張 健， 王 忠， 劉 帥， 趙 洋， 張登攀， 李仁春

(江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

EGR對(duì)甲醇-柴油組合燃燒柴油機(jī)燃燒和排放的影響

張 健， 王 忠， 劉 帥， 趙 洋， 張登攀， 李仁春

(江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

利用三維仿真軟件AVL Fire建立進(jìn)氣道噴射甲醇、缸內(nèi)噴射柴油的模型，應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性。改變2 200 r/min,136 N·m工況下的EGR率(0%，5%，15%，25%和35%)，分析了EGR對(duì)甲醇-柴油組合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程和排放的影響。結(jié)果表明：與EGR率為0相比，隨著EGR率增加，甲醇-柴油組合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)著火延遲期先縮短后延長(zhǎng)，缸內(nèi)最高壓力降低，EGR率為5%時(shí)，著火延遲期縮短2°曲軸轉(zhuǎn)角；隨著EGR率增加，放熱率曲線由雙峰分布向單峰分布轉(zhuǎn)變，最高溫度下降，高溫持續(xù)時(shí)間縮短；隨著EGR率增加，NOx排放降低，CO和炭煙排放上升，與EGR率為0時(shí)比，EGR率為15%時(shí)的NOx排放量降低了54%。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)； 廢氣再循環(huán)； 燃燒過(guò)程； 排放

與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)效率高、燃油消耗低、動(dòng)力性強(qiáng)、工作可靠，因而得到了廣泛應(yīng)用。然而，柴油機(jī)排放的顆粒物和NOx對(duì)環(huán)境造成了較大污染，嚴(yán)重影響了人體健康。目前，為了解決柴油機(jī)排放嚴(yán)重的問(wèn)題，除了采用新型燃燒技術(shù)和尾氣處理方式外，尋找高效、清潔、可再生的柴油機(jī)替代燃料也是一種有效途徑[1]。

甲醇是一種高含氧量的柴油機(jī)替代燃料，具有燃燒速率快、著火界限寬等優(yōu)點(diǎn)，可以改善燃燒。柴油機(jī)燃用甲醇可以采用甲醇-柴油組合燃燒方式，這種方法具有可實(shí)現(xiàn)高比例甲醇摻燒和成本較低等優(yōu)點(diǎn)。甲醇-柴油組合燃燒是指在進(jìn)氣道噴射甲醇，與空氣形成預(yù)混混合氣，柴油缸內(nèi)直噴引燃的燃燒方式[2]。甲醇-柴油組合燃燒方式雖然可以在一定程度上降低柴油機(jī)的NOx和顆粒物排放，但是為了滿足更加嚴(yán)格的排放法規(guī)，需要進(jìn)一步降低NOx排放。EGR是降低柴油機(jī)NOx排放的有效措施之一，目前已經(jīng)普遍應(yīng)用于輕型車(chē)用柴油機(jī)上。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)甲醇-柴油組合燃燒和EGR技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究。Mustafa Canakci等人研究了甲醇摻燒比例對(duì)甲醇-柴油組合燃燒過(guò)程的影響，結(jié)果表明，隨著甲醇比例的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)最大燃燒壓力和放熱率峰值升高，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒熱效率提高[3]。張全長(zhǎng)等人研究了廢氣再循環(huán)對(duì)柴油機(jī)NOx和顆粒的影響，結(jié)果表明，隨EGR率加大，NO所占比例先降低后升高，soot排放率和顆粒粒徑先升高后降低[4]。馮星等人研究了甲醇和EGR對(duì)柴油機(jī)NOx和炭煙排放的影響，結(jié)果表明，柴油機(jī)燃用M15甲醇柴油時(shí)，隨著EGR率增加，缸內(nèi)最大燃燒壓力、最大放熱率和缸內(nèi)溫度都會(huì)降低，NOx排放降低，炭煙排放惡化[5]。K. Bhaskar 等人研究了EGR對(duì)摻混魚(yú)油甲酯燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，結(jié)果表明，EGR能降低NOx排放，但會(huì)增加soot排放，NOx減少量與EGR流量成比例[6]。Jinyoung Jang等人在1臺(tái)二甲醚均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了EGR技術(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著EGR的增加，平均有效壓力升高，CA50延后，HC和CO排放上升[7]。

雖然針對(duì)甲醇-柴油組合燃燒已進(jìn)行了大量研究，但還有必要從燃燒模式的角度探討引入EGR形成的缸內(nèi)廢氣熱氛圍對(duì)高比例甲醇氛圍柴油引燃發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程和排放的影響。本研究基于三維仿真軟件AVL Fire建立了ZN490ZQ柴油機(jī)的燃燒過(guò)程、NOx和炭煙排放的模型，通過(guò)改變廢氣殘余系數(shù)，研究了 EGR對(duì)甲醇-柴油組合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程和排放特性的影響，為進(jìn)一步推廣甲醇-柴油組合燃燒柴油機(jī)的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

1 計(jì)算模型

表1示出ZN490ZQ柴油機(jī)主要參數(shù)。圖1示出上止點(diǎn)處計(jì)算網(wǎng)格。以三維仿真軟件AVL Fire為平臺(tái)，建立動(dòng)網(wǎng)格模型，計(jì)算中采用κ-ε湍流模型、KH-RT破碎模型、Multi-component蒸發(fā)模型、Walljet1碰壁模型、Schmidt-O′Rouke粒子模型、ECFM-3Z燃燒模型。不考慮氣體進(jìn)氣道內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)，NOx生成模型采用Zeldovich模型，soot生成模型采用KHM(Kennedy-Hiroyasu-Magnussen)模型。

表1 ZN490ZQ參數(shù)

模擬過(guò)程從進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉開(kāi)始(上止點(diǎn)前136°曲軸轉(zhuǎn)角)，到排氣門(mén)打開(kāi)(上止點(diǎn)后126°曲軸轉(zhuǎn)角)結(jié)束。模擬時(shí)缸內(nèi)初始?jí)毫蜏囟扔稍囼?yàn)得到，初始渦流比為1.8，氣缸蓋、氣缸壁和燃燒室底面平均溫度分別設(shè)定為553 K，403 K，593 K。

對(duì)2 200 r/min，136 N·m工況的缸內(nèi)壓力進(jìn)行了模擬計(jì)算，并與燃用柴油和M45(試驗(yàn)測(cè)得甲醇質(zhì)量比為45%)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。由圖2可以看出，模擬計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值基本一致，說(shuō)明模型具有較好的準(zhǔn)確性。

2 模擬結(jié)果

2.1 燃燒特性分析

圖3示出不同EGR率時(shí)的甲醇-柴油組合燃燒柴油機(jī)著火延遲期比較。可以看出，EGR率為5%時(shí)，著火延遲期為7.9°曲軸轉(zhuǎn)角，而EGR率為0時(shí)，著火延遲期為9.9°曲軸轉(zhuǎn)角，著火延遲期縮短。柴油機(jī)的著火延遲期由物理延遲期f1和化學(xué)延遲期f2組成，前期以物理延遲期為主，后期以化學(xué)延遲期為主，著火延遲期主要取決于燃料的性質(zhì)、混合氣濃度以及相應(yīng)的溫度和壓力條件[8]。EGR率為5%時(shí)，氣缸內(nèi)廢氣量較少，氧氣濃度降低幅度小，高溫廢氣對(duì)進(jìn)氣加熱，進(jìn)氣溫度升高，促進(jìn)了燃油和甲醇預(yù)混空氣的蒸發(fā)，增強(qiáng)了柴油液滴霧化，縮短著火延遲期。EGR率為25%和35%時(shí)，著火延遲期分別為12.7°曲軸轉(zhuǎn)角和13.75°曲軸轉(zhuǎn)角，較無(wú)EGR時(shí)的著火延遲期延長(zhǎng)。EGR率為25%和35%時(shí)，氣缸內(nèi)廢氣量較多，雖然廢氣加熱了進(jìn)氣，促進(jìn)燃油和甲醇工質(zhì)蒸發(fā)，縮短著火延遲期，但廢氣中比熱容大的氣體成分(如CO2，H2O等)和惰性氣體增多，稀釋了O2，空燃比下降，混合氣比熱容增加，綜合作用下，著火延遲期延長(zhǎng)。因此，EGR率為5%時(shí)，EGR的加熱升溫作用占主導(dǎo)，EGR率為25%和35%時(shí)，EGR的稀釋氧氣和提高比熱容作用占主導(dǎo)。在EGR為15%時(shí)，EGR的加熱作用和稀釋熱容作用相互抵消，使得著火延遲期與無(wú)EGR率時(shí)相比基本無(wú)變化。

圖4示出不同EGR率時(shí)的甲醇-柴油組合燃燒柴油機(jī)缸內(nèi)壓力的比較。由圖可知，隨著EGR率增加，缸內(nèi)最高壓力逐漸下降。EGR率為5%，15%，25%和35%時(shí)的缸內(nèi)最高壓力較無(wú)EGR時(shí)(11 MPa)分別下降了0.293 MPa，0.533 MPa，1.641 MPa和2.23 MPa。EGR率為5%時(shí)，氣缸內(nèi)廢氣量較少，混合氣濃度變化不大，混合氣比熱容增加較少，導(dǎo)致氣缸壓力峰值下降較少。隨著EGR率繼續(xù)增加，氣缸內(nèi)廢氣增多，缸內(nèi)惰性氣體稀釋氧氣，空燃比下降，C/O比升高，廢氣中CO2等氣體提高了混合氣比熱容，混合氣比熱容增加較多，導(dǎo)致缸內(nèi)最高燃燒壓力下降。隨著EGR率增加，缸內(nèi)惰性氣體增多，廢氣成分中的CO2和H2O等氣體對(duì)燃燒速度有抑制作用，導(dǎo)致燃燒上止點(diǎn)位置延后。

圖5示出不同EGR率時(shí)的放熱率對(duì)比。EGR率為0，5%和15%時(shí)，放熱率曲線呈雙峰分布，EGR率為25%和35%時(shí)，放熱率曲線呈單峰分布。無(wú)EGR和EGR率為5%時(shí)，第1個(gè)峰值小于第2個(gè)峰值，第1個(gè)峰值上升速率小于第2個(gè)峰值。小EGR率時(shí)，滯燃期較短，柴油和預(yù)混甲醇空氣混合時(shí)間不長(zhǎng)，混合不均勻，柴油被壓燃形成預(yù)混燃燒，在柴油進(jìn)入擴(kuò)散燃燒階段后，火焰引燃大部分預(yù)混甲醇，柴油和甲醇燃燒，放出大量熱量，形成了第2個(gè)峰值。甲醇燃燒速率大于柴油燃燒速率導(dǎo)致第2個(gè)峰值的持續(xù)時(shí)間小于第1個(gè)峰值。

隨著EGR率增加，放熱率曲線向單峰轉(zhuǎn)變。EGR率為15%時(shí)，滯燃期增加，柴油與預(yù)混甲醇空氣混合時(shí)間增加，混合更加均勻，柴油燃燒引燃預(yù)混甲醇，柴油和甲醇燃燒放出大量熱量，形成第2個(gè)峰值。大部分甲醇燃燒時(shí)刻和活塞處于下行過(guò)程導(dǎo)致了第1個(gè)峰值高于第2個(gè)峰值。EGR率為25%和35%時(shí)，滯燃期更長(zhǎng)，柴油和預(yù)混甲醇空氣混合更加均勻，此時(shí)，柴油在放熱率曲線未下降之前引燃甲醇，柴油和甲醇燃燒放出大量熱量，形成放熱率峰值，之后燃油燃燒未形成峰值，呈單峰分布。單峰和雙峰(第1個(gè)峰值高于第2個(gè)峰值)放熱率曲線峰值隨著EGR率的增加而降低。Shebeko Yu N等研究表明：稀釋氣體對(duì)燃燒反應(yīng)的抑制作用由大到小依次為H2O，CO2，N2，Ar[9]。廢氣含有大量的CO2等惰性氣體，抑制了燃燒速率，放熱率峰值下降，放熱持續(xù)時(shí)間增加。

圖6示出EGR率為0，15%，25%和35%時(shí)的平均溫度場(chǎng)。可知，隨著EGR率增加，缸內(nèi)最高溫度下降，最高溫度對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角延后，高溫持續(xù)時(shí)間縮短。與采用EGR相比，EGR率為0時(shí)，缸內(nèi)氧氣充足，利于燃燒，柴油和甲醇燃燒放熱，由于缸內(nèi)空氣比熱容小，缸內(nèi)溫度上升快，缸內(nèi)最高溫度高。采用大EGR時(shí)，廢氣稀釋了氧氣，提高了混合氣的比熱容，導(dǎo)致滯燃期延長(zhǎng)，燃燒始點(diǎn)滯后，使得缸內(nèi)最高溫度下降，最高溫度所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角延后。EGR率為0時(shí)，滯燃期較短，柴油預(yù)混燃燒縮短，柴油擴(kuò)散燃燒延長(zhǎng)，由于預(yù)混擴(kuò)散燃燒放出大量熱量，所以高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；高EGR率時(shí)，滯燃期較長(zhǎng)，柴油預(yù)混燃燒期延長(zhǎng)，擴(kuò)散燃燒期縮短，大部分燃燒位于活塞下行沖程中，熱損失大，導(dǎo)致高溫持續(xù)時(shí)間短。

2.2 排放分析

圖9示出不同EGR率時(shí)NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比。與無(wú)EGR相比，EGR率為5%，15%，25%和35%時(shí)，NO排放量分別下降了30%，54%，75%和93%。NO生成量與缸內(nèi)高溫、富氧和燃燒高溫持續(xù)時(shí)間有關(guān)。隨著EGR率增加，缸內(nèi)惰性氣體變多，空燃比降低，缸內(nèi)氧氣變少，燃燒緩慢，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)；同時(shí)廢氣中的CO2和H2O等大比熱容氣體提高了混合氣比熱容，溫度上升緩慢，最高溫度下降。由圖6可知，隨著EGR率的增加，缸內(nèi)最高溫度下降，高溫持續(xù)時(shí)間降低。因此，NOx生成量下降。當(dāng)EGR率為35%時(shí)，NOx排放量幾乎為0。

圖10示出不同EGR率時(shí)炭煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比。炭煙的最終量隨EGR率的增加先緩慢增加后快速增加。EGR率在20%以下時(shí)，炭煙的排放很少，幾乎為0。在20%以上時(shí)，缸內(nèi)顆粒物急劇增加。炭煙的最終生成量取決于顆粒物的生成量和氧化量，小EGR率時(shí)，氧氣充足，EGR對(duì)當(dāng)量比影響較弱，缸內(nèi)溫度也較高，炭煙的生產(chǎn)量和氧化量都較高。隨著EGR率增加，滯燃期延長(zhǎng)，燃油和預(yù)混甲醇空氣混合更加均勻，炭煙生產(chǎn)量減少，同時(shí)氧氣濃度和OH基濃度下降，炭煙氧化量也較少，最終炭煙凈排放增加。隨著EGR率增加，炭煙排放峰值時(shí)刻延后，峰值下降更加平緩。這是由于增加的廢氣延長(zhǎng)了滯燃期，使燃燒速率變慢所致[10]。

3 結(jié)論

a) 甲醇-柴油組合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)采用EGR系統(tǒng)時(shí)，隨著EGR率增加，著火時(shí)刻先提前再延后，缸內(nèi)壓力峰值下降，壓力峰值時(shí)刻后移，缸內(nèi)溫度下降；

b) EGR促使放熱率曲線由雙峰分布向單峰分布轉(zhuǎn)變，隨著EGR率增加，缸內(nèi)最高溫度下降，最高溫度所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角變大，高溫持續(xù)時(shí)間縮短；

c) EGR對(duì)NOx排放影響顯著，隨著EGR率增加，NOx排放下降，CO和炭煙排放先緩慢上升后劇烈上升，EGR率為15%時(shí)，NOx下降54%。

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[編輯： 潘麗麗]

Effect of EGR on Combustion and Emission for Methanol-diesel Engine

ZHANG Jian, WANG Zhong, LIU Shuai, ZHAO Yang,ZHANG Deng-pan, LI Ren-chun

(School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu Univerisity, Zhenjiang 212013, China)

The model of intake port methanol injection and in-cylinder diesel injection was built with AVL Fire software and was verified with test results. The effect of EGR on combustion and emission for methanol-diesel engine was studied by changing the EGR rate of 0%, 15%, 25% and 35% respectively under the condition of 2 200 r/min and 136 N·m. The results showed that the ignition delay first shortened and then prolonged and the maximum in-cylinder pressure decreased with the increase of EGR rate. The ignition delay shortened by 2° when the EGR rate was 5%. The distribution curve of heat release rate changed to single peak from double peak and the duration of in-cylinder high temperature shortened with the decline of maximum temperature when the EGR rate increased. With the increase of EGR rate, the emission of NOxreduced and that of CO and soot increased. Compared with 0% EGR rate, NOxemission of 15% EGR rate reduced by 54%.

dual-fuel engine; EGR; combustion process; emission

2014-05-17；

2014-09-03

國(guó)家自然科學(xué)基金(51376083)；江蘇省高校自然科學(xué)基金(10KJA470009,13KJA470001)；江蘇省2013年度普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(CXZZ13-0672)；2011年江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(蘇政發(fā)辦[2011]6號(hào))

張 健(1990—)，男，碩士，主要從事內(nèi)燃機(jī)代用燃料研究；zhangjian1025ujs@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2014.06.013

TK411.5

B

1001-2222(2014)06-0064-05