CFD耦合化学动力学模拟EGR对柴油机燃烧的影响

李军成　韩志玉　李佳峰　陈征

摘要：研究了柴油机低速部分负荷工况引入不同EGR对缸内燃烧排放特性的影响. 将CHEMKINⅡ化学反应求解器集成到KIVA 3V Release 2程序中， 用正庚烷化学反应机理替代柴油燃烧， 建立柴油机缸内燃烧数值模拟模型； 结合试验数据， 模拟分析喷油时刻保持不变， EGR率（废气再循环）从0%增加到 60%的燃烧过程、NOx和碳烟排放. 结果表明： 引入大比例EGR后点火延迟明显增长， 燃烧相位推迟， 燃烧温度降低； 较低燃烧温度避开了NOx的高浓度生成区， EGR率60%时NOx排放比无EGR时降低93.5%； 但高EGR率未使燃烧路径避开碳烟生成区， 加之较低的氧浓度不利于碳烟的氧化， 碳烟排放增高.

关键词：柴油机；废气再循环；燃烧模拟；化学动力学

中图分类号：TK421.2 文献标识码：A

各工况模拟计算的缸内压力曲线和放热率曲线如图9所示.由图可知，随着EGR率的增加，滞燃期增长，使得燃烧相位移向膨胀行程.引入的EGR改变了进气的组分，使得缸内压缩压力略有降低且随着EGR率的增大降低幅度增大.在着火延迟增加和压缩压力下降的共同影响下，大EGR率的缸内燃烧压力相对较低.

4结论

1）编写的接口程序成功地将CFD程序KIVA和气相化学反应求解器CHEMKIN耦合起来，实现了缸内流场求解与化学反应的联合模拟，形成了基于化学动力学机理的柴油机模拟燃烧模拟平台.

4）在喷油参数不变的条件下，大比例EGR虽然控制缸内温度，但是燃烧过程中局部过浓的现象仍然存在，燃烧路径无法完全避开高浓度碳烟生成区.因此，要实现低碳烟排放，必须优化喷油策略，增加油气混合的均匀度.

参考文献

[1]GAN S Y， NG H K， PANG K M. Homogeneous charge compression ignition （HCCI） combustion： implementation and effects on pollutants in direct injection diesel enginesJ]. Applied Energy， 2011， 88（3）：559-567.

2]DEC J E. Advanced compressionignition engines understanding the incylinder processesJ]. Proceedings of the Combustion Institute， 2009， 32（2）：2727-2742.

3]HANSON R M， KOKJOHN S L， SPLITTER D A， et al. An experimental investigation of fuel reactivity controlled PCCI combustion in a heavyduty engineJ]. SAE International Journal of Engines， 2010， 3（1）：700-716.

4]KONG S C， MARRIOTT C， REITZ R D， et al. Modeling and experiments of HCCI engine combustion using detailed chemical kinetics with multidimensional CFDR]//USA：SAE Technical Paper Detroit， Michigan， 2001-01-1026.

5]AMSDEN A A. KIVA3V， RELEASE 2， improvements to KIVA3VR].USA： Los Alamos National Laboratory， LAVR99915，1999.

6]KEE R J， RUPLEY F M， MILLER J A. ChemkinⅡ：a fortran chemical kinetics package for the analysis of gasphase chemical kineticsR]. USA： Sandia National Laboratories， SAND898009，1989.

7]HAN Z Y， ULUDOGAN A， HAMPSON G J， et al. Mech anism of soot and NOx emission reduction using multipleinjection in a diesel engineC]// SAE Technical Paper，960633， Detroit， Michigan， USA：1996：960633.

8]HIROYASU H， KADOTA T， ARAI M. Development and use of a spray combustion modeling to prediction dieselengine efficiency and pollutant emissions （ Part 1 combustion modeling）J]. Bulletin of the JSME， 1983， 26（214）：569- 575.

9]NANLE J， STRICKLANDCONSTABLE R F. Oxidation of carbon between 1000～2000°CC]//Proceeding of the Fifth Carbon Conference.Oxford，UK： Pergamon Press， 1962：154.

10]RA Y， REITZ R D. A reduced chemical kinetic model for IC engine combustion simulations with primary reference fuelsJ]. Combustion and Flame， 2008， 155（4）：713-738.

11]SUN Y. Diesel combustion optimization and emissions reduction using adaptive injection strategies （AIS） with improved numerical models D]. Madision： DERC University of WisconsinMadision， 2007.

12]FIEWEGER K， BLUMENTHAL R， ADOMEIT G. Selfignition of SI engine model fuels： a shock tube investigation at high pressureJ]. Combustion and Flame， 1997， 109（4）：599-619.

13]ZHOU T， HAN Z， CHEN Z， et al. A study on a passenger car diesel engine fueled with butanoldiesel blend under typical operating conditionJ]. Applied Mechanics and Materials， 2012， 190/191： 1345-1350.

14]王 浒， 尧命发， 郑尊请， 等. 多次喷射与EGR耦合控制对柴油机性能和排放影响的实验研究J].内燃机学报， 2010， 28（1）： 26-32.

WANG Hu， YAO Mingfa， ZHENG Zunqing， et al. Experimental study of the influence of multiinjection coupled with EGR on diesel performance and emissions J]. Transactions of CSICE， 2010， 28（1）： 26-32. （In Chinese）

15]KITAMURA T， ITO T， SENDA J， et al. Mechanism of smokeless diesel combustion with oxygenated fuels based on the dependence of the equivalence ration and temperature on soot particle formationJ]. International Journal of Engine Research， 2002， 3（4）：223-248.