內(nèi)部EGR對柴油機(jī)HCCI高負(fù)荷拓展因素的影響

王英豪，李人憲

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引言

均質(zhì)壓燃模式（HCCI）作為一種新型高效的燃燒模式能夠顯著改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，且能大幅降低排放，但其著火和燃燒的難以控制和負(fù)荷運(yùn)行范圍的狹窄是制約其技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵問題。研究表明，均質(zhì)壓燃模式的著火和燃燒主要受混合氣燃燒時(shí)本身的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制，宏觀上表現(xiàn)為受混合氣性質(zhì)、組分、缸內(nèi)溫度及壓力變化歷程的影響。因此改變EGR率、壓縮比、進(jìn)氣溫度等間接方法都可以對HCCI燃燒進(jìn)行控制和拓展其負(fù)荷運(yùn)行范圍。

EGR率能同時(shí)改變進(jìn)氣溫度、缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度等因素，是影響混合氣化學(xué)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的重要因素。本文以某型柴油機(jī)為例，建立柴油發(fā)動(dòng)機(jī)HCCI燃燒仿真平臺，采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法仿真計(jì)算HCCI燃燒的完整工作循環(huán)，通過改變EGR率來探究其對柴油機(jī)高負(fù)荷拓展的作用和燃燒特性的影響。

1 柴油機(jī)的計(jì)算模型

1.1 柴油機(jī)參數(shù)和計(jì)算網(wǎng)格

表1為某型柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)。建立的某型柴油機(jī)的計(jì)算網(wǎng)格模型如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)活塞和進(jìn)排氣門的運(yùn)動(dòng)，采用AVL－Fire自帶的動(dòng)網(wǎng)格模塊實(shí)現(xiàn)活塞和氣閥的運(yùn)動(dòng)。在保證精度和節(jié)省計(jì)算時(shí)間的情況下，劃分的網(wǎng)格總數(shù)為上止點(diǎn)時(shí)約為22萬，下止點(diǎn)時(shí)約為75萬。

表1 某型柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 數(shù)學(xué)模型和初始邊界條件的選定

采用SIMPLE算法實(shí)現(xiàn)壓力與速度方程的耦合，并利用流體力學(xué)連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和化學(xué)反應(yīng)組分平衡方程描述氣缸內(nèi)工質(zhì)的變化過程。其中，湍流模型選用k－z－f模型，柴油機(jī)燃燒模型選用渦破碎模型（Eddy Breakup Model），燃油蒸發(fā)模型和液滴破碎模型選用Dukowicz模型和wave模型。

圖1 某型柴油機(jī)計(jì)算網(wǎng)格模型

由于邊界條件的準(zhǔn)確與否直接影響計(jì)算的精度和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確，為此我們先進(jìn)行整機(jī)一維模型工作過程仿真計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果作為多維缸內(nèi)模擬計(jì)算的初始和邊界條件。

2 柴油機(jī)整機(jī)模塊計(jì)算及工況點(diǎn)選擇

2.1 整機(jī)工作過程計(jì)算

首先通過柴油機(jī)一維整機(jī)仿真模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得到的部分工況點(diǎn)的溫度和燃空當(dāng)量比關(guān)系如圖2所示，其中所標(biāo)數(shù)值為最高平均指示壓力。從圖2中可知，C點(diǎn)和D點(diǎn)所能實(shí)現(xiàn)的平均指示壓力較高，但排放處于SOOT區(qū)和NOX區(qū)，而A點(diǎn)和B點(diǎn)盡管平均指示壓力較低，但處在HCCI模式的范圍之內(nèi)，避開了SOOT區(qū)和NOX區(qū)。

2.2 初始計(jì)算工況點(diǎn)選擇

從上述整機(jī)工作過程計(jì)算得到的符合HCCI燃燒的工況點(diǎn)中選擇一組數(shù)據(jù)，作為缸內(nèi)工作過程計(jì)算分析的初始條件和邊界條件，進(jìn)而計(jì)算不同內(nèi)部EGR率情況下HCCI燃燒的性能指標(biāo)。選擇B點(diǎn)工況進(jìn)行三維詳細(xì)計(jì)算，具體參數(shù)見表2。

3 缸內(nèi)工作過程計(jì)算結(jié)果分析

3.1 EGR率對缸內(nèi)平均燃燒溫度的影響

低溫燃燒是HCCI燃燒的基本要求，而不同EGR率對缸內(nèi)燃燒溫度有著較大的影響，距離缸蓋5mm處缸內(nèi)橫截面平均溫度如圖3所示。由圖3可知，隨著EGR率的增大，缸內(nèi)平均燃燒溫度逐漸降低。分析其主要原因是：①廢氣中含有的二氧化碳和水蒸汽等氣體對新鮮充量起到了稀釋作用，即降低了氧氣的含量，從而降低了燃燒的反應(yīng)速率；②廢氣中的二氧化碳和水蒸汽等氣體比熱容較大，與新鮮充量混合后也同時(shí)增大了整個(gè)混合氣的比熱容，加熱這種廢氣稀釋的氣體需要的熱量更多，所以缸內(nèi)平均燃燒溫度隨之降低。

圖2 工況點(diǎn)的溫度和燃空當(dāng)量比關(guān)系

表2 B點(diǎn)工況具體參數(shù)

圖3 距離缸蓋5mm處缸內(nèi)橫截面平均溫度

3.2 EGR率對燃空當(dāng)量比的影響

HCCI燃燒的一個(gè)重要前提是具有一定的燃空當(dāng)量比，不同EGR率對燃空當(dāng)量比的影響如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著EGR的增大，燃空當(dāng)量比逐漸降低。分析其主要原因是：①廢氣量逐漸增加，使得混合氣逐漸稀薄；②高溫廢氣促進(jìn)燃油的蒸發(fā)，使混合氣整體也更加均勻。當(dāng)EGR為35%時(shí)，混合氣分布最為均勻，雖然有局部當(dāng)量比較高的地方，但最高值沒有超過1.65，結(jié)合圖3可知，燃燒溫度的分布與均質(zhì)混合氣的分布有一定的關(guān)系。

圖4 距離缸蓋5mm處缸內(nèi)橫截面燃空當(dāng)量比

3.3 EGR率對HCCI燃燒持續(xù)期的影響

燃燒持續(xù)期一般定義為燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～90%之間的曲軸轉(zhuǎn)角，它反映了燃料燃燒的反應(yīng)速率。圖5為內(nèi)部EGR率與HCCI燃燒持續(xù)期的關(guān)系。從圖5中可以看出，在EGR率小于35%時(shí)，燃燒持續(xù)期隨著EGR率的增加而縮短。這是因?yàn)殡S著EGR率的增加，高溫廢氣對新鮮充量起到了加熱作用，混合氣更加均勻，所以缸內(nèi)一旦著火，就會(huì)以很快的速率結(jié)束燃燒。在EGR率為35%的時(shí)候，燃燒持續(xù)期最短。但當(dāng)EGR率超過了35%，高溫廢氣在加熱新鮮充量的同時(shí)也稀釋了新鮮充量，混合氣的比熱容升高，從而降低了能量的釋放速度，也就減緩了燃燒速率，使得HCCI的燃燒持續(xù)期也隨之延長。

3.4 EGR率對最高壓力升高率的影響

壓力升高率的高低關(guān)系著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行壽命，如果壓力升高率過高，在運(yùn)行過程中柴油機(jī)零部件會(huì)受到較大的沖擊負(fù)荷。圖6為EGR率與缸內(nèi)最大壓力升高率之間的關(guān)系。從圖6中可以看出，氣缸內(nèi)的最大壓力升高率隨著EGR率的增加而降低。主要原因是：隨著EGR率的增加，氣缸內(nèi)的廢氣與新鮮充量混合后，混合氣的比熱容增大，再加上對新鮮充量的稀釋作用，降低了HCCI燃燒速率，最大壓力升高率也就減小了。

3.5 EGR率對IMEP（平均指示壓力）的影響

在HCCI燃燒模式下，計(jì)算得到的內(nèi)部EGR率和IMEP的變化關(guān)系如圖7所示。從圖7中可以看出，隨著內(nèi)部EGR率的增大，IMEP先增大后減小，在內(nèi)部EGR率為35%左右時(shí)達(dá)到最大，為0.573MPa。主要原因是：①隨著內(nèi)部EGR率的增大，缸內(nèi)的高溫廢氣對新鮮沖量的加熱作用逐漸顯著，促進(jìn)燃油的蒸發(fā)形成均質(zhì)混合氣，更易實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒，IMEP也隨之不斷增大；②但是隨著EGR率的進(jìn)一步增大，缸內(nèi)廢氣量也逐漸增多，從而降低了進(jìn)氣量，致使燃燒惡化，結(jié)果造成了IMEP的降低。

圖5 內(nèi)部EGR率和燃燒持續(xù)期的關(guān)系

圖6 內(nèi)部EGR率和壓力升高率的關(guān)系

圖7 內(nèi)部EGR率和IMEP的關(guān)系

4 結(jié)論

隨著內(nèi)部EGR率的增大，在柴油機(jī)HCCI燃燒模式下，氣缸內(nèi)平均燃燒溫度逐漸降低；隨著內(nèi)部EGR的增大，燃空當(dāng)量比逐漸降低，缸內(nèi)混合氣分布逐漸稀薄；隨著內(nèi)部EGR率的增大，柴油機(jī)HCCI燃燒持續(xù)期出現(xiàn)先縮短后延長的趨勢，并在EGR率為35%左右時(shí)，燃燒持續(xù)期最短，而后燃燒持續(xù)期又延長；隨著內(nèi)部EGR率的增大，柴油機(jī)HCCI燃燒條件下的氣缸內(nèi)壓力升高率逐漸降低；隨著內(nèi)部EGR率的增大，IMEP先增大后減小，并在EGR率為35%時(shí)達(dá)到最大，為0.573MPa。

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