不同进气压力对高密度-低温柴油机燃烧的数值模拟
2010-11-09刘建勋万普鹏赵二丽
刘建勋,万普鹏,赵二丽,张 玉
(1.重庆交通大学交通运输学院,重庆400074;2.重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆400074)
柴油机在HC和CO排放上具有汽油机无法比拟的优势。然而,由于柴油机NOx和碳烟排放存在“此消彼长”关系的缘故[1],同时降低这2种排放物非常困难。尽管柴油机后处理技术取得一些进展[2],但这种技术距实用化尚待时日。柴油机越来越向高强化、高功率密度方向发展。为了满足日益严格的排放法规和节能要求,柴油机需要一种有效的技术途径同时降低排放物和提高热效率。苏万华等[3]提出一种高密度-低温燃烧技术,在降低充量初始温度的条件下,可以通过提高进气压力,提高充量密度和控制EGR的方法来实现降低排放和高热效率。然而,这些初始条件对燃烧和排放的影响过程有待进一步深入研究。针对这种情况,笔者应用fire软件对不同进气压力对高密度-低温柴油机燃烧和排放以及对动力性、经济性的影响进行了研究。
1 计算模型
1.1 建立模型
使用4100柴油发动机,基本参数及边界条件见表1。初始条件中进气温度为293.3 K,进气压力分别设置为 0.2,0.25,0.3,0.35,0.4 MPa。缸内的气体流动模拟是根据基本的守恒定律,即质量守恒、动量守恒和能量守恒来求解平均运输方程,为使方程组封闭,必须建立模型。采用了标准方程。燃烧模型采用Coherent Flame Model,NOx模型选用Extend Zeldovich,Soot模型选用 Lund Flamelet Model,喷油子模型采用Turbulent dispersion model,蒸发模型采用Dukowicz,破碎模型选用Wave模型。
表1 发动机基本参数Tab.1 Basic parameters of the engine
1.2 模型验证
为验证所选用的模型参数设置的正确性,通过台架实验得出该发动机的示功图,再将计算所得示功图与实测示功图进行对比,如图1。
图1 模型验证Fig.1 Model verification
2 计算结果及分析
图2是缸内Φ-T图。从图中可看出,在进气压力为0.2 MPa时,最靠近污染物主要生成区域的时刻是730 deg,在0.25 MPa 时为735 deg,在0.3 ~0.4 MPa时都为725 deg。从这也可看出当进气压力大于0.3 MPa后,靠近污染物主要生成区域的时刻提前,并靠近压缩上止点。总体上看,在不同的进气压力下,燃烧路径大都避开了NOx、Soot的主要生成区域。这是由于高密度-低温燃烧主要是通过提高进气压力,降低进气充量的初始温度,引入EGR等因素来控制燃烧路径[4]。一方面,EGR的作用及较低的进气温度使燃烧温度降低,从而减少NOx的生成;另一方面,高进气压力和涡流比的作用促使均质混合气的形成,减少了局部过浓的区域,从而减少了碳烟的生成,同时稀薄的混合气也有利于抑制碳烟的生成[4]。在进气压力为 0.2 MPa时,温度为2 000 K左右,燃烧路径有少部分进入碳烟的主要生成区域。这是由于该进气条件下的当量比相对其它进气条件下的当量比大,局部过浓区相对严重。碳烟的主要生成条件是高温和缺氧,烃分子在高温和缺氧的条件下发生部分氧化和裂解,生成各种不饱和烃类。它们不断脱氢,聚合成以碳为主的碳烟晶核[5]。
图2 Φ-TFig.2 Φ-Tplane
图3是发动机各种参数对比曲线图。从图3(a)可看出随着进气压力的提高,着火时刻提前,滞燃期和燃烧持续期缩短。这是由于进气压力升高增大压缩后压力及温度,从而增加了分子之间的碰撞频率,缩短了分子运动的平均自由程,加快了燃烧反应速度,使着火时刻提前[5]。滞燃期和燃烧持续期随进气压力的增加而缩短,这是因为在循环喷油量一定的情况下,进气压力越大,空气量越多,则混合气的空燃比越大,混合气形成较为完善,焰前反应充分,使滞燃期和燃烧持续期缩短[6]。图3(b)可看出随着进气压力的提高,累计放热量也相应加快。这是由于在循环喷油量一定的情况下,进气压力越大,空气量越多,则混合气的空燃比越大,混合气形成较为完善[6],燃烧越充分,累计放热量加快。从图3(c)可看出随着进气压力增加,缸内平均温度在降低。这是由于进气压力增加使进入气缸的空气量增加,缸内最高平均温度降低[5]。从图3(d)中得出缸内平均压力随着进气压力的增加而增加。进气压力对缸内压力的影响最大,随着进气压力的增加,缸内的压力的峰值显著的增加[6]。这是由于进气压力提高,燃烧着火时刻提前,缸内最大爆发压力增大[7]。图3(e)中可看出碳烟的质量分数随着进气压力的增加呈下降态势。因进气压力的提高有助于过量空气系数的提高,而碳烟生成的根本条件是缺氧和高温,提高燃烧时的过量空气系数,则基本上消除了缺氧这一根本条件;同时,过量空气系数的提高还在一定程度上降低了燃烧温度,这也有利于降烟。从图3(e)还看出,NOx质量分数是随进气压力的增加先增加后下降。影响NOx生成的重要因素为高温、氧浓度、在高温富氧中的滞留时间[7]。在 0.2 MPa时NOx质量分数最低,这是因为氧浓度相对较低的缘故。而在0.25 MPa时NOx质量分数最高,一是由于氧浓度提高,二是在温度降低不多情况下燃烧反应时间较长(图3(c)、图3(a))。从进气压力0.25 MPa到0.4 MPa,NOx的质量分数呈下降态势,这是温度进一步降低和燃烧反应时间缩短的缘故(图3(c)、图3(a))。综上所述,进气压力对排放的影响明显,进一步增大进气压力能有效降低碳烟和NOx排放。
图3(f)、图3(g)是发动机动力性、经济性曲线图。图3(f)表明,动力性指标随进气压力的增加而提高。因平均指示压力与指示功成正比。而指示功的大小可通过p-φ图中闭合曲线所占有的面积求得[5]。从图3(d)可看出,进气压力越大,示功图围成的面积越大,指示功就越大,平均指示压力也就随之提高。机械效率的增加是在发动机转速不变时,由于增压后机械损失功率与非增压时大致相当,加之进气压力提高,使指示功提高,因此增压使机械效率提高[8],如图3(g)。通过图3(g)还可看出,进气压力提高,油耗降低。这是因为在转速以及循环供油量不变的前提下,指示燃料消耗率随指示功的提高而降低。
3 结论
在一定的进气温度和EGR率的条件下研究了不同进气压力对高密度-低温柴油机燃烧的影响,得出高密度-低温柴油机燃烧模式在实现低排放和高热效率具有较大潜力。主要表现在:
1)在一定的进气温度和EGR率情况下,提高发动机进气压力可使燃烧路径避开NOx和Soot的主要生成区域。
2)当进气压力大于0.25 MPa后,发动机碳烟和NOx的排放会同时降低。
3)进气压力增加会明显改善发动机动力性和经济性。
[1]Bunker B.Control of emissions from nonroad diesel engines[C]//International Symposium of the Vehicle Emission Regulations.Tokyo:National Traffic Safety and Environment Laboratory,2004:567-576.
[2]Timothy V,Johnson.Diesel emission control in review[C]//2006SAE World Congress& Exhibition.Michigan:SAE International,2006:01 -30.
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[4]韩东.柴油机低温燃烧的研究进展[J].车用发动机,2008(2):5-9.
[5]周龙保 .内燃机学[M].北京:机械工业出版社,2006:235-237.
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[7]何学良.内燃机燃烧学[M].北京:机械工业出版社,1990:441-442.
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