EGR对生物柴油混合燃料，以及GCI发动机性能排放有何影响？

麻烦看官老爷们右上角点击一下“关注”，既方便您进行讨论和分享，又能给您带来不一样的参与感，感谢您的支持!

---

文|楠猫

编辑|楠猫

随着全球对于环境可持续性的日益关注，混合燃料的研究与应用受到了重视。而汽油-生物柴油混合燃料作为一种潜在的替代能源，对于改善发动机性能和减少排放具有重要意义。

在这一背景下，研究者们开始关注EGR比率和进气增压对于采用汽油-生物柴油混合燃料的缸内直喷发动机性能和排放特性的影响。

通过对这些影响因素的深入分析，我们能够更好地了解GCI发动机在使用汽油-生物柴油混合燃料时的性能变化，并为优化其性能和减少排放提供指导。

下面我将重点探讨EGR和进气增压对于汽油-生物柴油混合燃料GCI发动机性能与排放的影响，让大家有更深入的了解！

试验燃料准备

本研究使用了两种不同的燃料，分别是柴油和汽油-生物柴油混合物。在实验中，我们选取了商用汽油（GB00）、纯柴油（D100）和纯大豆生物柴油（B100）作为基准燃料。

大豆植物油的化学成分信息可以在表2中找到，我们将生物柴油（5%体积比例）与汽油混合一并标记为GB05。

为了确保混合物的均匀性，混合过程进行了约10分钟，然后我们立即用于实验。基准燃料和GB05的物理性质可以在表3中查看。

通过这些实验设立，我们能够更好地理解不同燃料对发动机性能的影响，并为进一步的研究工作提供实验基础。

操作条件

该实验中的发动机在固定1200转/分钟的稳定条件下运行。PPCI燃烧模式采用70 MPa的喷射压力，并将单次喷射正时设置为40°加州BTDC。喷射的燃料总能量输入设定为每个循环约26毫克。

在初始参数中，进气温度、油温和冷却液温度分别保持在85℃、75℃和65℃。将进气温度保持在85℃的原因是为了促进更容易的燃料自燃。

因为众所周知，GB05更有可能是一种低自燃特性的纯汽油。通过使用一对闸阀，均匀地引入热的EGR和新鲜空气混合物，流速分别设定为0%、20%和50%。

EGR比率的计算公式如下所示：

其中mE和mi分别表示EGR和吸入新鲜空气的质量。

进气歧管中的空气增压设置为0.1和0.12 MPa。更详细的发动机工作参数和喷射策略见表4和5，分别记录了100个连续循环的数据，例如缸内压力，用于燃烧分析。

我们对缸内放热率、温度、压力上升率峰值、IMEP、IMEP COV、爆震强度、热效率和燃烧效率等几个发动机参数进行了分析和讨论。放热率通过以下公式计算：

其中，γ为比热比，V为瞬时气缸容积，p为气缸压力。对于CI发动机，γ的正常且合适的值是1.3。缸内压力和容积数据用于使用理想气体定律计算缸内温度，如所示E3:

其中p代表压强，V代表体积，n代表物质的量，R代表气体常数。

此外，一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物x和颗粒物也进行了详细的讨论和分析。

PPCI注入策略的效果

在PPCI模式下，每个循环的总燃料消耗都保持在每个循环26毫克，单次喷射正时保持在40o加州BTDC。其他发动机运行条件，即进气、发动机冷却液和发动机机油温度分别设定为358 K、338 K和348 K。

同时，在0.1 MPa的固定进气压力和0%、20%和50%的不同EGR率下，我们研究了EGR和PPCI喷射策略对GCI发动机燃用汽油-生物柴油混合燃料的燃烧和排放的影响。

图2显示了在0%、20%和50%的不同EGR率和固定进气增压0.1 MPa下PPCI模式的缸内压力、温度和HRR。从图中可以看出，当EGR率增加时，燃用柴油的CI发动机显示缸内压力降低。

与柴油燃料相似，汽油-生物柴油混合燃料表现出了相同的趋势，即当EGR率增加时，缸内压力下降。

当EGR率增加时，缸内温度随着缸内压力的变化而降低。然而，汽油-生物柴油混合燃料的缸内温度趋势表明，EGR 50%导致其他EGR率中的最高值。

从放热速率曲线可以看出，柴油和汽油-生物柴油混合燃料的放热过程都表现出明显的两阶段着火。柴油燃料的第一阶段点火持续高于20 J/deg。尽管所有的曲线都揭示了各种增加的EGR速率的下降趋势。

同时，对于所有不同的EGR速率，汽油-生物柴油混合物的第一阶段点火非常低，并且几乎很难被识别。EGR率为50%的汽油-生物柴油混合燃料的放热率最高。

放热率的最高峰值可用于确定压力上升率是否过大。PRR过量意味着燃烧不稳定，或者有时在高负荷条件下，快速的压力上升率会导致严重的爆震操作。

图3显示了当发动机使用PPCI模式运行时，EGR对点火延迟的影响。EGR率越高，柴油和汽油-生物柴油混合物的着火延迟越长。

我们可以观察到，与柴油燃料相比，在每个EGR变化率下，汽油-生物柴油混合物导致更长的点火延迟。

这种情况是汽油燃料的优点，汽油燃料由于高挥发性和低十六烷值而具有较长的点火延迟，因此在燃烧发生之前存在完全混合期的可能性。

然而，较长的点火延迟会导致缸内最高压力远离上止点，从而降低发动机的性能。为了克服这种情况，可以在其他解决方案中应用更早的喷射证实。

图4(a)示出了EGR对缸内压力最大值的影响，以及(b)PPCI策略的压力上升率峰值。对于柴油燃料和汽油-生物柴油混合物，较高的EGR速率产生较低的缸内压力最大值和较低的最大压力上升速率。

类似地，EGR速率的增加降低了柴油燃料和汽油-生物柴油混合物的最大压力上升速率。这种情况的发生是由于燃烧过程的减缓。

利用EGR来减缓燃烧过程的原因之一是O的浓度2，降低了一氧化碳的浓度2和H2o无意中增加的。因此，这减缓了氧化方向的反应，并加速了还原过程方向的反应。

EGR率的增加对燃用柴油的GCI发动机的IMEP没有任何影响。然而，50%的EGR率导致汽油-生物柴油混合物的最高IMEP值，如果与1.0 MPa的柴油燃料相比，甚至更高。

与IMEP值相关的是发动机效率，特别是指示热效率，可以通过它的导数即指示功率/功来计算。图6显示了各种EGR率对使用PPCI策略的GCI发动机的指示热效率的影响。可以看出，随着EGR率的增加，柴油和汽油-生物柴油混合物的指示热效率值下降。

在柴油燃料中，与20%的EGR率相比，50%的EGR率导致指示热效率值略微增加。然而，在汽油-生物柴油混合燃料的情况下，它导致了指示热效率显著下降。

我们可以观察到EGR速率对使用PPCI模式的GCI发动机的CO排放的影响图7。EGR速率的所有变化表明，汽油-生物柴油混合燃料的CO排放低于柴油燃料。这是由于汽油的挥发性和生物柴油更高的氧含量，这使得混合更完全，产生更完全的燃烧。

然而，总的来说，EGR率的增加对柴油和汽油-生物柴油混合燃料的CO排放没有影响。GCI发动机燃用汽油-生物柴油混合燃料，仅在50% EGR率下，CO排放略有下降。

图8显示了不同EGR率对GCI发动机在PPCI策略下运行的HC排放的影响。与CO排放趋势一样，GCI发动机燃用汽油-生物柴油混合燃料的HC排放也比燃用柴油低。

这种情况也可以用汽油燃料的特性和生物柴油的氧含量来解释。对于柴油和汽油-生物柴油混合物，20%的EGR率值给出了最低的HC排放影响。因此，假设在PPCI模式下，20%的EGR率是获得最低HC排放的最佳值。

在使用PPCI模式的GCI发动机上应用不同EGR比率时的排放及其影响可以在图9中看到。通常情况下，提高EGR比率会导致氮氧化物NOx排放的降低。然而，在柴油燃料方面，20%的EGR比率会导致最高的NOx排放。

即使使用50%的EGR比率时，排放仍然会减少。然而，对于使用汽油-生物柴油混合燃料的GCI发动机，EGR速率的变化不会对NOx排放产生影响。从趋势图中可以看出，三种不同的EGR比率导致几乎相同的NOx排放值。

CI发动机的烟度排放通常与氮氧化物NOx排放形成对比。当EGR比率越高时，烟度就越低，反之亦然。图10显示了EGR速率变化对GCI发动机烟度排放的影响。

当使用柴油燃料时，GCI发动机的烟度排放在所有EGR比率变化下都处于较高水平，即使EGR比率增加时也是如此。

然而，当使用汽油-生物柴油混合燃料的GCI发动机时，烟度排放在EGR为20%时达到最低值。可以说，保持最低的烟度排放和最低的氮氧化物排放的最佳EGR比率为20%。

进气增压和PPCI喷射策略的效果

为了简化和容易理解进气增压对在PPCI模式下燃用汽油-生物柴油混合物的GCI发动机的影响，本研究选择并解释了20%的EGR比率。

进气增压设定为0.1 MPa和0.12 MPa。图11展示了当采用PPCI策略时，进气增压对燃用汽油-生物柴油混合物的GCI发动机缸内压力、温度和放热率的影响。

通常情况下，增加进气增压率会增加柴油和汽油-生物柴油混合燃料的缸内压力。与汽油-生物柴油混合物相比，由于进气增压环境压力的存在，以柴油为燃料的GCI发动机的缸内压力较高。

实际上，汽油生物柴油混合物在0.12 MPa进气增压下的缸内压力甚至低于柴油燃料的环境进气增压。

另外，实施0.12 MPa进气增压后，燃用汽油-生物柴油混合燃料的GCI发动机的缸内压力高于实施0.1 MPa进气增压的汽油-生物柴油发动机的缸内压力。

为了获得至少等于纯柴油燃料的汽油生物柴油混合物的缸内压力，只要发动机材料支持高压条件，就可以应用更高的进气增压。并且在这种情况下，涡轮增压器中的实际发动机增压器可以实现最大期望压力。

与缸内压力相似，缸内温度曲线显示，当进气增压0.12 MPa时，GCI发动机燃用柴油时缸内温度最高。

当环境压力为0.12 MPa时，GCI发动机燃用汽油-生物柴油混合燃料时，缸内温度最低，低于2000 K。HRR曲线显示最高值是对于使用0.1 MPa进气增压的燃用汽油-生物柴油燃料的GCI发动机。

HRR值越高，我们可以确定的压力上升率越高，发动机燃烧越不稳定。在常压条件下，GCI发动机燃用柴油的HRR值最低，这是最稳定的燃烧。

进气增压对采用PPCI策略的GCI发动机的点火延迟的影响见图12。进气增压对柴油和汽油-生物柴油混合燃料的较低点火延迟都有影响。

进气增压的环境压力导致柴油燃料的点火延迟时间在大约25oCA BTDC，则0.12 MPa进气增压导致点火延迟正时稍微提前，在27o加州BTDC。

类似的趋势也出现在汽油-生物柴油燃料中，进气增压的环境压力会导致点火延迟正时在11oCA BTDC，然后当应用0.12 MPa进气增压时，点火延迟正时也在大约2o加州BTDC。由于汽油燃料具有较高的挥发性和较低的十六烷值特性，因此导致了较长的点火延迟时间。

然而，进气增压的应用会导致点火延迟正时提前偏移。较长的点火延迟正时可以在燃烧之前产生更完全的空气和燃料混合，但过长的点火延迟正时有时会导致发动机的排放和效率问题。

图13显示了各种进气增压对最大缸内压力及其最大压力上升率的影响。柴油和汽油-生物柴油混合燃料的正常情况是进气增压增加，最大缸内压力增加。然而，柴油燃料的最大缸内压力的增加水平远高于汽油-生物柴油燃料。

据推测，进气增压导致空气燃料在柴油燃料中的混合比汽油-生物柴油混合物更佳。随着进气增压的增加，GCI发动机燃用汽油-生物柴油混合燃料的最大压力上升率增大，与燃用柴油的最大压力上升率几乎相同。

这意味着GCI发动机在进气增压下运行时，汽油-生物柴油混合燃料具有与柴油燃料几乎相似的稳定性。然而，非常高的压力上升率表明发动机处于不稳定状态。

在PPCI策略中，不同进气增压对燃用汽油-生物柴油混合燃料的GCI发动机的IMEP的影响可见于图14。进气增压环境压力下，燃用汽油-生物柴油混合燃料的GCI发动机的IMEP高于进气增压0.12 MPa时。

对于柴油燃料发生相反的情况，即当施加0.12 MPa的进气增压时，GCI发动机的IMEP值比环境压力高。柴油IMEP的条件是增加进气增压的效果是正常现象。然而，对于汽油-生物柴油混合物来说，它是相当特殊的。

这种情况可能是由于汽油的高挥发性和低十六烷值的影响，这导致了更高的压力上升率，如所示图13。缸内压力波动会导致燃烧不稳定，从而导致IMEP值降低。

随着EGR比率的增加，柴油和汽油-生物柴油混合物的指示热效率值降低。与20%的EGR比率相比，柴油燃料在最高50%的EGR比率下略微增加了指示热效率值。然而，在采用汽油-生物柴油混合燃料的情况下，指示热效率值显著下降。

在使用柴油燃料时，20%的EGR比率会导致较高的NOx排放。即使增加到50%的EGR比率，NOx排放量也会减少。

利用EGR对降低NOx排放有影响，而采用汽油-生物柴油混合燃料时的排放值远低于柴油。然而，EGR比率的变化对GCI发动机燃用汽油-生物柴油混合燃料的NOx排放没有影响。