàn)局部的燃燒惡化,從而使燃燒產(chǎn)物中一氧化碳和氮氧化合物含量增多,并隨著廢氣量的增多,在燃燒時候就會出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定,火焰?zhèn)鞑プ儎虞^大,對排放產(chǎn)生巨大影響,隨著廢氣再循環(huán)率的提高,排放大幅下降。
熱廢氣再循環(huán)過程中,熱廢氣仍然具有很高的溫度,在與新鮮空氣進(jìn)行混合的時候擴(kuò)散較快,廢氣的加熱效果和燃燒溫度的提高促進(jìn)了混合氣的燃燒,更容易與新鮮空氣均勻混合,燃燒溫度相對較高。燃燒時循環(huán)波動比冷時要低,可以提高缸內(nèi)的層流火焰速度。因此,熱廢氣再循環(huán)的一氧化碳和碳?xì)浠衔锵鄬^少,而排放則有所上升。熱廢氣再循環(huán)可以利用廢氣的余熱對新鮮混合氣進(jìn)行加熱,從而提高的混合氣的蒸發(fā)和霧化效果,在一定程度上促進(jìn)了混合氣的燃燒,提高了發(fā)動機(jī)的熱效率。隨著廢氣再循環(huán)率的增加,會在一定程度上使柴油機(jī)的滯燃期、燃燒持續(xù)期變短,燃燒溫度、熱效率均有所下降,在一定程度上促進(jìn)了混合氣的燃燒,提高了發(fā)動機(jī)的熱效率。
結(jié)論
廢氣再循環(huán)主要是靠降低缸內(nèi)的層流火焰速度來使循環(huán)波動增大,對平均流動速度和湍流強(qiáng)度影響作用小,而壓縮比對三者都有影響,壓縮比的增大會提高層流火焰速度、湍流強(qiáng)度和平均流動速度,從而可以降低發(fā)動機(jī)的循環(huán)波動。在相同的壓縮比下,由于廢氣中惰性氣體的作用,隨著EGR比率的增大,混合氣稀釋而使缸內(nèi)氧氣濃度降低,缸內(nèi)燃燒受到抑制,缸內(nèi)溫度降低。從而在燃燒過程中使氮氧化物生成量隨EGR比率的增大大幅下降。因而廢氣再循環(huán)率及可變壓縮比協(xié)同作用對預(yù)混壓燃(PCCI)柴油機(jī)燃燒和排放的影響,能合理的組織燃燒過程,以使柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性得到有效改善,并滿足更嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。
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