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12 L天然气发动机专用废气再循环系统的性能评价
2020-10-09 20:48:26· 来源：汽车与新动力 作者：闫红梅 吴建营 虞展
美国西南研究院将康明斯ISX12G直列6缸发动机改为专用废气再循环(EGR)配置发动机，并采用D-EGRTM 技术。D-EGR是1种有效进行废气再循环和提高EGR率的方法。将6个气
美国西南研究院将康明斯ISX12G直列6缸发动机改为专用废气再循环(EGR)配置发动机，并采用D-EGRTM 技术。D-EGR是1种有效进行废气再循环和提高EGR率的方法。
将6个气缸中的2个气缸作为专用气缸，与采用15%~20%EGR率的基准发动机相比，可以提供33%的标称EGR率。在专用气缸中加装进气道喷射(PFI)喷油器，以提供再循环废气所需的额外燃料。采用高能双线圈偏置(DCO®)点火系统进行测试。在试验发动机上进行70多个点的测试，以绘制性能图，并与基准发动机进行比较。
初始结果显示，在转速1 270 r/min、缸内压力1.6 MPa工况下的EGR率增加。采用D-EGR技术的发动机与基准发动机相比，制动热效率相对改善4%。在该测试点，DCO系统能够操作的专用气缸当量比可以达到1.4。由A25和B25测试点显示，在该负荷条件下的EGR率大幅增加，发动机性能得到极大改善。在低负荷时，采用D-EGR技术的发动机燃烧持续期约有2%的改善，专用气缸的燃烧当量比提高，其他气缸的运行变得更加稳定。
0 前言
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无论是轻型车还是重型车市场，发动机制造商们都在不断努力，以减少排放并提高发动机的效率。重型柴油机以其高效能在重型车市场上占据主导地位。为了提高发动机燃油效率，用户认可加装昂贵的后处理系统。出于天然气的普遍利用价值和减少温室气体排放的潜力，天然气在重型柴油市场取代柴油燃料的趋势越来越明显。天然气主要由甲烷组成，而甲烷具有较高氢碳比。在没有甲烷泄漏的前提下，与柴油发动机相比，燃烧高氢碳比的燃料所产生的CO2相对较少，从而减少了温室气体的排放。
由于发动机爆燃的限制，与压燃柴油发动机相比，火花点火发动机通常具有较低的制动热效率(BTE)水平。天然气具有较高的抗爆性，燃烧速率比较缓慢，这使得在火焰前锋到达之前，天然气有更多的时间来提高燃烧压力。研究表明，通过改进燃烧相位，特别是对于汽油发动机，采用废气再循环(EGR)可以有效减少爆燃并提高燃烧效率。该策略还可以用于天然气发动机的爆燃抑制，以及控制氮氧化物(NOx)排放。
美国西南研究院已经确定增加EGR水平作为满足未来效率要求的途径之一。由于燃烧速率的降低和发动机在较高EGR率下的不稳定性，EGR率一般限制在20%~30%左右。通过向燃料中加入高活性组分，如H2和CO来重组燃料，燃烧过程显示出更好的稀释耐受性。美国西南研究院通过引入专用D-EGR®概念，将其中1个气缸用作重整器，天然气燃料得到进一步应用。在本研究中，将D-EGR概念应用于重型天然气发动机。初步研究表明，通过提高EGR率和减少爆燃倾向，天然气燃料所带来的潜在燃烧效率得到了改进。目前研究的目标是在基准发动机运行中平均提高10%的发动机燃烧效率。
1 试验装置
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美国西南研究院采用康明斯-西港ISX-12G发动机用于试验D-EGR在重型天然气发动机上的燃烧优势。基准发动机是化学计量发动机，额定功率为238 kW。表1为基准发动机的参数规格。基准发动机采用高压回路冷却EGR和三元催化器，以满足美国2010年道路排放法规。此前，通过对该基准发动机的研究表明，NOx排放量为0.02 g/(hp·h)。研究人员在基准发动机的6个气缸中各安装1个Kistler6045A气缸压力传感器，并使用西南研究院开发的高速数据采集系统进行分析，并将高速压力数据同步到1440°编码器。
表1 康明斯-西港ISX12G 发动机参数规格
在试验过程中，使用Horiba5种气体排气分析仪测量CO2、CO、O2、总碳烃(THC)和NOx，在排气流道或专用气缸中增加了第2个采样口，以确定专用气缸的浓缩程度。此外，装有压缩天然气的挂车为发动机提供燃料。利用微型气相色谱仪对天然气组合物燃料的入口流量进行取样，以确定燃料的能量含量和化学计量的空气燃料比。取样结果为84.2%甲烷、15%乙烷和微量丙烷(以摩尔百分比计)，甲烷值计算为72.7。
2 D-EGR 转换
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先前已经证明在轻型汽油发动机上利用D-EGR技术取得了很大成功。在4缸轻型发动机应用中，将4个气缸中的1个作为专用气缸。从专用气缸中排出的所有废气都作为再循环的废气，标称EGR率的结果是25%。该配置使得专用气缸能够在化学计量比以外的条件下运行，因为该气缸的排气不会影响发动机的排放。试验证明，专用气缸可以用浓混合气运行，以便产生发动机机内的再循环产物，同时达到与基准发动机几乎相同的功率。
对于重型发动机应用，选择2个专用气缸供应33%的标称EGR率。如图1所示，气缸1和气缸6被转换成专用气缸。这些气缸各自装备了宽域氧(UEGO)传感器，用于控制专用气缸中的当量比，并在涡轮增压器中设置热废气氧(HEGO)传感器。在试验过程中，通过EGR冷却器收集来自2个气缸的废气。在EGR冷却器之后，设置2个阀来控制EGR和旁通流。在发动机起动期间，其中1个EGR阀完全关闭，而另1个EGR阀在三元催化器(TWC)之前完全打开通向排气流。图2为发动机EGR阀和混合器的发动机设置图。
图1 6缸重型柴油机应用的D-EGR配置示意图
图2 EGR阀位置和混合器的D-EGR发动机配置
发动机起动后，EGR阀打开，旁通阀关闭，将排气流引至混合器。混合器的作用是确保来自专用气缸的排气脉冲不会导致进气口中的EGR分布不均匀。混合器设计使得内壳容积与外容积之比等于主缸容积与专用气缸容积之比(图3)。从外壳到内壳的孔的总面积等于排气口的总流动面积，以使专用气缸的背压最小化，并允许废气与新鲜充量混合。
图3 D-EGR混合器和示意图及实物
在基准发动机中使用1组天然气喷射器，在进气歧管内控制扩散混合化学计量空燃比，并通过添加PFI喷射器将过量燃料供应到专用气缸。ISX12G发动机有1个带有连体进气口的集成式进气歧管(图4)。气缸1和气缸6是专用气缸，不共用进气流道。此外，气缸1和气缸6还增加了喷射器端口末端的不锈钢延长管，以最大限度地减少进入相邻主缸的反向气流。
进气道喷射(PFI)喷油器延长管和安装位置如图5所示。将燃料供应到主喷射器组件，并以100 psi的供应压力切换到PFI喷射器。试验采用Woodward发动机控制单元(ECU)用于D-EGR模式下的发动机控制。控制器使用发动机出口UEGO传感器为主喷射器组提供闭环控制，并保持化学计量比的发动机排放。控制器允许单独控制2个专用PFI喷射器，单独控制每个气缸的点火正时，以达到燃烧质量比例为50%(CA50)特定燃烧相位的目标。
图4 集成进气歧管和气缸盖
图5 PFI安装位置和专用气缸适配器
本研究使用了美国西南研究院的双线圈偏置(DCO®)点火系统。此外，试验所提供的结果是基于基准涡轮增压器而得出的。对于D-EGR技术的应用，因为通过涡轮增压器的质量流量减少了，因此改用尺寸较小的涡轮来提供增压，以满足原始扭矩曲线。在测试时，没有安装新的涡轮增压器，使用基准涡轮增压器的发动机无法运转到基准最大扭矩点。涡轮增压器前的压力也相对偏高。在未来的试验中可以通过优化涡轮增压器入口压力来提升进气效率。
3 试验结果
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在进行D-EGR技术试验前，使用基准ECU收集数据。基准发动机的测试点超过70个，以生成完整的发动机迈谱图。在这些点中选取连续测试循环(RMC)附加排放测试(SET)的13个测试点，用于DEGR配置比较。这13个测试点及基准性能的最大扭矩和最高功率如表2所示，其中A、B和C是转速设定值，数值为该转速下的扭矩百分比。
基准发动机在最大扭矩点持续运转，选择基准发动机的原有压缩比，使燃烧相位延迟最小，并使发动机在最大扭矩点达到最佳燃烧效率。如图6所示，在CA50相位点的曲轴转角等高线图和BTE 等高线图上可以观察到额定扭矩点的最佳BTE值为37%。在最大制动扭矩(MBT)附近，保持燃烧相位，制动平均有效压力(BMEP)高达1.3 MPa。在BMEP高于1.3 MPa的工况下，将燃烧相位延迟到CA50为16 °CA ATDC，以避免爆燃现象的发生。
表2 基准发动机的性能
图6 基准发动机的制动热效率和燃烧定相
图7示出了基准EGR率的等高线图。EGR是用于减轻发动机爆燃的技术，发展方向是提高混合气稀释水平以满足未来的热效率标准。基准发动机在低负荷(EGR率为10%)和高负荷(EGR率为20%)之间运行，以满足发动机热效率要求。D-EGR发动机在整个工作范围内以33%的EGR运行，这表明在低负荷下需要大幅增加EGR率，而在高负荷下EGR率调整较小。试验所呈现的EGR率仅产生于外部EGR，不包含缸内残余废气。
图7 基准发动机EGR率
4 D-EGR
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该项目的试验目标是验证使用D-EGR技术的基准发动机相对效率可以提高10%。这是轻型汽油发动机在D-EGR技术应用中获得的热效率改进。基准发动机和D-EGR技术转换后的BTE结果比较如图8所示。使用D-EGR技术的运行条件对应于表2中的工况点。因为基准发动机不能用基准涡轮增压器来满足目标扭矩，因此在任何100%负荷点都没有可比较的工况点。
此外，在C点也未进行比较。33%的高EGR率导致燃烧速率减慢，并且需要提前点火正时，在C点最高转速测试点，点火正时必须有所提前。通过燃烧稳定性的表征指标表明，因为指示平均有效压力(IMEP)的变异系数(CoV)太高而不能用于实际生产。因此，C点处的试验结果未在图8中示出。在图8中，来自每个工况点的数据都采集于专用气缸最高富集氧浓度，所有6个气缸的CoV都小于5%。
图8 基准发动机和D-EGR转换的BTE比较
除B75工况点以外，应用D-EGR技术的其他工况点的BTE都有所增加。最大的热效率改善是在A25工况点，相对于基准发动机，BTE 改善了11%。在通常情况下，较低负荷工况下的热效率提高原因是EGR率的增加。在任何给定的负荷百分比下，A点上的热效率增加要比B点的大。在较低发动机转速下，发动机运行更稳定，所以允许更大的富集氧浓度。
A75工况点是基准涡轮增压器可以实现最大扭矩的工况点，并且是在重型天然气发动机D-EGR测试早期开发阶段中证明的最高热效率工况点。A75工况点的EGR 率从15%增加到33%，其中几个关键燃烧指标如图9所示。原始CA50位置为11 °CA ATDC。增加的EGR率降低了爆燃强度，因此燃烧相位能够提前到MBT工况点。
通常，在汽油发动机上，专用气缸的富集氧浓度改善了辛烷值，从而随着富集氧浓度水平的增加而允许更大的CA50提前角。在这种情况下，即使没有通过专用气缸产生富集氧，基准燃烧相位也会处于MBT工况点。试验无法确定专用气缸富集氧浓度是否对燃料的甲烷含量有影响，改进燃烧相位也不能得到更多的益处。因此，可以认为大部分的热效率增益是由于EGR率的增加，降低了燃烧温度并降低了传热损失而获得的。
这表明利用D-EGR技术，可以提高压缩比。专用气缸再循环废气也可以加快燃烧速率，但从该测试中并未观察到这一点，这是因为已燃燃料质量分数(MFB)在10~90持续时间显示的更高富集氧浓度仅带来略微改善。ISX12G发动机最初是针对柴油燃料而设计，后转换为天然气发动机，配备了碗形活塞，通过挤压产生快速燃烧。富集氧浓度对燃烧速率缺乏影响意味着湍流在燃烧持续时间中占主导地位。新的活塞设计可以减少挤压量，从而更好地利用再循环废气，同时减少热传递损失。
图9 CA50、MFB0-10、MFB10-90和A75专用气缸富集扫描的点火正时
在点火正时中可以观察到专用气缸富集氧浓度的唯一显著效果。专用气缸当量比(PHI)为1.34，主气缸的点火正时延迟大约20 °CA。尽管如此，MFB0~10的持续时间仅缩短约3 °CA。结论是只有MFB0~2的持续时间受到再循环废气的显著影响，并且在初始火焰核形成后，燃烧速率主要受湍流影响。值得注意的是，在基准配置中，该发动机显示了气缸之间IMEP的较大差异。首先，注意到单个气缸的IMEP和累积放热率之间存在差异。如上所述，扩散系统假定是远离上游，使得进入的充量得以充分混合，并且也假定EGR系统设计正确。
因此，分析上述差异假定是由气缸之间的空气分布变差导致的。排气收集器偏移直接与气缸4的排气口一致，为非对称结构。气流的变化导致不同的气缸在CA50相位时的点火时间不同，这也导致了部分气缸比其他气缸更早地达到稳定极限。如EGR率基准图显示，高负载EGR的耐受性比低负载的更为优越。D-EGR在整个操作范围内具有恒定的EGR率，导致在低负载状态下燃烧不稳定。这一点通过降低专用气缸富集氧浓度可以观察到。
在A75工况点，专用气缸最大PHI为1.34，但在A25工况点，专用气缸最大稳定PHI为1.07。对于A25工况点的情况，主要燃烧参数如图10所示。与A75工况点类似，效率并没有因燃烧相位的改进而提高，基准发动机和应用D-EGR发动机的CA50均为MBT正时。BTE随着EGR率的大幅增加而得到改善。对于MFB0~10和MFB10~90的持续时间，再循环废气所产生的影响最小。随着专用气缸富集氧浓度增加，点火正时发生很大变化。更多的富集氧浓度使得点火正时能够延迟15~20 °CA。
图10 CA50、MFB10~90、MFB0~10和A25专用气缸富集区扫描的点火正时
如图11所示，B25工况点测试的专用气缸PHI为1.21，其他所有气缸PHI仅稳定在1.07。在A75高度增压工况点，所有气缸PHI都稳定在1.34。当PHI达到1.4时，失火问题变得明显，专用气缸PHI达到了富集氧极限，发生完全失火，导致发动机无法保持正常运转。失火问题没有显示出典型的CoV 发展趋势，而在其他3个条件下显示出了指数趋势。
图11 用于A75、A25、B25和C25工况点的D-EGR测试条件
C25工况点案例也显示出与大多数其他条件不同的结果。基准发动机所有6个气缸都处于不稳定工作状态，但随着富集氧水平的增加，主缸的稳定性提高到生产预期水平。这清楚地表明，采用D-EGR技术能够增加发动机的容差能力。然而，专用气缸会逐步变得不稳定，没有办法可以保证所有6个气缸都保持稳定，这是BTE无法在C工况点进行比较的原因。
测试结果的另一个重要结论是主气缸能够稳定运行33%的EGR率。专用气缸的稳定性始终是提高EGR率的主要限制因素。提高EGR容差的关键是点火系统，正在进行新的点火系统能力测试比较，以提高专用气缸的稳定性。在稳定极限工况内，所有6个气缸测试的工况点都显示出较好状态。几乎所有的测试点都表明，BTE比基准发动机提高约11%。
初步试验结果表明，该研究还有很大的优化改进空间。首先，由于涡轮机的质量流量减小，可以选择合适的涡轮增压器的尺寸，以最小化主气缸背压。其次，A75工况点或B75工况点都不受爆燃限制，为了最大化效率增益，D-EGR发动机可以增加压缩比。EGR率的增加降低了爆燃倾向，从而允许增加压缩比，并且提高理想奥托循环效率。
最后，使用基准活塞和燃烧室设计并未完全实现D-EGR的优势。无论专用气缸产生多少再循环废气，高挤压活塞都能实现快速燃烧。优化后的活塞设计可提高压缩比，同时降低表面积与体积比。这将减少传热损失，并让再循环废气取代湍流来控制燃烧速率。未来计划测试研究新型高压缩比活塞、新涡轮增压器和各种点火系统。
5 结论
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直列6缸12 L天然气发动机通过2个专用气缸转换为D-EGR运行。转换包括调整排气歧管，增加1个D-EGR混合器和PFI喷射器用来为专用气缸富集氧浓度。D-EGR发动机使用美国西南研究院的DCO点火系统进行测试，同时对专用气缸富集氧浓度进行扫描。初始测试使用基准涡轮增压器和活塞设计。在转换为D-EGR之前，使用基准ECU测试基准发动机的性能。在RMCSET的13个工况点上比较基准发动机和D-EGR配置发动机。
试验得出以下结果:(1)D-EGR转换能够在低中速运行33%的EGR率。与基准发动机相比，高EGR率可以改善高达11%的制动热效率。(2)进一步增强性能会受到专用气缸的限制。需要采用新的点火系统来增加天然气D-EGR发动机性能，尤其在高速工况点。(3)专用气缸的富集氧浓度改善了早期火焰核的形成。随着富集氧浓度的增加，点火时间可以延迟，但对MFB0~10和MFB10~90持续时间的影响最小。可以减少活塞挤压气流，以使富集氧浓度的效果在燃烧速率上变得更加明显。(4)基准涡轮增压器达不到爆燃限制条件，可以适当增加压缩比。
该研究结果显示了天然气发动机运行D-EGR的前景，未来需要在一些领域继续发展该技术。GTPower模型将根据基准数据进行校准，并更新模拟DEGR配置。在爆燃受限条件下，采取一些基准点来调整爆燃模型。根据该爆燃模型预测，在最大扭矩点处的压缩比可能增加1.0~1.5。某些单缸燃烧CFD模拟已被用于1种新型活塞，该活塞设计将提高压缩比，降低挤压气流和表面积，从而减少传热损失。研究人员将测试新活塞，以确定是否确实存在更多潜在的热效率优势。此外，将测试确定是否有任何新的点火系统能够延长混合气稀释或浓缩限制，并使D-EGR配置的发动机具备更好的性能。
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