1、 PDF外文：http:/ 9600字 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（ R
2、OHR），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
3、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（ 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
4、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： 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 3 5。 A. Maiboom 等等 / 能源 33 (2008) 2234 &n
5、bsp; 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
6、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，进气温度会随着 EGR 率的增加而增加，这样一来就降低了进气
7、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）。当保持一个恒定的空燃比时，也就是
8、说恒定的命名法 AFRst： 化学计量空燃比 AMF:空气质量流量， kg/h FMF:燃料质量流量， kg/h FSN:过滤微粒含量 MNO2 :NO2 的摩尔质量， g/mol NOx (ppm)：氮氧化物排放量（百万分之一） NOx (g/h)： 氮氧化物排放量（克 /小时） XEGR ： EGR 率 , % Qexha
9、ust： 废气流量 (非冷凝 ), m3/h Qexhaust_dry： 废气流量 (干燥 ), m3/h XCO2 ： CO2 浓度 (体积百分数 , 干燥 ),% P： 压强 , Pa r： 点或延迟期内的燃料注入量 , % Smoke (mg/m3)： 微粒排放 in mg/m3 Smoke (g/h)： 微粒排放 in g/h &n
10、bsp; T ：温度 , K Vm ：摩尔体积 , l/mol ： 过量空气 /燃料系数 rair ： air density, kg/m3 burned_gas ： burned gas density, kg/m3 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
11、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 5,9 12。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（ 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
12、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。另一个叫做在低限量下的柴油机排放（ DEAL）的 LTC 概念由 Istituto Moto
13、ri 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。只是在火焰升距的下游，局部的燃油 -气混
14、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
