EGR对柴油机循环波动及燃烧过程的影响

EGR对柴油机循环波动及燃烧过程的影响王 忠1 袁银南1 陈上华2 王 林2吴昌林2 张晓春2（江苏大学，镇江 212013，南京依维柯汽车有限公司，南京210028）【摘要】 论文分析了评价EGR柴油机循环波动的指标和方法。以排气再循环（EGR）的4102Q柴油机为研究对象，通过对不同废气引入量、负荷、转速工况下的示功图的测量以及不同工况下柴油机性能参数的测量，讨论了EGR引入量、柴油机循环供油量及运转参数对柴油机循环波动的影响，探明了GER对柴油机的循环波动特性的影响程度。关键词：柴油机 循环波动 排气再循环Effect of EGR on Cycle-to-Cycle Variation of Diesel EngineAbstract This paper experimentally studies the cycle-to-cycle variation with exhaust gas re-circulation in 4102Q diesel engine. The effect of EGR on working parameters, performance, fuel supply per cycle of diesel engine are analyzed, especial the influence on variation of working cycle ，engine performances are also analyzed based on the measuring of combustion diagram and engine performances under different working conditions. This provides a basement for the future real application of EGR.Key words：Diesel, Variation, EGR一前言废气再循环（EGR）是降低发动机NOx污染物的有效方法。对每循环引入的废气量进行控制，可以在不影响发动机的动力性和经济性的条件下降低NOx，这一技术已得到广泛的应用，但废气进入气缸后对柴油机工作循环的波动也会产生了一定的影响。发动机的循环波动是评价各个气缸燃烧均匀性、各缸的功率输出均匀性的重要指标，对发动机的振动、噪声以及发动机的可靠性等有很大的影响。因而，有必要进行研究分析。一般认为，在正常工作条件下，柴油机的循环波动是很小的，循环波动对多缸发动机，尤其对汽油机的影响较大。国内对发动机的循环波动的研究大部分都是针对汽油机的进气过程、燃烧过程及各缸工作均匀性开展的，取得了一些成果。采用EGR后，对汽油机来说，循环变动如同爆震一样，限制了发动机的性能提高，循环变动还限制排气再循环的净化能力的发挥。（1）。由于柴油机的着火过程、燃烧特性与汽油机有较大的不同，除了由于燃油系统缺陷造成的不均匀外，每个工作循环的进气状态，缸内气体流动，燃料雾化及混合质量、燃料微团的着火准备等因素，也使发动机各循环之间出现显著差别（2）。尤其但对于单缸柴油机，燃烧过程产生的循环波动会影响到柴油机的振动、平衡及工作稳定性等。国内曾对柴油掺水后的循环波动进行研究。对柴油机采用EGR的工作循环波动研究还未见文献报道。本文以4102Q柴油机为研究对象，实际测量了不同EGR引入量时的燃烧过程参数，分析了EGR对柴油机循环波动的影响，总结了引入EGR的实际效果与引起的问题，为研究EGR对柴油机循环波动及性能指标的影响提供基础。二循环波动的评价指标表征发动机循环波动的指标较多，针对不同的研究目的，可以提出不同的评价指标。柴油机的循环变动可用其工作过程中各个阶段的特征参数、喷油过程的循环变动、燃烧过程的循环变动来表示，对于各种参数的变化可其标准差或均方差来评价分析。根据柴油机的燃烧过程的特点，一般的可以用下列指标进行分析：(1)最大爆发压力pz及出现的角度位置随循环数N的波动。它与发动机的机械负荷和振动有密切的关系，其均值可以评价动力特性和整机的振动情况，该指标的波动值Pz可以评价柴油机每个循环的燃烧、燃烧噪声的情况。(2)最大压力升高率dPd max及出现的角度随循环数N的波动。 该指标的波动值（dPd ）它与燃烧完善有关，若该指标值越大，则燃烧不可逆损失就越大。（3）循环平均指示压力pi，该指标与发动机的运转和输出功率有关，其波动值Pi可以评价发动机工作的稳定性。（4）着火延迟期i及其变化，可以评价发动机的燃烧过程准备的完善程度，也可以分析采用EGR后对发动机燃烧过程的影响程度。（5）最高循环燃烧温度Tz及波动TZ，该指标与燃烧过程密切相关。其波动值和均值之比TZ =Tz/Tmin 可以评价各个循环燃烧的情况。（6）每循环的喷油量Qf，该指标可以反映应用EGR后，燃油系统的波动情况。(7) 转速波动率n ，循环转速的差值与循环转速的差值的平均值之比。n=n/nmin ，该指标可以对采用EGR柴油机的着火、燃烧过程的综合情况进行分析。在对EGR柴油机的循环波动研究中，我们采用了Pz、Pz、Pi、Pi 、Tz、i等指标进行分析讨论，文中除计算了这些参数的标准差外，还引用了它们的偏差概率分布直方图进行分析。三试验设备及排气再循环量的测定发动机测功器转速、转角信号层流流量计废气测量气缸压力调节阀 试验工作是在4102Q柴油机上进行的。柴油机性能参数由浙江中诚测功器厂生产的电涡流测功器，工作过程参数由AVL公司的高速数据采集系统。4102Q柴油机主要技术参数：标定功率63kW，标定转速3300r/min，外特性最低燃油消耗238g/kw.h。试验时，测取了标定转速3300 rmin，不同负荷时的示功图参数、以及排气再循环量的变化对性能及工作过程参数的影响。同时也测量了柴油机以外特性工作时的性能参数。 图1循环波动测量系统示意图排气再循环量的测定，我们引入排气再循环体积掺烧比REGR的概念，定义如下：Regr式中 -在进气管状态下引入的排气容积, 吸入气缸的空气容积。柴油机循环波动测量系统如图1所示，废气由排气管引出，经控制阀引入进气管，废气量可以通过控制阀进行调节。四试验结果分析41不同负荷时循环波动的影响负荷状态pz(MPa)pi(MPa)（dPd） max(MPa/CA)100原机EGR0.1070.0810.1610.1310.4420.46775原机EGR0.1630.0400.0240.0180.5980.17350原机EGR0.1650.0700.0210.0170.340.16125原机EGR0.1810.0620.0210.0170.3070.162 表1原机和应用EGR后循环参数波动比较表1 图1是原机和采用EGR后，柴油机的最大爆发压力的变化Pz、平均指示压力的变化Pi、最大压力升高率的变化（dPd ） max随柴油机负荷的变化情况，试验测量时排气再循环EGR的掺烧比REGR18。由表1可以看出应用EGR后，在柴油机各种不同负荷的情况下，最大爆发压力的波动Pz、平均指示压力的波动Pi、压力升高率的波动（dPd ） max均有所降低，柴油机的循环波动情况有所改善。低负荷时，引入EGR可使柴油机的最大爆发压力Pz、最大压力升高率（dPd ） max 有明显的降低；其最大爆发压力的变化Pz和压力升高率的变化（dPd ） max ， 在7 5负荷时分别降低了97.5和71。图2是不同EGR掺烧比时，最高爆发压力pz、平均指示压力pi和最大压力升高率（dPd） max及出现的角度随循环数N波动均方差值S的直方图。试验时测量了应用EGR前后，不同工况下的柴油机燃烧示功图。图2、3是标点工况下，最高爆发压力Pz的循环变动和循环分布图。图 3标定工况下 pz 循环变动分布图图 2标定工况下 pz循环变动图由图可以看出：未进行EGR时，标定工况下运行时 , 2 0 0个连续循环最大爆发压力 pz的分布情况。根据各循环的 pz值 ,计算出其平均值 pzm为 9.3 3 MPa,循环变动量Pz为 0.3 8MPa,循环变动率pz为 3.2 %。且由图3中可见 ,在 2 0 0个循环中 , pz 的最大值为 1 0.2 1 MPa,最小值为 8.48MPa,变动幅度为 1.73 MPa。图 2表明该柴油机 2 0 0个循环中 pz与循环次数之间的关系 ,有 1 0 4个循环的 pz值大于其平均值 pzm,而且其中大于 pzm值5%的有 1 7个 ;有 96个循环的 pz值小于 pzm,但其中比pzm小 5%的仅有 8个 ,燃烧比较粗暴。随REGR的增加pz和（dPd ） 迅速降低，在最大爆发压力Pmax的峰值下降的同时，其最大值出现时对应角度有所前移，一般在24CA曲轴转角之间。图 5标定工况下 pz 循环变动分布，掺烧比REGR18图4 采用EGR时pz循环变动掺烧比REGR18图4、5所示为EGR的掺烧比REGR18时标点工况的pz循环变动和分布图。可以看出：平均值 pzm为 9.2 MPa,循环变动量Pz为 0 . 1MPa,循环变动率pz为 1.1 %。同样,在 2 0 0个循环中 , pz 的最大值为 9.8 MPa,最小值为 8.8MPa,变动幅度为1.0 MPa。图 5表明在 2 0 0个循环中 pz与循环次数之间的关系 ,有 近120个循环的 pz值接近平均值 pzm,大于 pzm值 5%的有 7个，有 63个循环的 pz值小于 pzm,但其中比pzm小 5%的仅有 2个，由此可以得出：EGR降低了燃烧最高爆发压力和压力升高率，改善了柴油机的工作粗暴性，降低了循环波动率。我们还可以这样解释：采用EGR 后，随着REGR的增加，引入的废气量增多，气温度升高，着火延迟期缩短。但由于废气中惰性气体分子对燃烧反应的阻滞作用，使燃烧速度减慢降低了扩散燃烧过程中的压力升高率，最终使得最高燃烧压力和压力升高率dpd。有所下降，改善了工作粗暴性，降低了循环波动。部分负荷时，废气的引人，提高了进气温度，改善了混合气的质量，同时改善了着火条件，燃烧循环波动有降低。大负荷时，主要是由于空燃比相对较小，废气量相对较多，气缸的温度提高和着火条件的改善不明显。可以认为，采用EGR没有恶化柴油机的循环波动，相反，在部分负荷时还有明显的改善。42 EGR对着火延迟期i波动的影响柴油机的着火延迟期主要取决于燃料的物理和化学过程，与气缸内的压力、温度和燃料的性质有很大的关系。引入EGR后，气缸内的温度和燃料的性质发生了一些变化，随着引入废气量的增加，其着火延迟期也发生了变化。由图6可见，柴油机的负荷较低时，随着REGR的增加，着火延迟期i缩短；较大负荷时，在REGR8左右，i同样有所缩短，但在其余的REGR范围内i变化不明显。柴油机的着火延迟期是由物理延迟期和化学延迟期两个阶段组成的，通常它的前期以物理延迟期i1为主，着火后期以化学延迟期i2为主。一般情况下i1/i2=35。其影响因素主要取决于燃料的性质、混合气的浓度以及相应的温度和压力条件。我们认为，EGR对着火延迟期的影响主要有以下两方：一方面是引入EGR提高了进气温度和压力，这有利于着火延迟期i的缩短；另一方面是使空燃比减小，混合气中氧的浓度降低而惰性气体分子数增多，因而有使着火延迟期i延长的作用。当柴油机处于低负荷时，由于进入气缸的燃油量少，混合气中氧的浓度相对较大。因此，前一因素的影响起了主要作用，而后者影响甚微(在一定的REGR范围内)，所以火延迟期i随REGR增加而缩短。当柴油机负荷增大时，循环喷油量增加，空燃比减小，废气的引入对着火的不利影响增大，火延迟期i将随着REGR的增加有所延长，但其波动值没有明显得变化。 图6 不同掺烧比对着火延迟期波动的影响 图7 不同掺烧比对进气温度的影响43 EGR对动力性、经济性的影响图7是进气温度Ta，随REGR增加而变化的情况。可见，随着REGR的增加，Tr有明显增加。当REGR=14时，Ta最大提高了17。这主要是因为REGR的增加，表示了引入的废气量增加，由于废气与新鲜空气的热交换作用，使得进气温度提高且随着柴油机负荷和排气温度的增加；进一步地提高了引入废气的温度。柴油机在全负荷和部分负荷下运行，通过增加引入的废气量，测量柴油机的有效功率。开始时，废气的引入量较小，柴油机的功率没有变化，当引入的废气量增加到一定程度时，柴油机的转速开始下降，排气烟度增加，功率下降。但在低负荷工况时，同样的废气引入量，发动机的功率保持不变。我们认为：采用EGR时，由于气缸内废气量增加，空燃比减小，降低了燃料的正常燃烧速度，使得较多的燃料不能在上止点附近燃烧完毕，且随着废气引入量的增加，影响更加突出，造成了柴油机的功率下降。引入的废气产生的这种效应，随负荷的不同而变化。负荷越高，废气对燃烧的阻滞效应大，功率下降大。负荷低，废气的影响相对减小。部分负荷时，适当引入少量废气，虽然气缸内废气量有所增加，但因为空燃比变化不大，加上进气温度相应地提高，这样引入的废气实际起了改善燃烧的作用。当废气的引入量较大且柴油机的负荷