废气再循环对天然气发动机性能影响研究.pdf

第 2 期 总第 1 8 7期 2 0 1 0年 4月 车用发动机 VEH I CLE ENGI NE N o ．2 S e r i a l N0 ．1 87 Apr ．2 01 0 废气再循环对天然气发 动机性 能影响研究 杨 立平 ，马修 真 ，宋恩哲 ，李 君 ，李 学民 1 ．哈 尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江 哈 尔滨 1 5 0 0 0 1 ； 2 ．吉林大 学汽车工程学院， 吉林 长春 1 3 0 0 2 5 摘要 利用 1台增压 中冷天然气发 动机 ， 在 2 8 4 0 r ／ rai n ， 7 5 和 5 O 负荷 、 过量空气 系数 为 1 ． 1 ～1 ． 3稀混 合 气条件 下研 究了 E GR对天然 气发动机性能影响 。结 果表明 不 同负荷和 下， 随着 E G R增加 ， N O 排 放迅速 降低 ， 与单纯采用空气稀释 相比 ， 稀混合 气加 E G R联合稀释 的方式更具 降低 N O 排 放的潜 力， 7 5 负荷 、 一1 ． 3 发动机达到稳 定运行界 限时 循环变动 系数为 1 O N 排放 降低到 0 ． 3 g ／ k w h ， 而单纯采用空气稀释 时只能 降低到 1 ． 9 2 g ／ k W h ； 当 E G R率小于 1 o 时 ， 随 着 E G R增加 ， HC和 C O排放缓慢增加 ， 有效热效率缓慢下降 ， 当 E G R率超过 1 O 后 ， HC， C O排 放增加和有效热效率下降的速度都加 快。小负荷 时产 生的 NO 排放较少 ， 且达 到 相 同 NO 排 放 目标 值 时 所 需 的 EGR 量 也 较 少 ， 但 是 会 产 生较 高的 HC和 C O 排 放 及 较 低 的热 效 率 。 关键词 天然气发动机 ； 废 气再循环 ； 排放控制 }热效率 中图 分 类 号 TK4 3 7 文 献标 志 码 B 文章 编 号 1 0 0 1 2 2 2 2 2 0 1 0 0 2 0 0 3 1 - 0 4 增压 稀燃技 术 是 提 高天 然 气 发 动 机功 率 密 度 、 改善燃 料 经济性 和 降低 NO 排 放 的有效 技术 措 施 ， 是 当前 研究 的一 个 重 点l 】 ] 。但 是 随着 混 合 气 变 稀 ， 燃烧速度下降， 当} 昆合气浓度达到稀燃极 限时失火 和部分燃 烧 现 象 增 加 ， 导 致 热 效 率 迅 速 下 降 和 HC 排放 迅速 增 加[ 2 ， 即使 是采 用 稀 燃传 感 器 实现 了闭 环空燃 比控 制 ， 发 动 机仍 需 控 制 在 比最 大 理 论 空燃 比低 的混 合气 条件 下运 行 ， 此 时三 效催 化器失 效 ， 无 法对 NO 排放 进 行有 效 控 制 。为 了满 足 未 来 更 严 格 的排放 法规 要求 ， 需要 采 用 其 他 技术 措 施 来 解 决 这 个 问题 。废 气 再 循 环 E G R 可 以通 过 降低 火 焰 温 度 和 氧 气 分 压 力 的 方 法 来 有 效 降 低 NO 排 放一 ， 因此 ， 在 1台增 压 中冷 天 然 气 发 动 机 上研 究 E G R对 发动 机性 能 的影 响规 律 ， 为 发动 机性 能 优化 和排 放控 制提 供基 础研究 数据 。 1 试验条件及设备 试验用 发 动机为 1台 4缸水 冷 单燃料 天然 气发 动机 ， 缸径 为 1 0 1 ． 6 mi n， 行 程 为 1 】 4 ． 3 mm， 压 缩 比 为 1 1 ， 燃烧 室形 状为 浴盆 形 ， 标 定 功率 7 8 ． 7 k W ， 标 定转速 为 3 2 0 0 r ／ mi n ， 燃料 供 给方式 为进 气 道 多点 喷射 。 为 了 弥 补 发 动 机 燃 用 稀 混 合 气 以及 添 加 E GR时所 造成 的功率 损 失 ， 选 配 了 1套增 压 中冷系 统 和 中冷 E GR 系统 ， 采 用 TB 2 8增 压 器 ， 再 循 环 废 气在增压器前被引入进气管与新鲜进气进行混合 ， 混合气 经 中冷器 后 温度 被控 制 在 3 5℃左 右 。试 验 所需仪器及设备有 C w一2 6 0测 功机， D K 一5油门 控 制 器 ， C MF C 2 5 C NG 流 量 计 ， GU2 1 C缸 压 传 感 器 ， 电荷 放大器 ， C E B -- 2 0 0废 气 分 析 仪 ， D S 9 1 0 0燃 烧 分析 仪 ， L A4 4 ． 9空燃 比测 量 仪 ， L S U4 ． 9线性 氧传 感器 。图 1 示 出 了试 验装置 结构 简 图。 图 1 试 验 装 置 结 构 简 图 2 研 究方法 首 先对装 用增 压器 前后 天然气 发动机 的性 能进 行 了对 比研究 。结果表明 ， 增压后当量 比混合气条 件 下 4 S H N 天 然 气 发 动 机 在各 转 速 下 的最 大 扭 收 稿 日期 2 0 0 9 1 2 1 8 ；修 回 日期 2 0 1 0 0 3 1 5 基金项 目国家“ 八六三” 重点基础研究发 展规划资助项 目 2 0 0 6 AA1 l A1 B 1 ；哈尔滨市科技攻关计划项 目 2 0 0 9 AA2 AG 0 6 0 作者简介 杨立 平 1 9 7 9 ～ 。 男， 工学博 士， 研究方 向为汽车新能源 ； y a n g l i p i n g 3 0 2 t o m． c o rn。 车用发动机 2 0 1 0年第 2 期 矩都可 以提 高 3 5 以上 ， 但 是 出于 对 发 动 机 热 负 荷 、 机械强度 和排温 的考虑 ， 将 各转速 下的最大 扭矩 提高 2 5 ％作为 4 s HN天然气发动机 的 1 0 0 负 荷 ， 并 以该 负荷 为基 准来 定义 负荷率 ， 试 验是 在 2 8 4 0 r ／ mi n ， 5 O ％和 7 5 部分 负荷 下进行 的 。 在研究 E G R 对 发 动机 性 能 和 排放 影 响 时 ， 若 在发动 机运行稀 限附 近加 入 E G R会 使发 动 机无 法 稳定运行 ， 因此 ， 在 为 1 ． 1 ～ 1 ． 3的稀混 合气 条件 下研究 E GR对 4 S H N 天然 气 发 动机 性 能 影 响 。 试 验过程 中通过调整 喷气脉 宽使加入 气缸 中的燃料 量保持不变， 当加入 E G R时， 发生变化， 这时需 要增 加节气 门开度来 增 加进 入 气缸 的空气 量 ， 这样 可 以保证 固定 在某 一 目标值 ， E GR 的加 入 只是 增加 了缸 内的惰 性气 体 含量 ， 最 终得 到 不 同负 荷 和 庐 下 发动机性 能随 E GR的变化 规律 。 3 试验结果与分析 3 ． 1 发动 机稳定运 行界 限 图 2 示 出 了不 同 时循 环变 动 系数 随 E G R率 的变化 关 系 。由图 可见 ， 7 5 负荷 、 一定 时 ， 随 着 E G R率的增 加 ， 循 环变 动 系 数 逐 渐增 加 ， 而 且 相 同 E G R率下发动机燃用较稀混合气时也会产生较高的 循 环变动 ； 当燃烧循 环变动 系数 大 于 1 0 时 ， 发动机 转 速和扭矩都 产生剧 烈 的震 荡 ， 因此 ， 将燃 烧循 环变 动 系数 等于 1 0 作为 发动 机稳 定运行 界 限 ， 此 时对 l 2o ／ 。 一 咖 l 3 0／卢 ．． 多 、 豁 需 制 睦 坚 E G1 ／ 率 ／％ a 2 8 4 0 r ／ mi n ， 7 5 ％负荷 2 。 0 3 0 。 b ／ ／ 牟 1 ． ／ ／ ．兰 三 _／／ 0 2 4 6 8 l 0 l 2 1 4 l G R 家 ／ ％ b 2 8 4 0 r rai n ，5 0 ％ 负荷 图 2 循环变动系数随 E G R率的变化关系 应的 E GR率作为天然气发动机稳定运行 的 E G R率 极限值 。5 0 负荷 时发 动机 对 E G R的容 忍度下 降 ， 各 下循环 变动系数达到 1 O 时的 E G R率都 比 7 5 负荷小 。 3 ． 2 No 排放 图 3 示出了 NO 排放随 E G R率 的变化关系。 由图可见， 7 5 负荷、 j 5 一定 时， 随着 E G R率 的增 加 ， NO 排放迅 速 降低 ， 不 同 下 E GR率大 于 8 时 ， NO 排放基 本 都 可控 制 在 5 g ／ k W h 以下 ， 继续增加 E G R率还有进一步降低 NO 排放的潜 力， 一1 ． 3 ， E GR率为 1 0 达到发动机稳定运行 界限 时 NO 排放 可 以降低 到 0 ． 3 g ／ k W h ， 而 前期 研究结 果表 明 ， 相 同运行 工 况下 只 采用 空气 稀 释 时发动机 稳定 运行 稀 限处 的 NO 排 放 只 能 降低 到1 ． 9 2 g ／ k W h _ 5 ] ， 可 见 利 用 稀 混 合 气 加 E GR 联合 稀释 的 方 式 有 更 大 的 降 低 NO 排 放 的 能 力 。 通过对 比不同 下 NO 排放随 E G R率的变化规 律可以发现， 当达到相 同的 NO 值时， 稀混合气所 需 E GR量 较小 ， 一1 ． 3 时只 需加 人 3 ． 2 的 E G R 量 就可使 NO 排 放 降低 到 5 g ／ k W h ， 而 一 1 ． 1 时则需 要添加 8 ． 5 的 E GR量 才能达 到相 同 的 NO 排 放 水 平 。与 7 5 负 荷 相 比， 5 0 负 荷 时 NO 排 放 随E GR 率 的 变 化 规 律 基 本 相 同 ， 但 是 相 30 一 量 2 5 ● 量2 o 1 5 整 薹 。 5 O 3 0 一 量 2 5 ● 量2 0 1 5 釜 薹 。 0 z 5 0 0 2 4 6 8 l 0 1 2 1 4 E G R 率 ／ ％ a 2 8 4 0 r ／ mi n ，7 5 ％ 负荷 0 2 4 6 8 1 0 l 2 1 4 E GR率 ／ ％ b 2 8 4 0 r ／ ra i n ，5 0 ％ 负荷 图 3 N O 排放随 E G R率 的变化关系 2 0 1 0年 4月 杨立平 ， 等 废气再循环对天然气发动机性能影响研究 同 E GR率 和 ≠ 下产 生 的 NO 排放 较低 ， 达到相 同 NO 排 放 目标 值 时所需 的 E GR率 较 小 。负荷 降低 时循 环 燃料量 减 少 ， 较 高 的泵 气 损 失 增 加 了缸 内残 余废 气 系数 ， 燃烧 温度 下 降 ， 产生 的 NO 排放 减 少 ， 因此 ， 加 入少 量 的 E G R 就 可 以 到达 与 7 5 负 荷 相 同的 NO 排放 水平 。 3 ． 3 CO排放 图 4 示 出 了 C O排放 随 E GR率 的变 化关 系 。由 图可见， 7 5 负荷、 一定 时， 随着 E G R率 的增加， C O排放逐渐增加。在 E G R率小于 1 o 时， C O排放 曲线 比较平坦 ， 而当 E G R率大于 1 0 ， C O排放迅速 增加 ； 在 E GR率小 于 1 O 时 ， 相 同 E G R率下 变化 对 C O排放影 响较 小 ， 当 E G R率 大于 1 O 时 ， C O 排 放随 增 加而增 加 。因为 C O 是燃料 不 完全 燃烧 的 产物 ， 其化 学反应动力学 生成 机理可 以归 结为 R H R R O 2 一 R C Ho C O R代 表碳 氢 根 ， 然 后 C O 被 氧化成 C 2 ， c OOHC O 2 H， 其反应速率可以 表示为 Kc 。 一6 ． 7 6 1 0 e x p 丁 ／ 1 1 2 0 。 因此 ， 随 着 E GR加入或 混合 气 变稀 ， 燃 烧 温度 降 低 ， C O被 氧 化 成 C 2的反应 速 率 降低 ， C O 排放 升 高 。当 E G R 率 大于 1 0 时 超过 了发 动机 稳 定运 行 边 界 ， 不 完 全 燃 烧和失火导 致 C O排放 迅速增加 。5 0 负荷下 C O排 8 _ 工 。 6 ≥ 4 童 2 O 0 2 4 6 8 1 0 I 2 l 4 E ； I／璋i ／ ％ a 2 8 4 0 r ／ mi n ， 7 5 ％负荷 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 E GR率 ／％ 11 2 8 4 0 r ／ mi n ， 5 0 ％ 负荷 图 4 C O排放随 E G R率 的变化关 系 放 随 E G R率 变化规律 与 7 5 ％负 荷 的情 况 相 同， 但 相 同 和 E G R率 下 5 0 ％负荷 的 C O排 放绝 对值 略高 ， C O排放 出现 拐 点 即迅 速 增 加 所 对 应 的 E G R 率 较 小 。 3 ． 4 HC排 放 图 5示 出 了 HC排 放 随 E GR 率 的 变 化 关 系 。 由图可见 ， 7 5 负 荷 、 一 定 时 ， 随着 E G R 率 的增 加 ， HC排 放逐渐 增 加 ， 当 E GR率 大 于 1 O ％时 ， HC 排 放急剧 增加 ， 这 是 因为 随 着 E GR 的加 入 ， 缸 内 的 燃烧速度降低 ， 过高的 E GR量使燃烧严重滞后 ， 在 排 气 门开启 时燃烧 过 程 还 未结 束 ， 未 燃 或 部分 燃 烧 的燃 料 以 HC形 式 排 出 ， 导 致 HC排 放 急剧 增 加 。 当 E GR率一 定时 ， 混合 气越稀 ， 则 HC排放 也越 高 。 5 O 负荷 下 HC排 放 随 E GR率 的变 化规 律 与 7 5 9 ／ 5 负荷 的情 况相 同 ， 只是 相 同 和 E GR率 下 5 0 负 荷 的 HC排放较 高 ， 且 HC排 放 急 剧 增 加 时所 对 应 的 E G R率 较小 。 2 0 圣1 6 1 2 s 萎 星4 O 2 0 一 一、 1 6 1 2 蚓 基 8 要 4 0 0 2 4 6 8 1 0 l 2 l 4 E G I { 率 ／ ％ a 2 8 4 0 r ／ ra i n ，7 5 ％负荷 0 2 4 6 8 l 0 1 2 l 4 l ； l{ 缸／ ％ h 2 8 4 0 r ／ rai n ， 5 0 ％ 负荷 图 5 HC排 放 随 EGR率 的变 化 关 系 3 ． 5有效 热效 率 图 6示 出 了有 效 热效率 随 E G R率 的变 化关 系。 由图可见 ， 7 5 负荷 、 一定 时 ， 随着 E G R率 的增 加 ， 有效热效率逐渐降低。当 E G R率超过 1 0 以后 ， 有效 热效率下 降的速度 明显增 加 ； 而 当 E G R率一 定时 ， 随 着混合气 变稀 ， 有效热 效率也 逐渐下 降。因为混 合气 8 6 4 2 0 一_ 1 一 ． ≥苣． 朝裢隶兰 一 v _ 】 3 4 车用发动机 2 0 1 0年第 2期 在空气稀释的基础上 又受到 E G R的稀释 ， 因此 ， 燃烧 速度进一步降低， 有效热效率下降速度加快。5 O 负 荷时有效热效率 随 E G R率的变化规律与 7 5 负荷 的 情况相 同， 但 由于 5 O 负荷 时泵气损失较 大， 且缸内残 余废气系数较高， 燃烧速度较低， 因此， 相同 和 E G R 率下 5 O 负荷对应的有效热效率明显低于 7 5 负荷， 并且有效热效率迅速下降所对应的 E G R率较小。 誉 、 静 较 蕞 3 0 誉 2 5 、 簪 2O ； 耧 l 5 1 0 E G R 率 ／ ％ a 2 8 4 0 r rai n ，7 5 ％ 负荷 时 能够达到 的最低 NO 排放 值 1 ． 9 2 g ／ k W h ， 说明稀混合气加 E GR联合稀释的方式有更高的降 低 N O 排放 的能力 ； 相 同 E GR率和 声 时小负荷 的 NO 排放 较少 ， 达 到相 同 NO 排 放 控 制 目标 值 时 所 需 E GR率也较小 ； b 不 同负 荷 和 条 件 下 ， HC和 C O 排 放 随 E G R率 的变化 规律 基 本相 同 ， 都 是 随 着 E G R率 的 增加 而增加 ， 当 E GR率 大于 1 O ％时 ， 不 稳定燃 烧和 失火 导致 HC和 C O排 放 迅 速 增加 ， 小 负荷 下产 生 更高 的 HC和 C O排放 ； c 不 同负荷和 条 件下 ， 在 发动机稳 定运行界 限之内， 有效热效率随 E G R率 的增加而缓慢下降， 当 E G R 率 大于 1 0 时 ， 不 完 全燃 烧 使 有效 热效 率 下降速度加 快 ， 在 较稀混 合气下 有效 热效率 随 E G R 率增 加下 降速度更 快 。 参考文献 E l i o 2 4 6 8 1 o 1 2 1 4 F 27 E G R 搴 ／ ％ ⋯ b 2 8 4 0 r ／ mi n 5 0 ％ 负荷 图 6 有效热效率随 E G R率的变化关系 [ 3 ] 4 结论 a 不 同负 荷 和 条 件 下 ， 随 着 E GR率 增 加 ， NO 排放 迅速降低 ， 7 5 负荷 、 f l 1 ． 3发 动机 达 到 稳 定 运 行 界 限 所 对 应 的 E GR极 限值 时 ， NO 排放 只有0 ． 3 g ／ k w h ， 明显 低 于单 纯采 用 空 气稀 释 [ 4 ] [ 5 ] C h i u J P， W e g r z y n J ， M u r p h y K E． I o w E mi s s i o n s Cl a s s 8 He a v y - dut y On h i g hwa y Na t u r a l Ga s a n d Ga s o l i n e E n g i n e [ C ] ． S A E P a p e r 2 0 0 4 - 0 1 2 9 8 2 ． 姚 宝峰 ， 李国岫． 天然 气发动机 燃烧循环 变动特征参数 分析研 究[ J ] ．内燃机 工程 ， 2 0 0 7 ， 2 8 4 1 - 5 ． Su mi t Bh a r g a v a， Ni ge l N Cl a r k，W a y ne Hi l d e br a n d． Ex ha us t Gas Re c i r cu l a t i on i n a I e a n bu r n Nat ur a l Ga s E n g i n e [ C ] ．S A E P a p e r 9 8 1 3 9 5 ， 1 9 9 8 ． S e l l n a u M ， S i n n a mo n J ， Ob e r d i e r I ， e t a 1 ．De v e l o p me n t of a Pr a c t i c a 1 To ol f or Re s i d u a l Gas Es t i ma t i on i n I C E n g i n e s [ C ．S AE P a p e r 2 0 0 9 0 1 - 0 6 9 5 ． 杨 立平 ．4 SH N 天 然 气发 动机 工 作 过 程 优 化 及 排 放 控制 D 2 ． 长春 吉林大 学， 2 0 0 8 ． I nf l u e n c e 0 f EGR o n CNG Eng i n e Pe r f 0 r m a nc e YANG Li p i n g ，MA Xi u z h e n ，S ONG En z h e ，LI J u n 。 ，L I Xu e mi n 1 ． Col l e ge o f Powe r a nd En e r g y Eng i ne e r i ng，Ha r b i n e n gi ne e r i ng Uni v e r s i t y，Ha r bi n 1 5 00 01，Chi n a； 2 ．C o l l e g e o f Au t o mo b i l e En g i n e e r i n g ，J i l i n Un i v e r s i t y，Ch a n g c h u n 1 3 0 0 2 5 ，Ch i n a Ab s t r a c t F o r a t u r b o c h a r g e d i n t e r c o o l i n g CNG e n g i n e ，t h e i n f l u e n c e o f E GR o n e n g i n e p e r f o r ma n c e wa s r e s e a r c h e d a t t h e s p e e d o f 2 8 4 0 r ／ mi n wi t h 7 5 a n d 5 0 l o a d r e s p e c t i v e l y wh e n t h e e x c e s s a i r c o e f f i c i e n t wa s 1 ． 1 ～ 1 ． 3 ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t he N0 e mi s s i o n d e c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s e of EGR a t d i f f e r e nt l oa ds a n d e xc e s s c o e f f i c i e nt s ．Co m p a r e d wi t h on l y l e a n bu r n t e c hn ol o gy，t h e l e a r n bur n t e c h n ol og y wi t h EGR h a s gr e a t e r p ot e nt i a l t o r e du c e NO e mi s s i o n ．At 7 5 l o a d wh e n h e e x c e s s a i r c o e f f i c i e n t i s 1 ． 3 ，t h e NO e mi s s i o n c a n b e r e d u c e d t o 0 ． 3 g ／ k W h wh e n t h e e n g i n e r e a c h e s t h e l i mi t o f s t e a d y o p e r a t i o n． t h a t i s t o s a y，t h e c yc l e t o c y c l e v a r i a t i o n c o e f f i c i e nt i s 1 0 ．W hi l e wi t h o nl y l e a n bu r n t e c h no l ogy，t he NO e mi s s i on c a n o nl y b e d e c r e a s e d t o 1 ． 9 2 g ／ k W h ． Wh e n t h e E GR i s s ma l l e r t h a n 1 0 ，t h e HC a n d C O e mi s s i o n s i n c r e a s e s l o wl v a n d t h e e f f e c t i ve t he r ma l e f f i c i e nc y d e c r e a s e s s l o wl y wi t h t he i nc r e a s e o f EGR．Howe v e r，whe n t h e EGR i s be yo nd 1 0 ，t he HC a n d CO e mi s s i ons i nc r e a s e r a p i dl y a n d t h e e f f e c t i v e t h e r mal e f f i c i e n c y de c r e as e s r a pi d l y ．At l ow l oa d，t he NO e mi s s i o n i s l e s s，t he r e q u i r e d EGR f o r t h e s a me N0 e mi s s i o n i s a l s o s ma l l e r ，b u t t h e h ig h e r HC a n d C O e mi s s i o n a n d l o we r t h e r ma l e f f i c i e n c y o c c u r s ． Ke y wo r d sCNG e n g i n e ；e x h a u s t g a s r e c i r c u l a t i o n EGR ；e mi s s i o n c o n t r o l ；t h e r ma l e f f i c i e n c y [ 编辑 姜晓博]