废气再循环（EGR）对汽车直喷式柴油机燃烧和排放影响的实验研究外文翻译资料

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能源33（2008）22-34 www.elsevier.com/locate/energy

废气再循环（EGR）对汽车直喷式柴油机燃烧和排放影响的实验研究

Alain Maiboom*, Xavier Tauzia, Jean-Franc-ois Heacute;tet

内燃机团队，流体力学实验室，UMR 6598 CNRS，南特中央巴勒斯坦权力机构，英国石油92101,44321南特Cedex 3，法国

2007年3月16日收到

摘要

冷废气再循环（EGR）是控制缸内NOx产生的常用方法，并且用于大多数现代高速直喷（HSDI）柴油发动机。然而，EGR对燃烧和排放物产生的影响不同难以区分（进气温度上升，放热速率延迟（ROHR），峰值放热减少，浓度下降（因而空燃比（AFR））和火焰温度、浮起长度增加等），因此EGR对NOx和颗粒物（PM）排放的影响尚未完全清楚，特别是在高EGR率下。在低负荷和部分负荷条件下对2.0升HSDI汽车柴油机进行了实验研究，以区分和量化EGR对燃烧和NOx / PM排放的一些影响。入口温度随着EGR的增加对燃烧和排放具有相反的影响，因此有时会产生与传统观察相反的趋势，例如随着入口温度增加而减少NOx排放。对于纯扩散燃烧，当改变缸内环境气体性质（温度或EGR率）时保持AFR时，ROHR保持不变。在低负荷条件下，在恒定增压压力下使用高EGR率是大幅减少NOx和PM排放量的一种方法，但是随着有效燃油消耗率（BSFC）和其他排放量（CO和碳氢化合物）的增加，而有恒定AFR的EGR可以大幅降低NOx排放量，而不会对BSFC和烟尘排放造成重大损失，但受到涡轮增压系统的限制。

2007 Elsevier Ltd.保留所有权利。

关键词：柴油机;废气再循环;燃烧;热量释放;污染物排放

1.简介

欧五或者欧六等未来的法规将迫使柴油发动机制造商大幅减少氮氧化物和颗粒物（PM）排放。 尽管后处理装置未来会有很大的改进，但新的缸内策略正在出现，以减少氮氧化物和颗粒物的排放。 外部废气再循环（EGR）是一种众所周知的减少NOx排放的缸内方法，特别是在现代直喷式（DI）汽车柴油发动机上，并且可以降低燃烧过程中的温度[1,2]。 随着EGR率的增加，NOx排放量的减少是各种效应的结果：

• 热效应：由于二氧化碳和水的再循环比热容比二氧化碳和氮气（在恒定增压压力下）的比热容更高，导致燃烧过程中气体温度降低，尤其是在较低的火焰温度下[3-5]。
• 稀释效应：降低进口浓度，其主要结果是与燃料混合变慢，导致火焰区域延长。因此，吸收热量释放的气体量增加，导致火焰温度降低[3,4]。因此，稀释效应的一个结果是局部温度的降低，也可以认为是热效应（“局部”热效应）。稀释效应的另一个结果是氧分压的降低及其对基本NO形成反应动力学的影响。
• 化学效应：再循环水蒸气和在燃烧过程中分离，改变燃烧过程和NOx形成。特别是的吸热解离导致火焰温度降低[3,4]。
• 随着EGR的形成的烟灰的增加导致火焰辐射增加，并因此导致火焰温度降低[6,7]。

表1

• 通常观察到点火延迟（ID）随着EGR率的增加[8]，使得燃烧的预混合部分更高;没有EGR，它可能会增加NOx的排放[7]，但是，在EGR的存在下，放热率（ROHR）预混合峰值较低，因此它会减少NOx排放[6]。

更一般地说，所有的燃烧过程都会因稀释的空气点火延迟，预混合燃烧，扩散和后扩散燃烧而延迟）。因此，整个燃烧过程进一步转移到膨胀冲程中，导致较低的燃烧温度[4]。另一方面，尽管现代汽车柴油发动机装备有EGR冷却器，但与再循环气体混合后的入口空气温度随着EGR率增加而增加，因此降低了进气密度（在恒定增压压力下）和缸内保有质量（ #39;#39;节流#39;#39;）。这种温度升高往往会增加氮氧化物排放量，尽管它可以通过上面列出的其他EGR效应来补偿。

EGR对进气阀关闭（IVC）（温度，热容量等）和整个燃烧过程中的入口气体条件的这些各种影响使得对EGR的理解特别困难。但是，只有少数研究试图分离出这些不同的效应。 Ladommatos等人 [3,4,9]通过全球研究（发动机排出的NOx作为函数）成功地分离了和水蒸气（EGR的两个主要成分）对燃烧（热效应，稀释和化学效应）的前三种效应的IVC下的CO2和水蒸气），表明稀释度是最重要的一个（恒定增压压力下）。当保持恒定的空燃比（AFR），即恒定的新鲜空气流量时，通过降低火焰温度[9]，热效应变得明显（IVC时增加气体质量，因此更高的充气热容量）。采用这种第二“EGR策略”，NOx排放量的减少量略低，而传统观察到的EGR对烟尘排放量和有效燃油消耗率（BSFC）的负面影响大大降低[5,9-12] 。利用详细的多区燃烧模型，Kouremenos等人发现在恒定的AFR条件下，空气燃料当量比分布类似于没有EGR的空气燃料当量比分布，而局部值比在恒定增压压力下的EGR操作情况下更高[10]。

此外，已经研究了基于EGR的新燃烧概念，以便显着降低NOx和PM排放，例如均质充量压缩点火（HCCI）或低温燃烧（LTC）。后者通常包括利用大量的EGR。这个新的燃烧概念首先由Akihama及其同事[13]观察到，所谓的“无烟充分柴油燃烧”在高EGR率下获得：即使在充分的条件下，抑烟也是通过燃烧发生在低于形成碳烟所需的温度。在他们的调节动力学（MK）燃烧概念中，Kimura和同事[14]通过LTC和预混合燃烧成功地同时减少了NOx和烟雾，且不增加燃料消耗。 MK概念包括以高EGR率（用于NOx还原）减少氧气浓度和延长ID并促进喷射燃料的分散以实现预混合燃烧（在HCCI附近，但不是完全均匀的并且通过喷射来控制燃烧）。另一个名为柴油机排放低限的概念（DEAL）被Istituto Motori [15]授予专利。它包括使用大量的EGR和先进的喷射正时以实现部分预混合燃烧;它可以被认为是MK概念和无烟富足柴油燃烧之间的中间概念。

为了更好地理解当使用EGR来减少NOx排放时，减少缸内气体中氧浓度对火焰发展和燃烧的影响，Siebers和同事[16,17]研究了典型的DI柴油喷雾剂安装在恒定体积静态燃烧容器上的共轨式喷油器。他们表明，通过允许燃料和空气在浮起长度的上游（即在任何燃烧之前）混合，柴油燃料射流上的火焰剥离的位置在燃烧和排放过程中起着重要作用。在浮起长度的下游，部分预混合的空气 - 燃料混合物经历预混合燃烧，其产生显著的局部放热和大量燃料产物气体，其成为喷射周边处的扩散火焰的“燃料” 。显示碳烟形成直接取决于浮起长度的等效燃空比;当它低于约2 [17]时，不会产生碳烟。另一个重要结果如下：浮起长度与环境气体氧浓度成反比。因此，当降低环境气体氧气浓度时，浮起长度上游的喷雾中夹带的气体总量增加，这补偿了氧气浓度的降低，使得预混合混合物中夹带的氧气总量不会改变[16]。这些观察结果使得作者提出了一种新的LTC概念，即所谓的“无燃烧，低火焰温度混合控制的燃烧”[17]，其中包括在浮起长度前提升空气燃料混合， （由于喷射孔非常小），并且使用高EGR率显着降低了燃烧温度。

最后，文献调查显示了对典型汽车柴油机上EGR对NOx / PM排放的各种影响的全球性研究，但一方面关于缸内过程的信息很少或没有，另一方面在恒定容积的燃烧容器中进行的局部研究在燃料喷射发展和燃烧方面给出了非常有趣的结果，但是其结果尚未在真实的发动机上得到验证。

本研究的目的是在典型的现代汽车高速直接喷射（HSDI）中区分和量化EGR的一些影响（进气温度的升高，ROHR的延迟和AFR的降低）对燃烧和NOx / PM排放的影响，在发动机在预混合和混合控制燃烧的低和部分负荷条件下。

2.实验装置和程序

2.1. 对发动机的描述

在保持所有其他系统不变的情况下研究单个参数变化的影响的更简单的方法是在具有用于控制EGR率，入口温度，空气和燃料流量的单独系统的单缸发动机上进行测试。 顺便说一句，这忽略了实际发动机的一些限制：例如，增压压力取决于使用涡轮增压器时排气时的能量。 我们研究的最终目标是提出用于控制未来排放标准的NOx和PM排放的缸内策略，我们选择在有限修改的情况下对标准发动机进行测试。

用于实验的发动机是配备有冷却EGR回路，可变截面涡轮增压（VGT）和中间冷却器（参见图1）的2.0升恒定速度涡流水冷HSDI柴油发动机。表1给出了发动机技术指标。该研究针对低和部分负荷下的各种运行条件进行，例如轻型车辆的欧洲排放测试周期中遇到的情况 - 由四个城市驾驶循环（UDC）和一个补充城市驾驶循环（EUDC），用于混合控制和预混燃烧（分别在主喷射前有和没有先导喷射）。这里介绍两个操作点。表2给出了相应的发动机转速，共轨压力，先导和主喷射量，先导和主要液体燃料喷射的启动，增压压力和近似指示的平均有效压力（IMEP）。对于每个操作点，喷射量保持恒定，因此对于各种测试的改进（入口温度和增压压力，EGR率），IMEP几乎没有改变。 EGR回路已被修改：

• EGR冷却器上的独立水回路用于控制再循环气体增压egr的温度。它保持在120℃以上的水平以避免水蒸气的凝结。
• 使用带有EGR混合器的改进的EGR回路确保空气和再循环气体完美混合，从而保持汽缸 - 汽缸分散低。 EGR后的气体在后冷却器后切向引入主进气道，从而产生涡流（见图2）。对混合器进行测试并允许在不同气缸的EGR率上具有小于10％的相对离差。

表1测试发动机的规格

表2运行点：速度和平均有效压力

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