不同EGR率對高密度—低溫柴油機燃燒的數值模擬

2012-01-01 00:00:00趙二麗張玉

汽車科技 2012年1期

摘要：以4100柴油發動機為研究對象，用fire軟件模擬分析不同EGR對高密度—低溫柴油機燃燒和性能的影響。結果表明，應用EGR能有效降低NOx的排放，但同時發動機的煙度排放會有一定幅度的上升； EGR 率的增加會給柴油機的動力性、燃油消耗率、煙度的排放帶來不同程度的負面影響，使柴油機的最大爆發壓力及放熱率峰值下降。

關鍵詞：柴油機；EGR；高密度—低溫燃燒；數值模擬

中圖分類號：TK421+.2 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2012）01-0016-04

Numerical Simulation with Low Temperature Diesel

Combustion of Different EGR on High Density

ZHAO Er-li，ZHANG Yu

(School of Traffic and Transport，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Abstract：To actually 4100 diesel engines as the research object，analysis into the EGR on the high density - low temperature diesel combustion and performance using FIRE.The results show that EGR effectively reduces the NOx emissions at the same time engine FSN rises to a certain extent. The increase of the EGR rate brings negative impacts to engine power，fuel economization and FSN emission，furthermore，as a result of drop of both the maximum explosive pressure and the peak value of the heat release rate.

Key words: diesel engine EGR；high density-low temperature combustion；numerical simulation

柴油機在HC和CO排放上具有汽油機無法比擬的優勢。然而，由于柴油機NOx和碳煙排放存在“此消彼長”關系的緣故［1］，同時降低這兩種排放物非常困難。盡管柴油機后處理技術取得一些進展［2］，但這種技術付諸實用尚待時日。柴油機越來越向高強化、高功率密度方向發展。為了滿足日益嚴格的排放法規要求，柴油機需要一種有效的技術途徑在降低排放物的同時提高熱效率。而廢氣再循環（Exhaust Gas Recirculation，簡稱EGR)是在諸多降低NOx排放方案中操作簡單又有效的方法，因此得到了廣泛的應用［3］。本文應用fire軟件就不同EGR率對高密度—低溫柴油機燃燒、排放、動力性、經濟性的影響進行了研究。

1 計算模型

1.1 建立模型

本研究以4100柴油發動機為研究對象，其基本參數及邊界條件見表1。本研究中，初始條件中進氣溫度為313.3 K，進氣壓力設置為0.29 MPa，EGR率分別設置為0、0.1、0.2、0.3，缸內的氣體流動模擬通過根據質量守恒、動量守恒和能量守恒求解平均運輸方程實現，為使方程組封閉，必須建立模型。本文采用了標準方程。燃燒模型采用Coherent Flame Model，NOx模型選用Extend Zeldovich，Soot模型選用Lund Flamelet Model，噴油子模型采用Turbulent dispersion model，蒸發模型采用Dukowicz，破碎模型選用Wave。

1.2 模型驗證

為驗證所選用的模型參數設置的正確性，通過臺架實驗得出該發動機的示功圖，再將計算所得示功圖與實測示功圖進行對比，如圖1所示。

從圖1可以看出，模擬計算的示功圖與實際測量的示功圖趨勢相同，偏差不大，并且在上止點前都有一個小的折點1。折點之前缸內壓力增加主要是由于壓縮沖程影響，之后缸內壓力急劇上升是由于缸內不斷噴油、燃油燃燒放熱和壓縮沖程共同影響的結果。從圖1中也可以看出，模擬結果與實際臺架試驗的結果不盡一致。這一方面可能是由于測量誤差，會導致所測壓力有所不同；另一方面由于計算初始邊界條件的選取來自實際測量值和經驗值，并且選取的噴油規律是方形脈沖，這對模擬結果也會產生一定的影響。但是從總體上看來，臺架測得值與仿真結果是基本一致的，這樣就驗證了所建模型的正確性。

2 計算結果及分析

2.1 當量比分析

圖2是缸內Φ-T圖。從圖2(a)、圖2(b)可看出，在EGR率為0和0.1時，最靠近污染物主要生成區域的時刻是730 deg；從圖2(c)、圖2(d)可看出，EGR率為0.2和0.3時，該時刻為732.3 deg。可見，當EGR增大，靠近污染物主要生成區域的時刻推遲并避開壓縮上止點。總體上看，隨著EGR的增加，燃燒路徑逐漸避開了NOx、Soot的主要生成區域。在EGR為0時，因為沒有引入廢氣，缸內燃燒溫度高且氧氣濃度高，使燃燒路徑進入NOx、Soot的主要生成區域。在EGR為0.1和0.2時，由于引入部分廢氣使燃燒溫度下降，氧氣濃度下降，使燃燒路徑少部分避開了NOx、Soot的主要生成區域。但在EGR為0.3時，溫度為2 200 K左右，燃燒路徑有少部分進入碳煙的主要生成區域。這是由于高EGR的條件下，用部分廢氣替代空氣，使氣缸內的O2濃度降低，阻滯了燃燒反應，導致缸內最高燃燒溫度有所降低。盡管此時燃燒持續期有所延長，但由于燃燒溫度低，O2濃度降低，因而NOx排放大大降低［4］。

2.2 放熱率和累計放熱量分析

從圖3（a）可看出，隨著EGR的提高，放熱率下降，這是因為EGR導致柴油機的充氣效率降低，過量空氣系數下降，從而導致燃燒速率下降。加上廢氣中CO2和H2O等多原子分子氣體較多，使得混合氣比熱容升高，缸內燃燒溫度下降，進一步降低了反應速率［5］。以上因素導致預混燃燒量降低，放熱率峰值下降且相位后移。圖3（b）可看出隨著EGR的提高，累計放熱量也相應減慢。這是由于在循環噴油量一定的情況下，EGR越大，廢氣量越多，則混合氣的空燃比越小，混合氣中O2濃度降低，阻滯燃燒反應，累計放熱量減慢［6］。

2.3 缸內溫度和壓力分析

從圖4（a）可看出隨著EGR增加，缸內平均溫度在降低。這是由于EGR增加，使放熱始點推遲，同時廢氣中CO2和H2O的比熱容比空氣高，且不參加燃燒，在相同的放熱情況下吸收更多的熱量，從而使缸內最高平均溫度降低［7］。從圖4（b）中得出缸內平均壓力隨著EGR的增加而降低，這是由于隨著EGR率的增加，引入缸內的廢氣增多，廢氣中惰性氣體對燃燒化學反應的阻滯作用增強，缸內燃燒速度低，所以缸內最大爆發壓力和最大壓力升高率下降，從而使缸內平均壓力降低［7］。

2.4 排放分析

圖5中可看出碳煙的質量分數隨著EGR的增加呈上升的驅勢。由于EGR一方面導致殘余廢氣系數增加，更多殘余廢氣進入發動機循環；另一方面，采用EGR 導致的進氣節流會造成進氣阻力增加，新鮮充量減少。以上兩種因素都導致缸內混合氣的過量空氣系數降低，從而引起煙度的增加［8］。從圖5還看出，NOx質量分數隨EGR率增加呈現下降的態勢。影響NOx生成的重要因素為高溫、富氧及高溫富氧的持續時間［9］。在EGR為0.3時NOx質量分數最低，這是因為EGR高，部分廢氣替代空氣，使氣缸內的O2濃度降低，阻滯了燃燒反應，使缸內最高燃燒溫度有所降低。盡管此時燃燒持續期有所延長，但由于燃燒溫度及氧濃度低，因此造成NOx質量分數低。而在EGR為0時，NOx質量分數最高。一是由于氧濃度提高；二是溫度高，燃燒反應時間較長（見圖3（a）、圖4（a））。綜上所述，EGR率對NOx排放的影響明顯，進一步增大EGR率能有效降低NOx排放。

2.5 動力性和經濟性分析

圖6（a）、（b）是發動機動力性、經濟性曲線圖。圖6（a）表明，動力性指標隨EGR率的增加而降低。因平均指示壓力與指示功成正比，而指示功的大小可通過p-?椎圖中閉合曲線所占有的面積求得［10］，從圖4(b)（p-?椎圖）可看出，EGR越大，示功圖圍成的面積越小，指示功就越小，平均指示壓力也就隨之下降。在發動機轉速不變時，EGR率提高，使燃油消耗增加，基于由油耗線法得出的機械效率可得出，增加EGR率會使機械效率下降［11］，如圖6(b)所示。其原因是：當廢氣引入量較大且柴油機負荷較高時，引入的廢氣量會顯著影響缸內混合氣的空燃比，增加了缸內混合氣的濃度，使得混合氣的燃燒不完全。而且，引入的廢氣為惰性氣體，抑制了混合氣的燃燒速度，使得燃燒滯后，所以柴油機的燃油消耗率有所增加［12］。總之，低EGR率對發動機有利，而高EGR率降低了發動機的動力性和經濟性。

3 結論

本文在進氣溫度為313.3 K，進氣壓力為0.29 MPa的條件下研究了不同EGR率對高密度—低溫柴油機燃燒的影響，得出高密度—低溫柴油機燃燒模式在實現NOx的低排放方面具有較大潛力的結論。主要結論如下：

（1）在高密度—低溫燃燒模式，引入EGR率，能同時降低NOx和碳煙兩種排放物且能提高熱效率，且最優的EGR率取值為0.1。

（2）過高的EGR率會對發動機動力性和經濟性有負面影響，因此EGR率不能太高。

參考文獻：

［1］ Bunker B．International Symposium of the Vehicle Emission Regulations ［R］. [ S.I.] : [ s.n.]，2004:4．

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［3］鄒柯，殷勇，項旭昇，趙艷婷. 柴油機高低壓EGR系統模擬分析［J］. 汽車科技 2011，3（2）:58-60.

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［5］周文彬.EGR對柴油機TR燃燒系統牲能影晌的試驗研究［J］. 車用發動機 2005，5(159):53-55.

［6］朱瑞軍.EGR和冷EGR對柴油機燃燒和排放的影響［J］. 西安交通大學學報，2009，43（9）:60-61.

［7］錢葉劍.EGR 率對ZS195 柴油機性能和排放的影響［J］ .合肥工業大學學報，2009，32（9）:70-71.