早在20世纪80年代就有大量学者针对天然气、汽油、醇类及混合燃料等的稀燃特性进行了研究^{[1, 2, 3, 4]}, 获得了许多有益的结论。然而, 当采用稀燃技术时, 由于传统三效催化转化器对NO_x排放的处理效率非常低, 使得稀燃发动机难于满足日益严格的排放法规。因此, 如何降低稀燃发动机NO_x排放已成为众多学者和发动机制造厂商必须攻克的难题。

目前, 降低稀燃点燃式发动机NO_x排放的技术策略主要有两种:一种是采用选择性催化还原转换器(SCR)或吸附还原催化转化器等新型后处理设备; 另一种是通过机内净化措施直接在缸内抑制NO_x的生成。对于后处理技术路线, 虽然发动机能同时获得较好的燃油经济性和较低的NO_x排放, 但在其实际推广过程中会受到技术成熟度、复杂性及成本等因素的影响和制约。通过机内直接净化NO_x排放一直是许多学者关注的焦点^{[5, 6]}, 然而, 借鉴前人的研究能够发现:采用机内净化时发动机燃油消耗率(be)与NO_x排放之间往往存在“ 此消彼长” 的关系, 为获得较低的NO_x排放, 通常要以牺牲燃油经济性为代价。

推迟点火、增加EGR及采用过稀混合气是3种降低稀燃发动机NO_x排放的常见措施^{[7, 8, 9]}, 研究这3种措施对稀燃发动机燃烧过程和性能的影响, 有助于获得更佳的“ be-NO_x” 折中控制策略。甲醇是含氧燃料, 具有火焰传播速度快、空气及废气稀释容忍度大等众多优点, 使得机内净化NO_x排放具有更大的潜力, 然而, 遗憾的是在当前的文献中鲜有相关方面的研究和报道。因此, 本文在一台基于柴油机改装的高压缩比甲醇发动机上开展了低负荷稀燃工况推迟点火、增加EGR及采用过稀混合气3种策略降低NO_x排放的研究, 以期为改善甲醇发动机在低负荷时“ be-NO_x” 变化关系提供一定的数据参考。

图2为NO_x排放随过量空气系数、点火正时及EGR率的变化情况。由图可见, 随着点火正时推迟和过量空气系数、EGR率增大, NO_x排放均呈现显著减小趋势。由泽尔多维奇NO_x生成理论可知, NO_x的生成主要受缸内氧浓度, 燃烧温度和燃气在高温、富氧环境中的停留时间3个因素的影响。当过量空气系数增加时, 虽然缸内的氧浓度较高, 但是由于混合气热容增加, 会使缸内温度下降; 推迟点火时, 缸内的燃烧过程推后, 燃烧等容性变差, 缸内温度及高温持续时间均会有所降低; 当废气回流量增加时, 一方面会使缸内的氧浓度下降, 另一方面也会使缸内混合气热容增大, 燃烧温度也会降低, 故而上述3种方式均能有效抑制NO_x的生成。同时, 从图中还可以看到, 相对而言, EGR和过稀混合气策略可获得更低的NO_x排放结果, NO_x排放分别降低至0.27 g/(kW· h)和0.21 g/(kW· h), 具有满足更为严格排放标准的潜力。对于推迟点火策略, 当NO_x排放降低至0.6 g/(kW· h)后, 如果进一步推迟点火正时将会引起发动机的严重失稳。

图2

Fig.2

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	图2 NOx排放随点火正时、EGR率及过量空气系数的变化Fig.2 Effects of ignition timing, EGR and excess air coefficient on NOx emission

图3为推迟点火、EGR及过稀混合气3种策略下NO_x排放与燃烧始点和燃烧重心的变化关系。由图可见, 随着NO_x排放的减小, 燃烧始点和重心均有所推迟, 这意味着降低NO_x排放对于这3种策略在一定程度上均会以燃烧滞后和恶化为代价。同时, 相同NO_x排放水平下, EGR策略较过稀混合气策略的燃烧滞后程度有所减弱, 也就是说, EGR策略牺牲较小的燃烧性能即可获得较低NO_x排放。这主要是因为EGR策略能从缸内氧浓度和温度两方面对NO_x排放产生影响, 而过稀混合气策略仅能通过温度因素抑制NO_x的生成, 所以需要燃烧过程的进一步推迟和滞后。从图3还可以发现, 相同NO_x排放水平下推迟点火策略的燃烧始点和重心均较过稀混合气策略滞后。

图3

Fig.3

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	图3 推迟点火、EGR及过稀混合气3种策略下燃烧始点和燃烧重心随NOx的变化Fig.3 Variety of CA10 and CA50 as NOx emission under three strategies of retarding ignition timing, EGR and leaner air/fuel mixtures

图4为推迟点火、EGR及过稀混合气3种策略下的NO_x排放与平均指示压力循环变动系数(COV)的关系。由图可见, 3种策略下随着NO_x排放的减小COV均显著升高, 燃烧循环变动恶化。并且, 在相同NO_x排放水平下, 特别是极低NO_x排放区域, EGR策略的循环变动明显较推迟点火和过稀混合气策略有所减小。当NO_x排放为0.6 g/(kW· h)时, EGR策略的循环变动分别较推迟点火和过稀混合气策略大约降低了2%和62%。这主要是因为研究中回流的EGR是未经冷却的热EGR, EGR的引入会使进气温度升高, 对缸内燃烧过程产生了积极作用。并且, 对比推迟点火和过稀混合气两种策略, 在极低NO_x排放区域, 推迟点火策略的COV较过稀混合气策略也有所降低, 过稀混合气策略的循环波动最为严重。综合上述燃烧结果还可以发现, 当NO_x排放降低至0.6 g/(kW· h)左右时, 推迟点火策略并没有出现明显的燃烧滞后和恶化。从燃烧的角度来看, 推迟点火策略也具有进一步降低NO_x排放的潜力, 然而在实际测试过程中点火正时的进一步推迟却会引起发动机的严重失稳。这是因为本研究所用的试验样机是基于一台柴油机改造而成, 其燃烧系统结构与传统点燃式发动机有显著的差异, 不利于初始火焰的形成和发展。

图4

Fig.4

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	图4 推迟点火、EGR及过稀混合气3种策略下COV随NOx排放的变化Fig.4 Variety of COV as NOx emission under three strategies of retarding ignition timing, EGR and leaner air/fuel mixtures

图5为推迟点火、EGR及过稀混合气3种策略下的NO_x排放与HC和CO排放的关系。CO是碳氢燃料燃烧化学反应过程中的重要中间产物, 如果缸内的温度和氧浓度足够高, 且化学反应时间足够长时, 其可进一步被氧化为CO₂。由图5(a)可见, 随着NO_x排放的降低CO基本呈现增加的趋势, 且过稀混合气策略更为明显。当采用过稀混合气策略时, 虽然随着过量空气系数的增加, 缸内的氧气进一步增加, 但是由于混合气热容增加, 缸内温度降低, 不利于CO向CO₂转化。当采用EGR策略时, 由于其温度效应改善了缸内燃烧, 在相同NO_x排放水平下, EGR策略的CO排放较过稀混合气策略有所降低。同时, 从图中还可以看到, 对于推迟点火策略, 随着NO_x排放减小, CO排放呈现先减小后增加的变化趋势, 但是当NO_x极低时, CO排放也会显著恶化。

图5

Fig.5

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	图5 推迟点火、EGR及过稀混合气3种策略下CO和HC排放随NOx排放的变化Fig.5 Variety of CO and HC as NOx emission under three strategies of retarding ignition timing, EGR and leaner air/fuel mixtures

图5(b)为HC随NO_x排放的变化关系。对于均质混合气点燃式发动机, 由于壁面火焰淬熄、狭缝效应等的影响, 使得燃烧过程中在缸内总是存在一定量的未燃及未完全燃烧的HC成分。但是, 错过主燃期的HC并不是完全排出来, 它们还会在膨胀及排气过程中继续氧化。对于过稀混合气和EGR策略, 随着NO_x排放的降低、稀释工质的增加, 缸内温度降低, 使得HC排放增加。与EGR策略相比, 过稀混合气策略导致火焰传播速度更慢, 壁面淬熄更为严重, 所以HC排放更高; 同时EGR策略的温度效应也会使HC排放略有所改善, 所以, 相同NO_x排放水平下, EGR策略的HC排放相对较低。对于推迟点火策略, 由于膨胀和排气过程中缸内的温度升高, 有利于促进未燃HC的后期氧化, 随着NO_x排放的减小, HC排放也呈现减小的变化趋势。但是点火角推迟过多时, 发动机燃烧不完全或者失火, 导致HC排放迅速增加。

图6为推迟点火、EGR及过稀混合气3种策略下的NO_x排放与排气温度的变化关系。排气温度对发动机后处理器转化效率和使用寿命均具有非常重要的影响。即使NO_x排放能够完全在机内实现净化, 但面对严格的排放标准, HC和CO排放仍需考虑采用后处理器进行处理。由图可见, 对于EGR和过稀混合气策略, 随着NO_x排放的降低, 排气温度呈现显著降低的趋势。当NO_x接近零排放时, EGR、过稀混合气策略的排气温度分别较基准点降低了14 ℃和21 ℃, 过稀混合气策略排气温度降低更为显著。然而, 对于推迟点火策略, 随着NO_x排放的降低, 排气温度反而呈现增加的趋势, 这在一定程度上有利于提高样机在低负荷HC和CO后处理器的转化效率。

图6

Fig.6

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	图6 推迟点火、EGR及过稀混合气3种策略下的排气温度与NOx排放的变化关系Fig.6 Variety of exhaust temperature as NOx emission under three strategies of retarding ignition timing, EGR and leaner air/fuel mixtures

图7为推迟点火、EGR及过稀混合气3种策略下的NO_x排放与发动机输出扭矩及甲醇消耗率的关系。由图可见, 随着NO_x排放降低, 发动机输出扭矩均呈现减小趋势, 而甲醇消耗率升高。但是, 对于不同策略, NO_x与发动机输出扭矩和甲醇消耗率之间的折中关系曲线同样存一定差异。EGR策略发动机能获得更好的be-NO_x折中关系。当NO_x接近零排放时, EGR策略的甲醇消耗率分别较推迟点火和过稀混合气策略低27.5%和19.2%。这主要是因为, 一方面EGR对NO_x排放具有极强的抑制作用, 相同NO_x排放水平下, 燃烧过程的滞后和恶化程度相对较弱; 另一方面, EGR的稀释和温度效应对降低发动机泵气损失起到了积极作用, 所以EGR策略是一种较好的实现高压缩比甲醇发动机be-NO_x折中关系的技术策略。

图7

Fig.7

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	图7 推迟点火、EGR及过稀混合气3种策略下发动机输出扭矩及甲醇消耗率与NOx排放的关系Fig.7 Variety of torque and methanol consumption ratio (be)as NOx emission under three strategies of retarding ignition timing, EGR and leaner air/fuel mixtures

从图7中还可看到, 在NO_x排放低于1.5 g/(kW· h)的区域, 对于研究所用样机的be-NO_x折中关系而言, 推迟点火策略是最不理想的选择。然而, 这并不意味着推迟点火策略没有应用前景, 结合CO和HC排放及排气温度图可以发现, 推迟点火策略不仅获得较低的CO和HC排放, 并且还能获得较高的排气温度, 这在一定程度上也有利于样机CO和HC排放物应对严格的排放法规。所以, 从排放角度来看推迟点火策略也具有一定的应用潜力。同时, 对比原机化学计量比燃烧, 即使在NO_x接近1.5 g/(kW· h)排放时, 推迟点火、EGR、过稀混合气3种策略的甲醇经济性仍分别降低了大约13%、12%、和9%。因此, 甲醇燃料具有很好的稀燃特性, 稀燃技术是实现其高效清洁燃烧的一种有效途径。

(1)随着点火正时推迟和过量空气系数、EGR率增大, NO_x排放均呈现显著减小趋势。3种策略均能有效实现NO_x机内净化, NO_x接近零排放。

(2)随着NO_x排放减小, 3种策略的燃烧始点和重心均推迟, 燃烧持续期延长, 循环变动增大。

(3)对于EGR和过稀混合气策略, 随NO_x排放的减小, CO和HC排放增加, 排气温度降低。对于推迟点火策略, 随着NO_x排放减小, HC降低、排气温度升高, 而CO先减小后增加, 仅当NO_x极低时, CO排放才显著恶化。相同NO_x排放水平下, 就HC和CO排放而言, 过稀混合气策略时最高, EGR策略时最低。

(4)EGR策略有相对较佳的be-NO_x折中关系, 在保证甲醇消耗率变化不大的情况下, 可实现NO_x接近零排放。推迟点火策略“ be-NO_x” 折中性能虽较EGR策略降低, 但从减小排放角度也具有一定的应用潜力。