废气再循环对米勒循环汽油机性能及颗粒物排放特性的影响.pdf
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1、摘要:为了更好地探究废气再循环技术对汽油机性能及颗粒物排放的影响,在一台单缸热力学汽油机上,通过控制 EGR 率及 EGR 废气温度,进行了发动机性能和排放试验研究。研究表明,随着EGR 率的提高,燃油消耗率降低,发动机热效率提高,发动机点火时刻提前,爆震倾向减小;但大负荷工况,低 EGR 率会增大发动机的爆震倾向,导致燃油消耗率升高。试验所选负荷工况,当 EGR 率提高至 17%时,燃油消耗率降低约 5.6%。小负荷工况,随着 EGR 率的提高,颗粒物数量排放峰值升高。大负荷工况,随着 EGR 率的提高,核膜态颗粒物排放峰值降低,积聚态颗粒物排放峰值升高。各工况下,EGR 废气温度对颗粒物数
2、量排放的影响相对不明显。关键词:废气再循环燃油消耗率颗粒物排放热效率中图分类号:TK417文献标识码:A文章编号:2095-8234(2023)04-0010-05Effects of Exhaust Gas Recirculation on Performance andParticulate Emission Characteristics of Miller CycleGasoline EngineLI Genkun;LI Yunhong;YU Shibo;ZHANG Cheng;MO Dezhi;YANG KewenGAC Automotive Research&Development
3、 Center(Guangzhou,Guangdong,511434,China)Abstract:In order to better explore the effects of exhaust gas recirculation technology on gasoline engineperformance and particulate matter emission,the engine performance and emission tests were carried outon a single cylinder thermodynamic gasoline engine
4、by controlling EGR rate and EGR exhaust gas tem原perature.The results show that with the increase of EGR rate,the fuel consumption rate is reduced,theengine thermal efficiency is improved,the engine ignition time is advanced,and the knock tendency isreduced.However,under heavy load conditions,low EGR
5、 rate will increase the knock tendency of the en原gine,resulting in increased fuel consumption.Under the selected load conditions,when the EGR rate in原creases to 17%,the fuel consumption rate decreases by 5.6%.Under small load condition,with the in原crease of EGR rate,the emission peak of particulate
6、matter increased.Under heavy load conditions,withthe increase of EGR rate,the peak value of nuclear membrane particulate emissions decreased,while thepeak value of aggregated particulate emissions increased.The influence of EGR exhaust gas temperatureon the quantity of particulate matter emission is
7、 relatively insignificant.Keywords:EGR;Fuel consumption rate;Particulate emission;Thermal efficiency作者简介:李艮坤(1993-),男,本科,主要研究方向为高效发动机燃烧系统试验开发。废气再循环对米勒循环汽油机性能及颗粒物排放特性的影响李艮坤李云虹于士博章成莫德志杨科文(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院广东广州511434)小 型 内 燃 机 与 车 辆 技 术SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND VEHICLE TECHNIQUE第 52 卷第 4 期
8、圆园23 年 8 月Vol.52 No.4Aug.2023第 4 期引言随着地球环境污染加深及石油资源减少,节能减排成为汽车行业发展的主流1。目前,大部分汽车企业通过发动机排量小型化及提高压缩比来实现节能减排2。与此同时,也面临着排放恶化及爆震倾向加剧等问题。采用废气再循环(EGR)技术,可提高缸内工质的比热容,降低缸内燃烧温度,优化燃烧过程,使燃烧相位得到提前,从而有效地抑制爆震,提高发动机的燃油经济性及热效率3。贾宁等4的试验证明,汽油机采用合适的 EGR 率后发动机爆震发生次数减少。吴达等5从降低缸内燃烧温度及减少泵气损失角度所进行的试验证明,引入 EGR 有助于提高发动机热效率。同时,
9、随着人们对空气质量要求的提高,对大气中悬浮颗粒的危害越发重视。而汽油机尾气是大气环境中颗粒物排放的主要来源6,城市空气中 40%的NOx、60%的 CO 及 70%的 HC 产自汽车发动机尾气排放7。随着排放标准的愈加严格,如何实现发动机燃料更清洁燃烧成为各汽车企业面临的主要问题8。刘鸿淼等9的研究表明,引入 EGR 可显著降低 NOx排放,但进入气缸内的废气不利于降低发动机颗粒物数量排放。潘锁柱等10在直喷汽油机上进行的EGR对发动机燃烧及排放特性研究表明,NOx排放随着EGR 率的提高而降低,但 HC 和 CO 排放随着 EGR率的提高而升高。Thomas Lattimore 等11进行的
10、 EGR 对直喷汽油机颗粒物排放的影响表明,随着 EGR 率的提高,积聚态微粒数量增加而核膜态微粒数量减少。以往的研究在传统奥托循环汽油机领域取得了大量研究成果,但由于米勒循环汽油机通常采用更高的压缩比,需要更高的 EGR 率,使得燃烧及排放与传统奥托循环汽油机产生较大差异。基于以上研究背景,本文针对发动机 EGR 废气温度及 EGR 率对发动机性能及颗粒物排放的影响进行了研究,旨在为米勒循环汽油机 EGR 系统开发提供理论指导。1试验研究平台及试验条件1.1试验装置及试验条件本试验研究采用一台单缸热力学汽油发动机,进气压力采用模拟增压系统进行控制,采用可编程的时序控制模块对喷油时刻、喷油脉宽
11、及点火提前角进行调整。试验用发动机主要技术参数见表 1。单缸热力学汽油发动机带有一套 EGR 废气温度控制系统,再循环废气通过水冷散热器进行散热,EGR 废气出口端温度由 K 型传感器采集并反馈到温度控制模块,温度控制模块根据设定温度目标值控制电动球阀开度,对进入散热器的冷却水流量进行调节,达到控制 EGR 废气温度的目的。测控系统主要包括 AVL PUMA 瞬态测功机、AVL577 油水恒温循环控制单元、AVL 515 进气温度压力控制单元、Scienlab 喷油控制单元、自研 35 MPa燃油控制系统及时序控制单元等。气缸压力采用Kistler 6054BR 气缸压力传感器进行测量;曲轴转
12、角信号由 AVL 365C 角标仪输出;利用 AVL Indicom 系统对燃烧过程气缸压力及曲轴转角信号进行采集,曲轴转角信号采集分辨率为 0.5毅CA,采集过程中对每 50 个循环进行平均以消除误差。排放设备包括:一台 HORIBA MEXA-7100DEGR,用于 CO2浓度测量;一台 Combustion DM500 发动机瞬态颗粒排放分析仪,用于尾气颗粒物测量。DM500 测量粒径的范围为 5nm1滋m,响应时间为 200ms,采集频率为 10Hz。图 1 为试验台架示意图。1.2试验方法试验用发动机的转速为 2 750 r/min,进气温度保持在(30 依 2)益,冷却水温度保持在
13、(65 依 2)益,固定进排气门正时相位,喷油压力控制在 35 MPa,缸内平均指示压力循环变动系数(COV)控制在 3%以内,采用单次喷射。在上述条件下,分别调整喷油量、进气量及点火时刻,使缸内平均有效压力 IMEP=0.7 MPa 及 IMEP=1.05 MPa,并保持空燃比为 14.7。通过 HORIBA MEXA-7100DEGR 分别测量 26 益、36 益 EGR 废气温度下发动机进出口 CO2浓度。基于进排气 CO2浓度计算的 EGR 率为:EGRrate=CO2in-CO2ambCO2exh-CO2amb(1)式中:CO2in为经过再循环废气稀释后进气中的 CO2体积分数;CO
14、2exh为排气中的 CO2体积分数;CO2amb为大气环境中的 CO2体积分数。在不同 EGR 率下对发动机测量参数、燃油消耗率及排放颗粒物进行测量记录。AI50 定义为发动机表 1试验用发动机主要技术参数项目参数型式单缸、四冲程缸径/mm79行程/mm102排量/L0.5压缩比12.48 颐 1喷油方式缸内直喷燃油供给系统35 MPa 高压供油系统李艮坤等:废气再循环对米勒循环汽油机性能及颗粒物排放特性的影响11小型内燃机与车辆技术第 52 卷燃料燃烧时产生 50%放热量所对应的曲轴转角,毅CA;燃烧持续期(AI10AI90)定义为燃料燃烧时产生 10%90%放热量所对应的曲轴转角,毅CA。
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