左承基，劉勇強(qiáng)，程曉章，徐天玉，吳 桐

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

前言

柴油機(jī)作為動(dòng)力裝置以動(dòng)力性強(qiáng)、熱效率高和燃油消耗率低而得到廣泛應(yīng)用，但其NOx和微粒(碳煙)排放較高，且排放控制受“NOx-微粒”折中曲線的束縛。一些先進(jìn)的燃燒技術(shù)，如均質(zhì)壓燃技術(shù)(HCCI)、柴油預(yù)混稀燃技術(shù)(PREDIC)或部分預(yù)混壓燃技術(shù)(PPCCI)，雖能在提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率的同時(shí)，降低NOx和微粒排放，但柴油機(jī)采用這些技術(shù)后，其工作范圍受到限制，在一些工況下HC和CO 排放也會(huì)增加［1-6］。

目前柴油機(jī)主要通過廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)來(lái)降低NOx排放，但EGR率高意味著新鮮空氣量減少，缸內(nèi)燃燒會(huì)惡化，從而導(dǎo)致柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性下降，碳煙排放增加［7］。作為氣體燃料，氫氣具有燃燒速度快、擴(kuò)散系數(shù)高、著火范圍寬和火焰淬熄距離短等特點(diǎn)，柴油機(jī)摻氫燃燒會(huì)降低碳煙排放，但NOx排放會(huì)增加［8-11］。將EGR和摻氫燃燒技術(shù)結(jié)合起來(lái)，可同時(shí)降低柴油機(jī)的NOx和碳煙排放［12］。

本文中在一臺(tái)由ZS195柴油機(jī)改裝而成的上置視窗式可視化試驗(yàn)裝置上，進(jìn)行了富氫進(jìn)氣條件下不同EGR率對(duì)柴油機(jī)燃燒過程影響的試驗(yàn)研究(EGR用CO2氣體模擬)。通過高速攝影機(jī)記錄下缸內(nèi)著火和燃燒過程的火焰照片，用基于三基色原理編制的軟件計(jì)算了缸內(nèi)燃燒溫度場(chǎng)［13-15］，同時(shí)結(jié)合同步示功圖和放熱率曲線對(duì)缸內(nèi)燃燒過程進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方案

試驗(yàn)裝置主要由進(jìn)氣系統(tǒng)、光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、變頻器、角標(biāo)發(fā)生器、高速攝影機(jī)和微機(jī)等組成，如圖1所示。表1是ZS195柴油機(jī)的主要參數(shù);表2為4種試驗(yàn)方案對(duì)應(yīng)的各進(jìn)氣成分的體積比例。

表1 ZS195柴油機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 試驗(yàn)方案 %

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)前先將水溫加熱到80～90℃，按試驗(yàn)方案設(shè)置好各進(jìn)氣成分比例，開啟變頻器，通過電機(jī)倒拖柴油機(jī)至恒定轉(zhuǎn)速1000r/min，然后將油門開到最大，柴油機(jī)著火燃燒，高速攝影機(jī)通過可視化石英窗口記錄下整個(gè)燃燒過程的圖像，同時(shí)記錄下與之同步的曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)和缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)。每次試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速、噴油定時(shí)和噴油量保持不變。

2.1 EGR率對(duì)著火及燃燒過程的影響

圖2為4種方案下拍攝的缸內(nèi)著火和火焰發(fā)展照片。從中可以明顯看出，隨著EGR率的增加，著火時(shí)刻不斷推遲，著火后火焰擴(kuò)展速率變慢。由此可見，CO2作為較大比熱值的惰性氣體推遲了著火，并減緩了燃燒速率。

富氫EGR環(huán)境下混合氣著火和燃燒持續(xù)時(shí)間在不同EGR率下的變化規(guī)律見圖3。

由圖3可見，隨著EGR率的增加，由于CO2作為惰性氣體會(huì)減緩焰前反應(yīng)、阻礙著火的發(fā)生，著火時(shí)刻呈現(xiàn)推遲趨勢(shì)，滯燃期相應(yīng)延長(zhǎng)(試驗(yàn)時(shí)各方案噴油時(shí)刻均固定在上止點(diǎn)前15°CA)，且EGR率越大，著火時(shí)刻推遲越多。其中，方案A的著火時(shí)刻為上止點(diǎn)前8°CA，滯燃期為7°CA，方案 B的著火時(shí)刻為上止點(diǎn)前7.7°CA，滯燃期為7.3°CA，方案C的著火時(shí)刻為上止點(diǎn)前4.2°CA，滯燃期為10.8°CA，方案D的著火時(shí)刻為上止點(diǎn)前2.3°CA，滯燃期為12.7°CA。當(dāng)EGR率較小時(shí)，隨著EGR率的增大，富氫EGR燃燒持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng);當(dāng)EGR率較大時(shí)，富氫EGR燃燒持續(xù)時(shí)間開始縮短。這是由于CO2作為惰性氣體會(huì)阻礙火焰的傳播，進(jìn)而延長(zhǎng)了燃燒持續(xù)時(shí)間;而當(dāng)EGR率較大時(shí)，燃燒惡化，燃料不能完全燃燒，燃燒結(jié)束較早導(dǎo)致燃燒持續(xù)時(shí)間縮短。

圖4為富氫EGR燃燒的缸內(nèi)壓力曲線和放熱率曲線。從圖4可以看出，隨著EGR率的增加，缸內(nèi)壓力和最大爆發(fā)壓力都明顯下降，達(dá)到峰值壓力的時(shí)間推遲;放熱率峰值下降，放熱率曲線整體推后。EGR率為15%的方案D的缸內(nèi)峰值壓力比EGR率為0的方案A降低了22.45%，達(dá)到峰值壓力的時(shí)刻推遲了4.3°CA;方案D的最大放熱率比方案A減少了22.47%，達(dá)到最大放熱率的時(shí)刻推遲了6.5°CA。

2.2 EGR率對(duì)燃燒溫度的影響

圖5為不同方案下著火時(shí)刻、最大放熱率和最大缸內(nèi)壓力時(shí)刻的燃燒照片和溫度場(chǎng)分析圖像，表3是對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)瞬態(tài)溫度計(jì)算值。從圖5可以看出，缸內(nèi)著火點(diǎn)并不固定，而且可能不止一處發(fā)生著火。這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)是壓燃著火，最先著火的地方是溫度和濃度適當(dāng)?shù)牡胤?，而柴油機(jī)在不同循環(huán)中噴油情況與溫度狀況不可能完全相同，滿足著火條件的地方也可能不止一處，因此著火點(diǎn)位置就不一定相同，形成火核的地方也可能有多處。但總的著火位置基本是沿著噴油方向且接近噴油處。表3的瞬態(tài)溫度計(jì)算值顯示，各方案著火時(shí)刻的平均溫度基本保持在950℃左右，說明可燃?xì)獬煞值淖兓瘜?duì)著火時(shí)的缸內(nèi)溫度影響不大。另外，最大放熱率時(shí)刻對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)最高溫度和平均溫度均低于最大壓力時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫度，這是因?yàn)樽畲髩毫r(shí)刻滯后于最大放熱率時(shí)刻，盡管缸內(nèi)容積增大，但燃燒時(shí)間增長(zhǎng)，燃燒的燃料增多，累計(jì)放熱量增加所致。

表3的計(jì)算結(jié)果表明，隨著EGR率的增大，缸內(nèi)瞬態(tài)最高溫度和平均溫度均相應(yīng)降低，與缸內(nèi)壓力和放熱率的變化基本保持一致。說明EGR可降低主燃燒期內(nèi)缸內(nèi)溫度，有利于降低NOx的排放。

圖6為缸內(nèi)最大壓力時(shí)刻燃燒照片對(duì)應(yīng)的溫度分布統(tǒng)計(jì)圖。由圖可見:高溫區(qū)域大部分集中在1200～1400℃之間，低溫區(qū)集中在600℃左右，隨著EGR率的增加，高溫點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)逐漸減少，低溫點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)逐漸增多。

3 試驗(yàn)結(jié)果的討論

氫氣具有密度小、擴(kuò)散系數(shù)大、點(diǎn)火能量低、燃燒速度快和低熱值高等特點(diǎn)，在進(jìn)氣中加入氫氣后，會(huì)加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，縮短燃燒持續(xù)時(shí)間［16］。而CO2作為大比熱的惰性氣體，加入后會(huì)吸收熱量，阻礙著火和火焰的傳播，降低燃燒速率。同時(shí)，大量加入CO2會(huì)減少空氣進(jìn)氣量，導(dǎo)致進(jìn)氣中的氧濃度下降，過量空氣系數(shù)變小，混合氣變濃，燃燒速度下降，燃燒惡化。從研究結(jié)果看，正是在氫氣和CO2的共同作用下，燃燒持續(xù)時(shí)間在小EGR率時(shí)隨EGR率的增大因燃燒速度下降而延長(zhǎng)，在大EGR率時(shí)則因燃燒不完全開始縮短;而缸內(nèi)溫度、壓力和放熱率則隨EGR率的增大呈下降趨勢(shì)。

4 結(jié)論

(1)隨著EGR率的增加，著火時(shí)刻推遲，燃燒速率下降。EGR率較小時(shí)，富氫EGR燃燒持續(xù)時(shí)間隨EGR率的增加而延長(zhǎng);EGR率較大時(shí)，富氫EGR燃燒持續(xù)時(shí)間隨EGR率的增加開始縮短。

(2)當(dāng)EGR率增加時(shí)，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力下降，達(dá)到峰值壓力的時(shí)間推遲;放熱率峰值下降，放熱率曲線整體推后。

(3)EGR對(duì)缸內(nèi)燃燒溫度影響較大，隨著EGR率的增加，缸內(nèi)瞬態(tài)最高溫度和平均溫度均相應(yīng)降低，有利于降低NOx的排放。

［1］Thomas Johansson，Bengt Johansson，Per Tunest?l.HCCI Operating Range in a Turbo-charged Multi Cylinder Engine with VVT and Spray-Guided DI［C］.SAE Paper 2009-01-0494.

［2］Donahue Ronald J，F(xiàn)oster David E.Effects of Oxygen Enhancement on the Emissions from a DI Diesel via Manipulation of Fuels and Combustion Chamber Gas Composition［C］.SAE Paper 2000-01-0512.

［3］Parks J E，Wagner G J，Epling W E，et al.NOxSorbate Catalyst System With Sulfur Catalyst Protection for the Aftertreatment of NO.2 Diesel Exhaust［C］.SAE Paper 1999-01-3557.

［4］Rudolf H Stanglmaier，Charles E Roberts.Homogenous Charge Compression Ignition(HCCI):Benefits，Compromises，and Future Engine Applications［C］.SAE Paper 1999-01-3682.

［5］Gray Allen W(Bill)，Ryan Thomas W.Homogeneous Charge Compression Ignition(HCCI)of Diesel Fuel［C］.SAE Paper 971676.

［6］Aoyagi Y，Asaumi Y，Kunishima E，et al.Visualized Analysis of a Pre-mixed Diesel Combustion Under the High Boosting Engine Condition［C］.Fifth International Symposium on Diagnostics and Modeling of Combustion in Internal Combustion Engines，Nagoya，July 1-4，2001.

［7］Ming Zheng，Graham T，Gary J.Diesel Engine Exhaust Gas Recirculation-a Review on Advanced and Novel Concepts［J］.Energy Conversion and Management，2004，45(6):883-900.

［8］Senthil M，Ramesh A，Nagalingam B.Use of Hydrogen to Enhance the Performance of a Vegetable Oil Fuelled Compression Ignition Engine［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2003，28(10):1143-1154.

［9］呂興才，張武高，黃震.燃料設(shè)計(jì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的研究(2)一對(duì)柴油機(jī)燃燒與排放影響的分析［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2004，22(3):210-215.

［10］Saravanan N，Nagarajan G，Narayanasamy S.An Experimental Investigation on DI Diesel Engine with Hydrogen Fuel［J］.Renewable Energy，2008，33(3):415-421.

［11］Masood M，Mehdi S，Reddy P.Experimental Investigations on a Hydrogen—diesel Dual Fuel Engine at Different Compression Ratios［J］.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2007，129(2):572-578.

［12］Saravanan N，Nagarajan G，Kalaiselvan K，et al.An Experimental Investigation on Hydrogen as a Dual Fuel for Diesel EngineSystem with Exhaust Gas Recirculation Technique［J］.Renewable Energy，2008，33(3):422-427.

［13］何邦全，姚春德，劉增勇，等.三基色測(cè)溫法在柴油機(jī)燃燒溫度場(chǎng)測(cè)量中的應(yīng)用研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2001，19(6):526-530.

［14］程曉舫，周洲.彩色三基色溫度測(cè)量原理的研究［J］.中國(guó)科學(xué)(E 輯)，1997，27(4):342-345.

［15］徐新宇.彩色三基色溫度系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)［D］.合肥:中國(guó)科技大學(xué)，2000.

［16］姜大海，寧智，劉建華，等.預(yù)混合氫氣/柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放特性［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2010，16(2):149-154.