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1、2004031废气进气方式对汽油机性能及NOx 排放影响的研究 3姚春德 敬章超 傅晓光 刘文胜(天津大学 ,内燃机燃烧学国家重点实验室 ,天津 300072)摘要 在一台 4 气门汽油机上 ,通过改变再循环废气进入气缸的方式 ,研究了回流废气对 NOx 排放以及对发动机动力性、经济性的影响。得到了在试验条件下对应于发动机最佳综合性能时应采取的最佳废气再循环率。叙词 :废气再循环 ,NOx 排放 ,汽油机A Study on NOx Reduction and Performance of SI Enginewith Different Way of EGRYao Chunde ,Jing Z
2、hangchao , Fu Xiaoguang & Liu WenshengTianji n U niversity , State Key L aboratory of Engi ne Combustion , Tianji n 300072 Abstract The effect of different ways of exhaust gas returning into cylinder on the performance andNOx emission was investigated on a S1I1 engine with 4 valves per cylinder1The
3、optimum EGR rate was also ob2tained in terms of the engine performance and NOx emission under the testing condition1Keywords :EGR, NOx emission , Gasoline engine3 国家自然科学基金资助项目 (50076031) 。原稿收到日期为 2003 年 5 月 30 日 ,修改稿收到日期为 2003 年 7 月 4 日。1 前言废气再循环 ( EGR)是一个得到广泛认可的减少汽油机 NOx 排放的技术 1 ,2 。但是采用 EGR 后 ,通常发
4、动机的性能特别是燃油经济性有所下降。因此 ,寻找既能大幅度降低 NOx 排放 ,又能兼顾到发动机的燃油经济性的方法成为当今汽油机研究中的一个重点。英国 Ricardo 公司和天津大学分别在具有棚顶型燃烧室的 4 气门和 5 气门的单缸汽油机上利用缸内滚流实现了分层 EGR ,获得比均匀进气式 EGR在降低 NOx 排放和兼顾综合性能上都要优越的效果 3 ,4 。这种利用缸内气流特定运动的方法来运用EGR 技术 ,为减少发动机 NOx 排放同时又兼顾其动力性和经济性提出一个新的途径。作者以上述研究的结果为基础 ,在多缸发动机上进一步研究采用不同 EGR 进气方式对减少 NOx排放机理以及对发动机
5、综合性能的影响。2 试验设备和原理211 试验用发动机及 EGR进气系统结构采用的试验发动机为一台双顶置凸轮轴、每缸有 2 个进气门和 2 个排气门的 4 缸汽油发动机。燃烧室为可以产生进气滚流的棚顶型。该机的主要技术参数见表 1。表 1 试验发动机的基本参数类型 TO YOTA 4A - FE 排量 / L 11587化油器 双腔分动式 燃烧室 棚顶标定功率 /kW/ r min - 1 72/ 6000全负荷最低油耗/ g/ (kW h) 286最大扭矩 /N m/ r min - 1 129/ 4000缸径行程/ mm mm 81 77压缩比 918 凸轮驱动方式 DOHC2004 年
6、(第 26 卷 ) 第 2 期 汽 车 工 程Automotive Engineering 2004 (Vol. 26) No. 2转载http:/废气进入气缸的方式有两种 ,分别见图 1、图 2。图 1 EGR 单侧进气方式 图 2 EGR 中央进气方式图 1 为单侧进气结构 ,来自排气管的废气通过导向孔直接进入一侧气门 ,沿气道的侧壁进入发动机气缸。图 2 为中央进气方式 ,废气进口设置在 2个气门中间位置 ,以保证废气能够均匀由 2 个气门同时进入气缸。由于研究的主要目标是了解在不同结构形式下 ,以不同方式进入气缸的废气将如何影响发动机NOx 排放及其综合性能 ,混合气的形成方式对发动机
7、上述性能的影响将分开进行研究。因此 ,发动机采用化油器供油 ,经气门进入气缸的都是均质混合气。212 试验原理试验中分别用层流流量计和转子流量计来分别计量进气体积流量和参加再循环的废气体积流量 ,通过实际测得的压力和温度等参数计算出它们的质量流量 ,进而计算出 EGR 率。EGR 率 =EGR 气体质量流量吸入的空气质量流量 + EGR 气体质量流量 100 %由于汽油燃烧中 NO2 生成很少 (NO2/ NOx 只有 2 % 5 %) ,所以试验中 ,由排气分析仪测出的NO 浓度来代表 NOx 的排放浓度。试验装置详见文献 5 。213 试验条件的确定鉴于在发动机上应用 EGR 的技术要求
8、6 ,试验工况选择在中等负荷 (节气门开度为 35 %和60 %) , 发动机转速为 3200r/ min、 4400r/ min 和5000r/ min。试验控制方法为 :以无 EGR 工况的节气门开度为基准开度 ,保持节气门位置不变 ,分别在不同进气方式下通入废气。以发动机基准节气门开度对应的功率为准 ,当功率降低率超过 5 %时 ,停止试验。3 试验结果311 节气门开度为 35 %图 3 是在节气门开度为 35 % ,转速为 3200r/min 时的发动机性能特性。由图可见 ,当 EGR 开始后 ,不同的进气方式表现出明显不同的特点。与中央进气相比 ,单侧进气的燃油消耗率一开始下降 ,
9、直至 EGR 率达到 215 % ,燃油消耗率才逐渐上升。而中央进气的燃油消耗率则开始维持不变 ,然后随EGR 率增大而逐渐增高。在整个 EGR 率由 010 %范围内 ,单侧进气时发动机燃油消耗率降低幅度最高达 215 %。对功率的影响也如此。发动机采用单侧进气的 EGR 后 ,功率起先是先升后降 ,当EGR 率超过 215 %之后 ,随着 EGR 率增加才逐渐降低。在采用 EGR 的范围内 ,功率升高幅度高达613 %。两种不同进气方式还反映出单侧进气可以使用较大的 EGR 率。进气方式对 NO 排放浓度的影响则由图 3 可见 ,随 EGR 率的增加 ,NO 排放浓度便逐渐下降。试验表明不
10、论在何种进气方式下 ,EGR 对减少 NOx 排放均具有很强的作用。图 3 节气门开度 35 %、 n = 3200r/ min时的发动机性能由两种不同的 EGR 进气方式可见 ,单侧进气有着较好的发动机综合性能 ,尤其是在小 EGR 率情况下 ,尽管两种进气方式在 EGR 开始阶段都还可以维持发动机燃油消耗和动力性不变 ,但单侧进气明显的结果是不仅保持不变 ,而且可以降低燃油消耗率并提高功率。由此可见 ,与中央进气相比 ,单侧进气具有可以采用较大 EGR 率以使 NO 的排放量得到进一步减少的优势。在该试验工况下 ,对应于发动机综合性能 ,最合适的 EGR 率是 8 %左右。此时 ,发动机功
11、率、燃油消耗率几乎没有受到 EGR 的影响 ,但 NO 下降的幅度超过 57 %。保持节气门开度 ,转速提高到 4400r/ min。当EGR 开始后 ,发动机性能受到的影响大致和转速为3200r/ min 情况类似。但是 ,由图可见 ,采用中央进气方式 ,在 EGR 一开始 ,燃油消耗率和动力性便开始下降 ,而单侧进气却可以在较好地兼顾发动机的动力性和经济性同时 ,使 NO 的排放大幅度降低。反映出中央进气 EGR 对发动机动力性和经济性的负面影响在高转速下要大一些 ,如图 4 所示。021 汽 车 工 程 2004 年 (第 26 卷 ) 第 2 期中国科技论文在线http:/图 4 节气
12、门开度 35 %、 n = 4400r/ min 时发动机性能312 节气门开度为 60 %将发动机的节气门开度增加到 60 % ,不同 EGR进气方式对发动机综合性能影响的情况分别见图 5和图 6。由图可见 ,与 35 %节气门开度明显不同的是 ,在此负荷下 ,不管何种进气方式 ,在较低的 EGR率下对发动机经济性都有一定的改善作用。但就减少 NOx 排放的效果而言 ,中央进气方式要更突出。当发动机转速升至 4400r/ min , EGR 率仅 3 %左右 ,采用中央进气方式就将发动机 NO 排放浓度降低了60 % ,见图 5。但是采用中央进气的 EGR ,对发动机的其它性能影响也很大 ,
13、功率下降幅度高达 718 % ,燃油消耗率增加 5 %。相比之下 ,单侧进气方式虽然在减少 NOx 排放上略低于中央进气 ,但可以采用较大的 EGR 率。试验结果显示 ,直到 EGR 率高达6 %时 ,单侧进气对发动机功率和比燃油消耗影响仍然可以不计 ,同时将 NO 排放浓度降低幅度高达76 %。另外 ,单侧进气还显示出可以增大 EGR 率以进一步降低 NO 排放浓度潜力。当把发动机转速提高到 5000r/ min 时 ,两种不同进气方式对发动机综合性能的影响与上述情况类似 ,见图 6。图 5 节气门开度 60 %、 n = 4400r/ min 时发动机性能图 6 节气门开度 60 %、 n
14、 = 5000r/ min 时发动机性能综合两种不同的 EGR 进气方式 ,与中央进气相比 ,单侧进气在降低 NO 排放同样幅度的前提下 ,可以得到更优的发动机综合性能。值得注意的是 ,在研究所采用的发动机负荷范围内 ,不论发动机处于何种负荷或转速下 ,降低同样的 NOx 排放幅度 ,单侧进气对发动机动力性和燃油经济性的影响都比中央进气的要小。而且发动机转速越高 ,这种现象越明显。可见 ,单侧进气的 EGR 在降低 NOx 排放的同时 ,对于兼顾发动机的综合性能方面要具有较大的优势。4 试验结果分析由以上试验结果可以看出 ,不论采用何种方式进气 ,伴随着 EGR 增高、 NOx 排放几乎呈线性
15、下降 ;在 EGR 率不高时还会对发动机的经济性、动力性带来一定的改善 ;当 EGR 率超过一定范围后 ,NOx 排放仍然会继续降低 ,但发动机动力性和经济性开始恶化。出现上述现象的原因是 :发动机部分负荷下采用 EGR ,进入气缸的废气会抵消一部分泵吸功损失 ,相应提高了发动机机械效率 ;废气所具有的热量部分在此得到回收 ,因而 ,发动机的动力性和经济性会从 EGR 开始后有一定的改善 ,进入过多的废气将影响混合气着火并延缓燃烧速度 ,从而增加了发动机散热 ,降低了经济性和动力性。所以一般汽油机的 EGR 率限制在 5 % 10 % 7 。废气进气方式对发动机性能的影响主要表现在减少 NOx
16、 排放的同时 ,对发动机的综合性能影响上的不同。单侧进气 EGR 对发动机动力性和燃油经济性的影响明显优于中央进气方式 ,其原因可能是由发动机结构所产生的特定气流运动所造成的。 4气门、棚顶型燃烧室发动机缸内的气流运动结果已经表明 ,这种结构形式的发动机在进气过程中可以获得稳定的进气滚流 ,并且该滚流可以持续到接近上止点时才会出现破碎 8 。因此 ,当废气由单侧气门沿气缸壁面随新鲜混合气一起进入气缸时 ,由于缸内滚流的动力作用 ,即便因废气和新鲜混合气的不同密度会发生一定程度的扩散和掺混 ,但仍会存在废气和新鲜混合气在浓度上的分层 3 ,即靠近气缸壁面为较浓的废气 ,余下的为新鲜混合气。由于试验发动机的火花塞是位于气缸中心的 ,单侧进气方式保证了火花塞周围主要是适合点火
