EGR和稀燃對甲醇發動機燃燒及排放特性的影響

孟雨航,孫楠楠,張明澤,賈德民,張海燕,朱建軍

(1.太原理工大學機械與運載工程學院,山西 太原 030024;2.濰柴動力股份有限公司,山東 濰坊 261061)

在世界范圍內,隨著汽車保有量的飛速增長,化石能源消耗不斷增加并引發了一系列環境問題,因此有必要避免高度依賴化石燃料作為交通運輸的主要能源;此外,在未來相當長的時間內內燃機作為汽車動力仍占據支配地位[1],開發利用替代燃料及高效燃燒技術是發展趨勢。甲醇由于其高辛烷值和汽化潛熱而具有優異的燃燒和排放特性[2-3],易于合成和廣泛的原料來源使其成為了長期廣泛替代石油基燃料的最佳選擇之一[4-5],對“雙碳”目標的實現具有重要的意義。

相較于價格昂貴且技術較為復雜的選擇性催化還原(SCR)+氧化催化器(DOC)的技術路線,當量燃燒+三效催化轉換器(TWC)的技術方案由于可以獲得更經濟的減排效益而被廣泛應用。但當量燃燒的廢氣溫度較高,尤其是本研究的大功率甲醇發動機主要應用于長途行駛的重型貨車和牽引車,所以發動機熱負荷耐久性問題尤為重要。對于當量燃燒熱負荷耐久性和熱效率較低的問題,EGR能夠對此進行很好的改善。李小平等[6]以一臺基于柴油機改制的進氣道噴射點燃式甲醇發動機為試驗對象,研究了推遲點火、廢氣再循環(EGR)及過稀混合氣3種策略對稀燃甲醇發動機燃燒和NOx排放的影響。結果表明:EGR策略有相對較佳的甲醇消耗率be-NOx折中關系,在保證甲醇消耗率變化不大的情況下,可實現NOx接近零排放。

稀薄燃燒可以同時獲得更高的熱效率、更長的耐久性和較低的NOx排放,但燃燒穩定性比當量燃燒差。Xingbo Yuan等[7]在一臺4缸稀燃汽油機上進行了不同空燃比的試驗研究,結果表明:稀燃提高了燃料經濟性并降低了HC和CO排放,然而過量的氧氣和較高的燃燒溫度顯著地增加了NOx排放。在稀燃模式下,三效催化轉換器(TWC)不能有效地去除富氧廢氣中的NOx排放。因此,在不使用昂貴的后處理系統的情況下,僅使用稀燃很難滿足NOx的排放法規[8]。

目前,關于稀燃和EGR對發動機燃燒和排放特性的影響研究雖然較為詳細,但僅限于單獨研究,沒有將它們進行相互比較,哪種稀釋方案在提高發動機性能方面更為優越,目前還沒有很完善的結論。有些研究人員對此進行了一些研究。Park等[9]對一臺6缸H2-混合型壓縮天然氣發動機進行了兩種稀釋策略的研究,結果表明:與稀薄燃燒相比,EGR燃燒熱效率較低;隨著稀釋率的增加NOx排放下降速度減慢,在稀燃條件下,NOx排放最低。Lee等[10]對一臺LCG自然吸氣式火花點火發動機進行了研究,結果表明:在低稀釋率條件下,EGR和稀薄燃燒放熱規律相似,但在高稀釋率下稀薄燃燒的放熱強度和放熱峰值更高。趙立峰等[11]通過一臺渦輪增壓直噴發動機研究發現,化學計量比混合氣下EGR對燃燒持續期和循環變動率的影響比過量空氣稀釋更為顯著,復合稀釋熱效率與過量空氣稀釋條件下的熱效率接近,NOx排放大幅度降低。

然而目前在此研究方向上,關于甲醇發動機的EGR和稀薄燃燒策略比較還沒有進行深入的研究。因此,本試驗基于一臺大功率M100甲醇發動機,在相同稀釋率下比較了兩種稀釋策略對發動機燃燒和排放特性的影響,并在此基礎上研究EGR和過量空氣復合稀釋相較于單獨稀釋的優劣。在使用稀釋策略來降低NOx排放的同時,仍然使得甲醇發動機保持相當的動力性和燃油經濟性。

1 試驗裝置及方法

1.1 甲醇發動機主要參數

在本次試驗中,以一臺點燃式大功率M100甲醇發動機為試驗對象,其主要應用于49 t及以上的重型卡車及牽引車上,發動機主要技術參數如表1所示。

表1 甲醇發動機主要參數

1.2 臺架布置及試驗設備

試驗臺架布置如圖1所示。發動機與電力測功機(誠邦DL435)相連接,用來調整每組試驗的發動機轉速與負荷。發動機進氣流量和油耗量分別由空氣流量計(上海同圓ToCeiL-20N150)和瞬態油耗儀(EMERSON)進行實時監測。發動機尾氣排放中的CO、HC、NOx、MEOH、HCHO由尾氣排放分析儀(AVL SESAM I60 FT)進行測量。過量空氣系數是實際供給燃料燃燒空氣量與理論空氣量之比,用安裝在渦后排氣管上的寬域氧傳感器(Bosch LSU 4.2)和λ分析儀(INNOVATE 3807 LM-2)進行實時監測獲得。EGR是通過進氣歧管和排氣歧管之間的壓力差來將廢氣引入進氣歧管中的,本試驗選用高壓EGR回路。將缸壓傳感器(Kistler 6052)、光電傳感器(Kistler 2619)和進、排氣壓力傳感器(Kistler 4007、4049)分別接入到燃燒分析儀(Kistler Type 2893B121)中,用來實時監測并記錄甲醇發動機運行過程的燃燒情況。

圖1 發動機臺架布置示意

1.3 試驗方法及參數定義

結合國六排放法規中WHTC循環測功機規范設定及大功率甲醇發動機所應用車輛的實際行駛情況,本試驗測試發動機保持在轉速1 300 r/min和50%最大發動機負荷(1 000 N·m)下運行。將點火提前角分別調整為各工況下最大制動扭矩(MBT)點火正時。最大制動扭矩(MBT)是使用最佳點火正時獲取內燃機的最大功率和效率。最大EGR率和過量空氣系數受到發動機燃燒穩定性的限制,該試驗的稀釋范圍由發動機實際運行情況而定。

在研究中,EGR率用進氣和排氣中的相對CO2濃度來表示,計算公式如下:

(1)

式中:[CO2]man為進氣中CO2體積分數;[CO2]exh為排氣中CO2體積分數;[CO2]bkg為環境中CO2體積分數。

如果用EGR率和過量空氣系數來衡量兩種稀釋策略的稀釋程度,將很難比較這兩種策略下相同稀釋率對發動機性能、燃燒和排放特性的影響。因此,引入稀釋率[9]用來統一EGR和過量空氣稀釋時的稀釋水平。稀釋率的計算公式為

(2)

每個工況測試點由燃燒分析儀連續采集并記錄300個循環的數據,經過Kistler專用數據處理軟件CDA 1.0.8進行數據處理,保證試驗數據的可靠性。

如圖2所示,各過量空氣系數都有其相對應的稀釋率。過量空氣系數為1.6時所對應的稀釋率34.2%與EGR閥全開的最大EGR率相接近,故本試驗過量空氣系數最大取1.6較為合適。

圖2 稀薄燃燒中不同過量空氣系數對應的稀釋率

2 試驗結果及討論

2.1 EGR和稀燃對燃燒特性的影響

如圖3a所示,隨著稀釋率的增加,兩種稀釋策略的MBT點火正時均有所提前,且EGR稀釋下MBT點火正時變化幅度更大。

圖3 EGR和稀燃策略對MBT點火正時和循環變動率的影響

由圖3b中可以看出,在兩種稀釋策略下,隨著稀釋率的增加,循環變動率均有所增加,燃燒變得不穩定。稀燃策略下的循環變動率上升幅度相較于EGR稀釋策略的上升幅度要小,即在相同稀釋率下,EGR稀釋時的燃燒穩定性要略差于稀薄燃燒時的燃燒穩定性。這是由于EGR稀釋時,引入混合氣的EGR廢氣中含有大量的惰性氣體,且O2含量極低(測得尾氣中O2體積分數僅為4×10-6),這使得混合氣整體的氧含量降低,同時惰性氣體、H2O、CO2比例的增加阻礙了燃料和氧氣之間的接觸。除此之外,EGR的熱容效應導致缸內燃燒溫度降低,燃燒反應速率降低,火焰傳播速度降低,循環變動率增加。而當過量空氣稀釋時,由于通入的是新鮮空氣,混合氣中的氧含量基本保持在一個恒定的水平,甚至略微上升,這對燃燒反應的影響相對較小。故在相同的稀釋率下,EGR稀釋比過量空氣稀釋擁有更大的MBT點火正時和更大的循環變動率,這與Lee在LCG發動機上所測得的規律一致[10]。

圖4示出了在MBT點火正時下稀釋率對缸壓的影響。由圖中可知,隨著稀釋率的增加,兩種稀釋策略的峰值缸壓均增大,且缸壓峰值所對應的曲軸轉角逐漸靠近上止點。但當EGR率為34.2%時,缸壓峰值卻有所下降,且其所對應的曲軸轉角也有所延遲。將圖4a和圖4b對比可得知,當稀釋率低于20.6%時,此時EGR和稀燃策略下的缸壓曲線較為接近。但是當稀釋率大于25.7%時,此時在相同的稀釋率下,稀燃策略比EGR稀釋策略獲得了更大的缸壓。這是由于此時稀釋率較大,EGR稀釋時通入了大量的惰性氣體,氧氣含量大幅度下降,混合氣比熱值增大,影響缸內的燃燒溫度和速率,導致在相同的高稀釋率下,稀燃策略能比EGR稀釋擁有更大的缸壓。

圖4 EGR和稀燃策略對缸壓的影響

如圖5所示,隨著稀釋率的增加,EGR和稀燃兩種稀釋策略的燃燒持續期均呈現增加的趨勢,且EGR稀釋對燃燒持續期的影響大于稀燃,這主要是由于過量空氣稀釋相較于EGR稀釋混合氣比熱容較低且O2含量較高。EGR稀釋和過量空氣稀釋下隨著稀釋率的增加燃油消耗率均有所下降,有效熱效率呈現上升的趨勢,當稀釋率為34.2%時,稀燃策略下有效熱效率高達42.82%,同時燃油消耗率低至449.5 g/(kW·h)。這主要由兩方面因素導致:其一,當稀釋率增大時,MBT點火正時均提前,而適當增大點火提前角可以使得燃燒加熱過程更加接近上止點,獲得較高的等容度,燃燒過程也更接近于定容,且在膨脹行程氣缸壁面的傳熱損失降低,故熱效率提升,燃油消耗率降低;其二,隨著稀釋率增大,為了維持等扭矩,節氣門開度增大,使得泵氣損失降低,提高了熱效率。將兩種稀釋策略在相同稀釋率下進行比較,可知稀燃策略在燃油消耗率和有效熱效率上均優于EGR稀釋策略。

圖5 EGR和稀燃策略對燃燒持續期、燃油消耗率和有效熱效率的影響

2.2 EGR和稀燃對排放特性的影響

由圖6a可以看出,EGR稀釋時,HC排放隨著EGR稀釋率的增加呈現上升的趨勢。過量空氣稀釋時,當過量空氣系數在1.0～1.3時,HC排放變化不大,這主要是由于HC的氧化能力隨著過量空氣的增大而增大,使得HC排放量較為穩定。但是當過量空氣系數大于1.4時,此時稀釋率較大,HC排放主要受稀釋所帶來的缸內溫度降低、燃燒速度變慢的影響,而過量空氣對HC的氧化作用影響較小,所以HC排放開始顯著增加。

圖6 EGR和稀燃策略在不同稀釋率下對常規排放的影響

圖6b示出了兩種稀釋策略對CO排放的影響。在EGR稀釋下,CO排放呈現緩慢降低的趨勢,在較高的EGR稀釋率下,CO排放有所上升。在稀燃策略下,CO排放降低的幅度遠遠大于EGR稀釋,當過量空氣稀釋過大時,CO排放略微上升。這是由于CO是不完全燃燒產生的中間產物。稀燃時,混合氣中O2體積分數較大,有利于CO在燃燒后期的氧化,但當過量空氣系數過大時,CO氧化能力提升有限,同時燃燒速率變慢,導致CO排放略微上升,但上升幅度較小。

如圖6c所示,隨著EGR稀釋率的增大,由于較低的缸內溫度和氧氣體積分數的降低,抑制了NOx的生成,NOx排放降低幅度十分顯著,最大降低幅度高達98.34%。在相同的稀釋率下,EGR稀釋策略下NOx排放遠遠低于稀燃策略下的排放。在稀燃時,隨著稀釋率的增加,NOx排放呈現先增大后減小的趨勢。這是由于隨著過量空氣系數的增加,O2含量增加,在低稀釋率時富氧對NOx的影響占主體地位,但當稀釋率繼續增大時,缸內溫度下降,此時溫度成為影響NOx生成的主導因素,故NOx排放降低。這與Lee在LCG發動機和天然氣發動機中的研究結果保持一致[10]。

目前,國六排放法規并沒有規定未燃甲醇和甲醛的排放限值,但甲醇汽車要按照《八部門關于在部分地區開展甲醇汽車應用的指導意見》和《甲醇燃料汽車非常規污染物排放測量方法》的要求進行“甲醇、甲醛排放”檢驗項目測試,指導意見給出的排放限值為20 mg/(kW·h)[12]。故對未燃甲醇和甲醛的排放進行研究具有一定的實際意義。

由圖7a可知,在EGR稀釋策略下,隨著稀釋率的增加,未燃甲醇呈現上升的趨勢。這是由于提高EGR稀釋率降低了燃燒過程中的溫度,不利于甲醇的完全燃燒,故增加了未燃甲醇的排放。而稀燃時,未燃甲醇呈現先減小后增大的趨勢。這是由于當過量空氣系數為1.1時,此時氧含量較為充足,燃燒效率較好,未燃甲醇排放較低。當稀釋率繼續增大時,此時雖然氧氣仍較為充足,但是燃燒溫度的下降成為主導因素,故未燃甲醇排放增加。

圖7 EGR和稀燃策略在不同稀釋率下對非常規排放的影響

2.3 EGR和過量空氣復合稀釋對燃燒特性的影響

在發動機轉速為1 300 r/min,扭矩為1 000 N·m的工況下,研究不同過量空氣系數,不同EGR率,MBT點火正時下復合稀釋、EGR稀釋及過量空氣稀釋三種稀釋方式對發動機燃燒特性的影響。

圖8示出了復合稀釋對缸壓的影響。在過量空氣系數為1.1和1.2的條件下,峰值缸壓均隨著EGR率的增大呈現先增大后減小的趨勢,且其所對應的相位輕微前移,靠近上止點。當過量空氣系數為1.3時,隨著EGR率的增大,峰值缸壓呈現減小的趨勢,其所對應的相位變化較小。這是由于在復合稀釋率較低的時候增加EGR率,其所對應的MBT點火正時會顯著增大(見圖9),缸壓是燃料燃燒放熱的累積體現,點火提前角增大使得燃料燃燒得更早,因而放熱累計量更高,峰值缸壓上升。但當EGR率繼續增大時,此時復合稀釋的稀釋率較高,大量廢氣代替了部分新鮮空氣,氧氣含量下降;同時由于EGR的熱容效應,缸內溫度下降,燃燒化學反應受到抑制,峰值缸壓下降[14]。過量空氣系數為1.1和1.2時,此時復合稀釋率較低,EGR和過量空氣共同的稀釋作用對相位影響較小,而MBT點火正時相對增加較大,故峰值缸壓所對應的相位有所提前。當過量空氣系數為1.3時,此時復合稀釋率較大,其所對應的相位在稀釋作用及MBT點火正時增大的共同作用下基本保持不變。

圖8 復合稀釋對缸壓的影響

圖9 復合稀釋下的MBT點火正時

圖10a示出了復合稀釋對循環變動率(COVIMEP)的影響,利用循環變動率來評價發動機的燃燒穩定性。由圖中可知,當過量空氣系數為1.1和1.2,EGR率<14.8%時,循環變動率較小,此時發動機有較好的燃燒穩定性;當EGR率>14.8%時,循環變動率增大較為明顯。過量空氣系數為1.3時,循環變動率隨著EGR率的增大顯著增大,循環變動率最高達3.4%,略微超過穩定燃燒標準的界限值(3%),但仍在汽油機允許的5%波動范圍之內[15]。燃燒中的循環波動主要是由不穩定的湍流引起的,縮短燃燒持續時間可以減小燃燒過程受到的湍流影響[16]。

圖10 復合稀釋對發動機燃燒和性能的影響

由圖10b和圖10c可以看出,當過量空氣系數為1.1和1.2時,有效熱效率隨著EGR率的增加呈現上升的趨勢,增加了約2%,燃油消耗率呈現下降的趨勢。但當過量空氣系數為1.3時,隨著EGR率的增加,有效熱效率呈現先增大后減小的趨勢,燃油消耗率則相反。當過量空氣系數為1.3,EGR率為14.8%時,有效熱效率達到峰值,高達43.1%,與有效熱效率最低時相比增長幅度為8.15%。這是由于隨著高熱容EGR氣體的引入,缸內溫度降低,泵氣損失減少,燃燒室壁面的熱損失減少,所以有效熱效率上升。但當過量空氣系數為1.3時,再加入較大的EGR稀釋,此時復合稀釋導致稀釋程度過大,發動機循環波動率較大,隨著循環波動的加劇,燃燒不正常,甚至失火的循環逐漸增多,熱效率也會產生相同幅度的損失。復合稀釋與過量空氣、EGR單獨稀釋一樣,對甲醇發動機熱效率的提升效果顯著,且相對于單獨稀釋有效熱效率有了進一步提升。

圖10d示出了復合稀釋對燃燒持續期的影響。由圖中可知,相較于當量燃燒EGR稀釋,復合稀釋時的燃燒持續期較短,且隨著過量空氣系數的增大呈現變大的趨勢,但整體仍低于當量燃燒時的燃燒持續期。這是由于加入空氣稀釋時,混合氣中的氧氣含量變大,有利于加快燃燒化學反應速率,縮短燃燒持續期。但當氧氣含量到達一定程度時,其對燃燒速率影響程度會變小。且此時在空氣/燃料混合物中加入較多的稀釋劑會降低層流燃燒速度和早期階段的火焰增長率[17],而燃燒持續期的差異主要是由于較慢的火焰傳播速度引起的。

綜上所述,復合稀釋相較于EGR單獨稀釋和過量空氣單獨稀釋,只要選取合適的過量空氣系數及EGR率,在發動機燃燒穩定的工況下,與其他兩種稀釋策略相比,可以擁有更低的燃油消耗率及更高的有效熱效率。

2.4 EGR和過量空氣復合稀釋對排放特性的影響

如圖11a所示,在不同的過量空氣系數下,HC排放隨著EGR率的增大都呈現上升的趨勢。與EGR單獨稀釋相比,對于EGR率<14.8%的復合稀釋,HC排放均有一定程度的改善。當EGR率為20.8%時,過量空氣系數為1.1時復合稀釋的HC排放仍低于EGR稀釋,但過量空氣系數為1.2或1.3時復合稀釋的HC排放高于EGR單獨稀釋時的HC排放。這是由于復合稀釋的稀釋程度較小時,混合氣中氧濃度較高,有利于HC的氧化,此時氧濃度對HC排放的抑制作用占主導地位,因此HC排放較低。但是當復合稀釋的稀釋程度過高時,EGR廢氣引入了CO2和其他多原子分子(如H2O),吸收了更多的熱量[18],在和過量空氣的共同作用下,降低了燃燒室壁面的溫度,冷卻層變厚,壁面淬熄效應更加嚴重,這就使得HC排放有所惡化。

圖11 復合稀釋對常規排放的影響

如圖11b所示,EGR單獨稀釋時,CO排放隨著EGR率的增大有所改善。當加入過量空氣稀釋變成復合稀釋時,發動機CO排放顯著降低,最大降低幅度高達80.3%。上述現象證明了CO的排放主要受過量空氣稀釋的影響。

圖11c示出了不同稀釋工況對NOx排放的影響。當采用EGR率為20.6%、過量空氣系數為1.3的復合稀釋時,NOx排放量從未稀釋時的2 540.13×10-6降低到了76.39×10-6,降低幅度高達97%,復合稀釋擁有更好的抑制NOx排放的效果。雖然EGR的熱機制和稀釋機制導致缸內燃燒溫度和氧含量比過量空氣稀釋時低[19],但空氣稀釋也起一定的作用,在EGR和空氣稀釋共同作用下,缸內燃燒溫度更低,從而在抑制和降低NOx排放方面相較于EGR單獨稀釋效果更為顯著。

如圖12a所示,采用復合稀釋時,隨著過量空氣稀釋程度的增大,未燃甲醇排放呈現先下降后上升的趨勢。這是由于當復合稀釋的稀釋程度較小的時候,缸內混合氣中氧含量較高,有利于在燃燒過程中未燃甲醇的完全燃燒。但當復合稀釋的稀釋程度過高時,在缸內溫度大幅下降導致的壁面淬熄效應和峰值缸壓上升導致的狹縫效應的共同作用下,部分甲醇可能會避開火焰面,故未燃甲醇排放增加。

圖12 復合稀釋對甲醇和甲醛排放的影響

如圖12b所示,復合稀釋時,在相同EGR率下,甲醛排放均隨著過量空氣系數的增加呈現先增加后減小的趨勢。這主要是由于在過量空氣系數較小的時候,混合氣中的氧氣含量雖有所上升,但EGR和空氣共同稀釋降低了缸內溫度,此時甲醛的生成速率大于其氧化速率,故甲醛排放量有所上升。但當過量空氣系數繼續上升時,混合氣中擁有較大的氧含量,此時甲醛的氧化速率大于生成速率,故甲醛排放量就有所減少。但從總體上看,復合稀釋和其他兩種稀釋策略均會在一定程度上使得甲醛排放惡化。

未燃甲醇和甲醛的排放在復合稀釋時相對較高,即使現行的某些排放法規中不包括這些廢氣成分,但根據日益嚴苛的排放法規要求,仍需使用氧化催化劑來去除這些成分[20]。在試驗過程中發現,通過在甲醇發動機上安裝三元催化轉換器(TWC)后處理裝置,可以極其有效地去除未燃甲醇和甲醛這兩種廢氣成分,其排放量接近于0,可以達到目前所規定的排放要求。

3 結論

a) 在相同稀釋率下,EGR稀釋策略擁有更大的MBT點火正時且對循環變動率的影響更為顯著;

b) 當稀釋率較低時,EGR稀釋和稀燃的缸壓曲線相似,但當稀釋率大于25.7%時,稀燃策略比EGR稀釋策略能獲得更大的峰值缸壓;在相同稀釋率下,EGR稀釋策略比稀燃能獲得更長的燃燒持續期;稀燃策略下的燃油消耗率、有效熱效率均優于EGR稀釋;

c) 在相同稀釋率下,稀燃策略比EGR稀釋策略擁有更低的HC和CO排放,但在降低NOx排放方面,EGR稀釋策略則更為優越,最大降低幅度高達98.34%;

d) 稀燃策略下的未燃甲醇排放比EGR稀釋策略下的要低,而甲醛排放呈現變化幅度較小的上下波動趨勢,兩者無較大區別;

e) 在燃油消耗率和有效熱效率這兩方面,復合稀釋相較于EGR單獨稀釋和過量空氣稀釋都擁有較為顯著的優勢;

f) 在稀釋程度較小時復合稀釋比EGR稀釋的HC排放要低,但高于過量空氣稀釋時的HC排放;復合稀釋在降低CO排放方面擁有和過量空氣稀釋一樣顯著的效果;復合稀釋擁有更好的抑制NOx排放的效果,最大降低幅度高達97%;

g) 稀釋程度較小時復合稀釋能一定程度上改善未燃甲醇的排放,但當稀釋程度較大時,未燃甲醇排放顯著上升;復合稀釋及其他兩種稀釋策略均會在一定程度上使得甲醛排放惡化。