1、对于直喷式柴油发动机汽车尾气排放的EGR系统的各种影响对于直喷式柴油发动机汽车尾气排放的EGR系统的各种影响内燃发动机工作队，流体力学实验室，UMR6598法国国家科学研究中心，巴黎高等Centrale南特，英国石油公司92101，44321南特Cedex3，法国发表于07年3月16日摘要冷却废气再循环（EGR）是一种控制缸内NOx的产生的常用方法并使用于现代的高速直接喷射（HSDI）柴油发动机上。然而废气再循环对燃烧和排放有不同的影响，而且这些影响机理是很难分辨的（进气温度的升高，放热率的降低（ROHR），峰值热量释放的降低，氧浓度的降低（空燃比的降低）以及火焰温度降低，火焰举升长度的增加等
2、等），从而导致EGR对NOx和微粒物（PM）排放的影响不能被完全了解，尤其是在高EGR率下。进行了一项基于2.0升HSDI汽车柴油发动机在低负荷和部分负荷条件运行的实验研究已经进行，它用来分析和量化EGR对燃烧和NOx/ PM排放的影响。伴随EGR系统的进气温度对燃烧和排放有相反的影响作用，因而有时给出了与传统意义上的研究相反的趋势，例如，随着入口温度升高氮氧化物的减少。对于一个理论扩散燃烧，当改变缸周围气体特性（温度或废气再循环率）且空燃比一定时放热率是不变的。在低负荷条件下，在一定增压压力的情况下使用高EGR率是一种大幅度降低NOx和PM排放量的方式，不过也增加了有效燃油消耗以及其它排放物
3、（CO和烃类），然而在一定空燃比下的EGR可能大幅度降低氮氧化物排放而不至于对有效燃油消耗和微粒排放量带来很大的损失，但会受到被涡轮增压系统的限制。关键词:柴油发动机; 废气再循环; 燃烧; 放热; 尾气排放1. 引言将来的排放法规像欧V以及可能出台的欧VI将促使柴油发动机制造商大幅降低氮氧化物和颗粒物（PM）排放量。虽然后处理设备将肯定回有巨大的进步，未来新的缸内策略正在相继出现从而降低NOx和PM排放。外部废气再循环技术是一个普遍的降低氮氧化物排放的缸内策略，特别是用于现代的缸内直喷汽车柴油发动机，它还提供了降低燃烧温度的可能1,2。伴随高EGR率的氮氧化物排放的降低是收多方面因素影响的：
4、传热学因素: 由于与氧气和氮气相比循环二氧化碳和水的比热容较高，这导致进口热容量的增加从而是燃烧过程中的气体温度较低，这种情况在较低的火焰温度下更明显35。A.Maiboom 等等 / 能源33 (2008) 223稀释效应：近期中央其浓度的下降主要导致了燃料与洋气的混合速率，继而导致燃料在火焰区扩散。这样一来，吸收热损失的气体数量增加，导致了较低的点火温度3,4。因此稀释效应的一个后果就是局部温度的下降，而这也可以被看作是传热学效应（“局部”传热学效应）.另一个稀释效应的影响就是减少了氧气分压及其对NO生成的基本动力学反应的效果。化学效应：循环水蒸汽和二氧化碳在燃烧过程中被分离，从而缓和了燃
5、烧过程和 NOX的排放。特别的是，对于H2O的吸收分解导致了火焰温度的下降3,4。有EGR的情况下增加微粒生成会导致火焰辐射的增加，从而使火焰温度下降。6,7有EGR情况下点或延迟率的增高通常能被观测到8，这样一来燃烧过程的预混合部分就更长了；没有EGR可能会增加氮氧化物排放7，但是在有EGR的情况下在预混合峰值时的热损失效率（放热率）更低，这样一来则降低了氮氧化物排放6。更普遍的是，所有的燃烧过程会被点或延迟稀空气、预混合燃烧、扩散和后扩散燃烧延迟。其结果就是整个燃烧过程会被转移到做功冲程中从而降低燃烧温度4。另一方面，虽然现代汽车柴油发动机都装配了一个EGR冷却器，在与循环气体混合后，进气
6、温度会随着EGR率的增加而增加，这样一来就降低了进气密度（在一定的增压压力下）和缸内工质质量（热节流）。尽管它会被上述列出的其他EGR影响补偿，这个温度的增加仍会导致氮氧化物排放的增加。这些在进气阀关闭相位时EGR对于近期条件的不同影响（温度、热容量等等）以及整个燃烧过程使得对EGR的了解控制尤其困难。然而只有一些韩就试图孤立这些多重影响。Ladommatos等人3,4,9已经成功隔离了二氧化碳和水蒸气（EGR系统的两个主要组分）在对燃烧过程的整体研究（排出发动机的氮氧化物作为进气阀关闭相位时二氧化碳和水蒸气的函数）中的前三个影响因素，这表明了稀释效应是最显著的一个因素（在一定的增压压力下）。
7、当保持一个恒定的空燃比时，也就是说恒定的新鲜空气流时，热效应通过降低火焰温度成为最主要的因素（在进气阀关闭相位升高的气体质量和因此更高的进气热容量）9。在第二个“EGR策略”下，氮氧化物排放的只是减少了一点点，然而传统观测对于EGR作用在微粒排放和刹车比油耗的消极影响有相当的减少5,912。通过使用详细多区燃烧模型，Kouremenos等人发现，与在一定增压压力下工作的EGR相比，当局部更高时，在一定空燃比下，有EGR的空气燃料比分布与没有EGR系统的相似10。此外，基于EGR应用基础上的新的燃烧概念已经在研究并用于大幅度减少氮氧化物排放和颗粒物排放，例如同质压燃（HCCI）或者低温燃烧技术（
8、LTC）。后者存在于大量的EGR应用中。，这个新的燃烧概念首次由Akihama和他的同事们通过所谓的“无烟富柴油燃烧”获得的高EGR率这一手段发现13，这一手段就是即使在富氧条件下，对微粒的抑制是通过使燃烧温度低于形成微粒所需温度而实现的。在他们调整动力学燃烧概念中，Kimura和他的同事们14通过LTC 和预混合燃烧的同时应用成功地降低了氮氧化物和微粒的排放且避免了燃油消耗的增加。调整动力学燃烧这一概念应用于在高EGR率下降低氧浓度（为了减少氮氧化物排放）、延长点火延迟期以及促进注入燃料的分散以完成预混合（近似于HCCI，但不全是同质的，并且燃烧过程由燃油喷射来控制）等方面。另一个叫做在低限
9、量下的柴油机排放（DEAL）的LTC概念由Istituto Motori 15获得了专利。它大量应用于EGR系统和先进的喷油定时从而实现部分预混合燃烧；它可以被看作是MK概念和无烟富柴油燃烧概念之间的中间概念。为了更好的了解在火焰传播中缸内气体浓度的降低以及当EGR用于减少氮氧化物排放时的燃烧过程所产生的影响，Siebers和其同事 16,17已经研究了通过装在一个静态定容燃烧柴油机的单孔共轨燃油喷射器产生的典型直喷柴油喷射过程。通过使燃油和空气的混合上游的剥离长度（也就是说燃烧过程之前的任何过程），它们表明了在燃油喷射中火焰上升的位置在燃烧过程和排放过程起到了十分重要的作用。只是在火焰升距的
10、下游，局部的燃油-气混合物的预混合实在一个预燃烧过程中进行的，这一过程产生了十分显著的局部放热和能为喷射周边火焰扩散称为助力的富燃油-气混合物。微粒的形成被看做在火焰升距的等效空燃比；当空燃比近似低于2时不会有微粒产生17。另外一个重要的结果是这样的：火焰升距与环境气体氧浓度成反比。所以，当环境空气氧浓度降低的时候，包含于火焰升距喷射流的气体总量增加了，这不唱了氧浓度的减少，这样一来包含于与混合物中的氧气总量不会改变16。这些结论促使笔者得出一个新的LTC概念，就是所谓的“无微粒生成”，“低火焰温度多重控制燃烧过程” 17，它应用于在火焰升距（归功于很小的喷油嘴）和在高EGR率下大量降低燃烧温
11、度之前的油气混合。最后，调查报告展示了关于EGR在典型汽车柴油发动机的氮氧化物/微粒排放方面的多种影响的整体研究，不过缺失了缸内过程的信息。从另一方面来讲，基于定容燃烧内燃机的局部研究给出了关于燃油喷射扩散和燃烧过程的很有趣的结论，不过这些结论并未在真正的内燃机上得到验证。这个研究的目的是区分并量化EGR（进气温度的增加，放热率的延迟以及空燃比的降低）对于燃烧过程以及在典型现代高速直喷汽车发动机、低或部分负荷条件是预混合且多重控制燃烧过程下氮氧化物/微粒排放的影响。2. 实验装置及程序2.1发动机简介研究在保持其他参数保持恒定时单一参数变化影响的更简单的办法是在单缸独立系统下进行测试从而得到E
12、GR率、进气温度、空气和燃油流量。同时，这也忽略了实际发动机的损失：例如，使用涡轮增压时基于排气管处可用功的升压。我们研究的最终目的是找出控制氮氧化物和微粒排放的缸内策略从而应对未来的排放标准，因而我们选择在经过有限修改的标准发动机下进行试验。图1.发动机配置 实验选用的发动机是一台2.0升恒中等-漩涡、水冷高速直喷柴油发动机，它还配备了冷却EGR循环以及一个可变几何涡轮增压器和一个内部冷却器。发动机规格由表一给出。实验是为了在低或部分负荷下的多种操作条件而进行的，例如旨在轻型车、混合控制以及预混合燃烧过程（在主喷射之前有或没有喷射点）的欧洲排放循环测试由四个乘试驾是循环和一个附加城市驾驶循环
13、组成。这里展示了两个。相应的发动机转速、油道压力、主要喷射量，主要起始燃油喷射量，背压和近似平均有效压力由表二给出。对于每一个，注入量是恒定的，这样近似平均有效压力不会因为测试导致的修改而发生太大的变化（进气温的和背压以及EGR率）废气再循环电路已经被修改：在EGR冷却器上的一个独立水循环是用来控制再循环气体温度Tegr的。他 用来使气体保持在120以上的温度从而避免水蒸气的凝结。一个带有EGR混合器的经过修改的EGR电路被用来保证空气和再循环气体能够完美的混合，从而保证缸缸之间的低扩散。EGR混合气经过冷却之后被导入主入口切管，这样就产生了一个涡流（见图2）。对于不同的汽缸，混合器被测试且被
14、规定分散在不到10%的程度。平均EGR率定义如下： （1）这里XCO2_inlet和XCO2_exhaust是由进气和排气歧管的CO2浓度分别测量的。两个发动机参数是用来控制EGR率和新鲜空气流的：EGR阀控制EGR流可变几何涡轮增压器的角度同时调整EGR流和新鲜空气流：当EGR阀关闭且可变几何涡轮增压器也关闭时，增压器加速，这样就增加了背压P2和新鲜空气流。当EGR阀开启（部分或全部）且可变几何涡轮增压器关闭时，排气歧管处压力P3，增加，这样就增加了EGR流，但普遍上背压是一定的（也就是说新鲜空气流的减少）。这样，当增加EGR率时想要保持空燃比的恒定是相当困难的。 进气温度T2是分别控制的，
15、独立于EGR率，在与EGR系统混合后受控制的进气温度T2。2.2排放控制措施 NOX排放物是由生态理化学发光检测器、 700EL气体分析仪测量者，他运用了化学发光检测器的方法。氮氧化物排放从ppm转化为g/h： (2)这里的MMO2=46.005g/mol，Vm=22.411/mol，处于标准温度和压力下。在排气歧管的微粒使用一个AVL 415S烟度计来测量的。微粒过滤量和微粒排放量之间的关系由烟度计操作手册用mg/m3计量给出，并如下：Smoke(mg/m3)= (3)微粒排放用g/h计量则由下式给出Smoke(g/h)10-3 Smoke(mg/m3)Qexhaust （4）由于对所有测量
16、控制条件来说理论空气盈余值都超过1，尾气是由燃烧过的气体和未消耗空气组成。这样，非凝结的尾气流Qexhaust由下式给出：Qexhaust=FMF （5）这里的AFRst=14.4，且是理论空燃比，是理论混合物的已燃气体密度，是空气密度，是过量空气系数。；相似地，干燥的排气流由下式给出Qexhaust_dry=FMF , (6)其中是一公斤未凝结尾气中干燥尾气的质量（相当于燃烧0.924千克柴油）。过量空气系数由空气质量流量AMF和燃油质量流量FMF求得：= (7)进排尾气中CO2浓度是由西门子ULTRAMAT23气体分析仪测量的，这个分析仪采用了非分散红外（恩蒂尔）测量技术。每一个气体分析仪
17、在特定气体标准下每4小时标定一次。如果要求的变化范围小于0.3%，那经过校准的实验就得到了验证。图2.EGR混合器的轴向剖面（关于进气道）表1 测试发动机的规格型号可变几何涡轮增压，内冷却缸径冲程（mm）8588压缩比18:1缸数4每缸气门数4燃烧室型号碗型喷油系统共轨 压电式 2秒一循环喷油嘴个数6喷嘴直径（mm）0.150最大喷射压力（bar）1600燃料类型柴油表2 控制点：转速和平均有效压力控制点发动机转速轨道压力测点量主要量SOIP(A)SOIm(A)P2（bar）近似平均有效压力（bar）1w pilot16708701.522.5352.0365.81.1881w/o pilot
18、16708700.024.0352.0365.81.1882w pilot18707501.214.8353.5365.81.1252w/o pilot18707500.016.0353.5365.81.1252.3对于平均总热损失率的评估（放热率） 平均总放热率是通过对每一个操作条件在实验室中设置计算程序而获得的。计算程序传统上基于缸内压力，压力是通过一个Kistler6055BB压电压力传感器和一个分辨率0.361CA的编码器测得的。所用的缸内压力是连续25次测量的平均值。实际上，及时对大多周期对周期分散操作条件下的测试，放热率的最大变异系数要小于7%。这样一来基于总放热率的平均放热率误差
19、要小于3%。必须要强调的是，平均放热率没有给出组中的周期对周期分散的迹象。通过霍恩贝格模型计算到燃烧室壁的热传递从而在净放热率提取总放热率18。2.4在点火延迟期注入燃料百分比的评估 为了描述氮氧化物和微粒排放，了解在预混合相中燃烧的以及在扩散相中燃烧的燃油百分比是有帮助的。实际上，直接测量这个百分比是不可能的。这样，点火延迟期内的燃油注入量百分比 r 是在每一个测试的操作条件下计算出来的。喷射速率为每一个控制点提供每一刻注入燃料比例的瞬间值。当燃烧加速（放热率的差分，用W/s来计量）达到任意固定在2108W/s这样一个临界值时，点或延迟就应该结束了。括号内给出的在燃烧过程初始的注入燃料的比例
20、是每个实验的操作条件放热率运行状态图。必须要强调的是在点或延迟去部分注入的燃料没有与空气混合而且它也不会参与预混合燃烧过程。这样一来，比例 r 被认为是在预混合状态下的燃料百分比的上限。2.5误差分析 表3总结了包含在实验中各种参数的测量技术、校准范围、精确度和各种仪表的相对误差。实验误差主要来源于仪表条件、校准、环境、观测手段、读书以及测试手段。实验的精度必须通过误差分析进行验证。这里选用基于泰勒定理的误差扩散的差分方法来验证。它给出了最大误差 u 的函数如下： （8）这样一来，XEGR,NOx（g/h），Smoke（g/h），Qexhaust以及分别是1.4%，1.5%，2.3%，1.1%
21、和1.05%。对于后面给出的每一条曲线，Y轴以百分比形式给出；对于每一个发动机参数的绘制，会有一个值被设为100%并且在所有操作条件下保持恒定。表3 相对测量误差仪表校准范围精确度相对误差（%）进气温度T2（K型热电偶）0100010.75进气压力（2巴压阻式传感器相对压力床改期HCX工艺）02 巴5mbar0.25空气质量流量（热线空气流量计）01000mg/stroke5mg/stroke1燃料消耗（AVL的皮尔堡PLU121/401）0.0523kg/h37g/h0.16氮氧化物（生物物理测试仪 700EL）01000ppm5ppm1微粒（AVL 415S）010FSN0.1FSN2进排
22、气CO2（西门子ULTRAMAT 23）020%0.1%1缸内压力（Kistler 6055BB）0100bar0.5bar1图3 不同进气温度T2下的放热率和缸内压力，第一控制点，恒定背压P2,试点0%EGR 图4 不同进气温度T2下的放热率和缸内压力，第一控制点，恒定背压P2,试点15.5%EGR图5 不同进气温度T2下的放热率和缸内压力，第一控制点，恒定空燃比,试点0%EGR图6 不同进气温度T2下的放热率和缸内压力，第一控制点，恒定空燃比,试点15.5%EGR图7 不同进气温度T2下氮氧化物和微粒排放，第一控制点， 0%EGR图8 不同进气温度T2下氮氧化物和微粒排放，第一控制点， 1
23、5.5%EGR3. 在恒定EGR率下进气温度的影响 被测的EGR系统的第一个影响是进气温度的变化。实际上，当EGR率升高时，进气在进入EGR系统后温度会升高，因为再循环气体通常在超过100时被冷却以防止由于水凝结造成对EGR冷却器和进气阀的服饰。进气温度、氧气量和热容量的增加板粟了缸内工质质量（热节流效应）的减少，为了孤立由EGR产生的稀释效应对于进气温度的影响，要在保持EGR率恒定的情况下分别调整进气温度。对于第一个控制点，在多重控制以及预混合燃烧且在恒定背压P2及恒定空燃比情况下，0%和15.5%的EGR是低的。在进气温度T2升高时，通过关闭可变截面几何增压器来增加背压P2继而获得恒定的空
24、燃比。（图3-8在15.5%EGR下，由于可变截面几何增压器完全关闭，在超过45下保持恒定的空燃比是不可能的）3.1在燃烧过程中进气温度的影响放热率曲线和缸内压力曲线由图36给出。必须强调的是对于每一个注射点的第一控制点，燃烧过程是一个只有一点点预混合部分的准静态多重控制。相反，要是没有注射点，燃烧过程是准静态预混合。两种状态时能区分的：3.11扩散燃烧 对于一个准静态扩散燃烧过程，在恒定背压下进气温度升高是因为放热率的轻微下降，这是由于缸内气体密度下降造成的。（见图3）。实际上，对于一个扩散燃烧过程，燃烧速率是由空气与燃油之间的混合过程决定的。当保持喷射参数时，喷射的燃油回携带相同体积周围的
25、空气。事实上，在恒定背压下，喷射的燃油在缸内气体密度下降时会携带更少的新鲜空气，这会导致更低的氧燃油混合以及更低的放热率。在恒定空燃比下，压缩行程末端的环境空气压力及温度会因此有小幅升高，这样就缩短了点火延迟期、部分燃烧的预混合部分以及压缩行程的预混合部分的放热率分布。（见图5）.在0%以及15.5%放热率时会观测到同样的趋势。必须强调的是，当研究放热率的微小变化是需要特别关注（举例见图3）。实际上，一些微小的变化可以归咎于并未考虑到放热率计算，尤其是用于从净放热率得到总放热率的热传递模型中的计算。3.12预混合燃烧过程 对于一个预混合燃烧过程，在恒定背压以及恒定空燃比的条件下，进气温度的增加
26、会导致点火延迟期的大幅缩短（分别见图4-6）。这样，燃烧过程更早地产生于循环中缸内压力及环境气体温度更高的时刻，这就导致更高的燃烧速率以及放热率峰值。这是因为一个预混合燃烧过程是动态控制的。在0%和15.5%EGR时可以观测到相同的趋势。3.2氮氧化物及微粒排放对于进气温度的影响 在0%和15.5%EGR时对氮氧化物以及微粒排放相应的影响由图7和8分别给出。首先可以注意到，在没有喷油时，对于一个给定的进气温度，氮氧化物排放更高而微粒排放更低。没有喷油时，主要燃烧过程是预混合燃烧并且形成于点火延迟期的混合物平均等价空燃比由于微粒存在一定很低，这就解释了为什么在测试的发动机的预混合燃烧过程中微粒排
27、放很低。Musculus解释说，相应的EGR率高导致了更高的局部温度，这样就促使了氮氧化物的形成7。3.21扩散燃烧过程对于一个准静态多重控制燃烧过程，在0%EGR率下进气温度的升高导致了微粒排放的增加，不过它对氮氧化物排放的影响很小，无论在恒定背压下还是恒定空燃比下，这很可能是由对立的影响造成的：一方面降低放热率，另一方面升高局部温度。Musculus解释说，在15.5%的EGR率时，伴随着进气温度的升高的预混合期缩短相比于在0%EGR率时更重要，这样就减少了氮氧化物排放。3.22预混合燃烧过程对于一个准静态预混合燃烧过程，伴随进气温度升高而缩短的点火延迟期导致了在SOC处产生更浓的空气-燃
28、料混合物，因为供给注入燃料与周围空气混合的时间更少了。以前的说法是，放热率也很高，这就导致局部温度的升高。对于这两个参数的调整会对氮氧化物和微粒生成有相反的影响：传统意义上更高的燃烧温度会导致更高的氮氧化物排放（因为更高的火焰温度回促使氮氧化物生成20,21）和更低的微粒排放（由于更高的微粒氧化速率），燃烧越充分则相反的影响越明显。对于再次研究的控制点，第二个影响更显著，这就导致无论在恒定背压还是恒定空燃比下，即使燃烧温度很高，仍会产生更低的氮氧化物排放和更高的微粒排放。没有试点在恒定空燃比，对于0%和15.5%EGR，相比于恒定背压条件会产生稍少的氮氧化物排放。4.在恒定进气温度下EGR系统
29、的影响 在第一和第二控制点EGR在燃烧过程中，在恒定背压以及恒定空燃比条件下，对于氮氧化物排放和微粒排放的影响：见图9-16.对于第一控制点，多重控制以及预混合燃烧两个过程都经过研究。进气温度保持恒定。对于第二控制点，当EGR率升高时，保持进气温度的恒定是不可能的。这样，就有两个进气温度值：中等EGR率时是33，更高EGR率时是53。4.1EGR率对于燃烧过程的影响放热率曲线以及缸内压力线由图9-13给出。四个例子能清晰看出：在恒定背压或者恒定空燃比下的扩散或者预混合燃烧过程。4.11扩散燃烧过程4.11.1.恒定背压。对于一个在恒定背压的准静态多重控制燃烧过程（见图9-10），EGR率升高的
30、结果就是点火延迟期的升高。这样预混合燃烧部分就更重要了，这导致对于第一控制点，相比于0%EGR率，19.6%EGR率时的放热率峰值更高。在第二控制点，对于从0%到20%变化的EGR率来说预混合燃烧过程的峰值仅仅稍稍升高，并且稍后会因为冷却效应的深入而下降，在SOC处产生的油气混合物温度会更低，这样就降低了相应的放热率峰值。 图9 对于不同EGR率的放热率和缸内压力，第一控制点，恒定背压，有试点 图10 对于不同EGR率的放热率和缸内压力，第二控制点，恒定背压，有试点图11 对于不同EGR率的放热率和缸内压力，第一控制点，恒定背压，无试点 图12 对于不同EGR率的放热率和缸内压力，第二控制点，
31、恒定背压，有试点图13 对于不同EGR率的放热率和缸内压力，第一控制点，恒定背压，无试点 图14 对于不同EGR率的放热率和缸内压力，第一控制点 图15 对于不同EGR率的放热率和缸内压力，第二控制点 图16 氮氧化物与微粒的权衡4.11.2恒定空燃比。 对于一个在恒定空燃比下的准静态纯粹多重控制燃烧过程，当EGR率升高时导致的背压的升高会引起点火延迟期的缩短，这样一来就会稍稍缩短预混合部分。扩散燃烧部分的放热率四惠不随EGR率的变化而变化。实际上，根据更早的解释，当保持喷射参数时，喷射的燃油会携带相同体积的周围气体（空气和EGR循环气）19。事实上，在恒定背压下，喷射燃油会随着升高的EGR率携带更少的新鲜空气，这就导致更低的氧气燃油混合量以及更低的放热率。另一方面
