进气氧浓度对柴油机燃烧过程影响的仿真研究

马小康,张付军,韩恺,章振宇

(北京理工大学机械与车辆学院,北京 100081)

进气氧浓度对柴油机燃烧过程影响的仿真研究

马小康,张付军,韩恺,章振宇

(北京理工大学机械与车辆学院,北京 100081)

为分析进气氧浓度对柴油机燃烧的影响,通过调节进气氮氧比控制进气氧浓度,应用计算流体力学(CFD)软件FIRE对不同进气氧浓度下柴油机燃烧过程进行了三维仿真研究。研究结果表明:进气氧浓度影响缸内混合气质量,进气氧浓度降低,缸内浓混合气增加,扩散燃烧阶段放热速率降低。随着进气氧浓度降低,缸内最高压力和平均温度降低,柴油机燃烧品质变差。富氧燃烧时柴油机NOx排放升高,碳烟排放降低;部分负荷时,进气氧浓度降低,NOx和碳烟排放均降低。

动力机械工程;柴油机;进气氧浓度;燃烧过程;排放

0 引言

柴油机具有低油耗、高效率的特点,有着良好的经济性和动力性,因而得到越来越广泛的应用。在常规海拔条件下,柴油机的燃烧控制已经达到较高的水平,但是在高原、军事保障等特殊空气环境下柴油机还存在动力性下降,燃烧恶化和排放增加等问题。

发动机的燃烧都利用氧气作为氧化剂,其中富氧进气技术能够降低燃料的燃点,加快燃烧速度、促进燃烧完全、提高火焰温度、提高热量利用率和降低空气过剩系数;富氮进气通过燃烧抑制控制燃烧进程,有效降低氮氧化物排放,在替代废气再循环(EGR)方面具有潜力。因此,通过进气氧的份额调制进行燃烧控制将是最根本的方法[1]。近年来,随着膜空气分离技术的发展,国内对改变进气组分,调节进气氧浓度燃烧的研究步伐不断加快。吉林大学,天津大学,上海交通大学等[1-7]都在该领域都做了一定的研究。但目前,关于进气氧浓度对柴油机燃烧过程的研究,主要是采用柴油机工作过程一维仿真或者发动机台架实验的方法,而对缸内燃烧过程的微观特性研究少有涉及,进气氧浓度对柴油机燃烧过程影响机理的研究不够深入。

针对上述问题,本文应用计算流体力学(CFD)软件对不同进气氧浓度条件下柴油机燃烧过程进行了三维仿真研究,分析了进气氧浓度对柴油机缸内燃烧过程的影响。

1 计算方案

1.1 研究对象及计算模型

本文研究对象是一台增压中冷直喷式6缸柴油机,发动机主要技术参数如表1所示。

表1 发动机主要技术参数Tab.1 Specifications of the engine

根据燃烧系统结构的对称性,为节省计算时间,选取气缸的1/8区域作为计算域。为避免燃烧室轴线附近有零胞层的产生,以燃烧室轴线为旋转中心,挖去半径为0.1 mm的柱体,燃烧室计算网格如图1所示。

运用连续性方程、能量守恒方程、动量守恒方程和k-ζ-f模型,建立气体流动的CFD模型,设置数值求解方法,二阶迎风差分格式离散对流项,中心差分格式离散扩散项,全隐式格式离散非稳态项,Simple求解算法。

图1 燃烧室计算网格Fig.1 Computational mesh of combustion chamber

根据柴油机工作过程特点,燃油雾化模型采用WAVE模型,燃油蒸发模型采用Dukowicz模型,喷雾壁面相互作用模型为Walljet1模型,壁面传热采用Standard Wall Function进行模拟,燃烧模型选用ECFM3Z相关火焰模型,Extended Zeldovich+partial equilibrium的 NOx生成模型和 Kennedy Hiroyasu Magnussen碳烟生成和氧化模型。

1.2 边界设置及初始条件

模拟过程的计算从进气门关闭时刻(219°CA)开始,到排气门开启时刻(483°CA)结束,计算过程以曲轴转角作为时间步,喷雾燃烧过程计算步长0.2°CA,其他时刻计算步长为0.5°CA.计算中假设初始压力和温度均匀,初始压力为2.2 bar,进气温度333 K,初始涡流比为0.7,涡流转速1 470 r/min,发动机转速为 2 100 r/min,循环喷油量为138.7 mg/cycle,发动机处于75%部分负荷工况。

边界条件包括速度边界和温度边界。温度边界条件采用恒温边界,分别取缸盖底部温度540 K,活塞上顶面温度593 K,气缸壁温度409 K.速度边界设定,气缸壁和气缸盖为静止壁面,速度为0,活塞顶的速度等于活塞运动速度。

1.3 模型验证

根据柴油机计算模型的校准经验,重点针对ECFM3Z燃烧模型中的混合模型参数(取值范围为0.6～1.1)、WAVE破碎模型中的破碎时间常数C2(取值范围为5～60)和碳烟生成氧化模型中的生成和氧化率参数(取值范围为0～1)进行校准,并选取最适合本文中柴油机的模型参数。

为了检验选取模型的合理性,将实际空气氮氧比例下模型计算得到的缸内压力值与实测结果进行对比,如图2所示。仿真结果与实验结果最大爆压相差2.96 bar,误差为2.44%;NOx排放仿真值为7.58 g/(kW·h),实验值为7.04 g/(kW·h),误差为7.67%;碳烟排放仿真值为0.38 g/(kW·h),实验值为0.39 g/(kW·h),误差为2.63%.故认为所选模型和计算方法合理,能对模拟计算结果进行定性分析。

图2 缸内压力模拟结果与实验结果对比Fig.2 Comparison of measured and simulated in-cylinder pressures

1.4 仿真方案设计

为研究进气氧浓度对柴油机燃烧过程及排放的影响,本仿真计算中其他参数不变,仅改变进气中氮氧浓度比,表2是计算采用的空气中不同氧气、氮气浓度比,其中方案3是实际空气氮气(79.0%)、氧气(21.0%)浓度。

表2 计算方案Tab.2 Simulation schemes

2 计算结果与分析

2.1 燃烧特性分析

图3 不同进气氧浓度下缸内压力曲线Fig.3 In-cylinder pressures under different intake air oxygen concentrations

图4给出了进气氧气浓度为21.0%、18.0%、14.3%3种方案下单缸1/8分区瞬时放热率曲线。由图4可知,3种进气氧浓度下,柴油机瞬时放热率呈现“双峰”形状。“第1峰”代表预混燃烧放热阶段,放热速率快,其大小取决于滞燃期内形成的燃油空气混合气质量。“第2峰”代表扩散燃烧阶段,放热速率比预混燃烧阶段慢,燃烧放热速率取决于燃料和空气在缸内气流运动中相互扩散形成可燃混合气的速率,扩散燃烧是柴油机燃烧的主要方式,对于柴油机燃烧性能起着决定性的作用。随着进气氧浓度降低,放热率曲线的“第1峰”推迟,且其峰值也随着氧浓度的降低而降低,这表明进气氧浓度降低,虽然滞燃期增长,但其滞燃期内形成的可燃混合气总量仍减少,预混燃烧比例降低。随着氧气浓度的降低,瞬时放热率曲线的“第2峰”放热速率明显降低,这可由油气混合过程分析结果来解释,氧气浓度降低,扩散燃烧油气混合质量变差,燃油找不到充足的氧气形成可燃混合气,油气混合速率减小,柴油机缸内燃烧状况恶化,燃料未能及时放出热量,扩散燃烧放热量减少。

图4 不同进气氧浓度下瞬时放热率曲线Fig.4 Heat release rates under different intake air oxygen concentrations

表3为不同进气氧浓度下缸内燃空当量比Φ轴向分布情况,分别选取了上止点(TDC)、15°上止点后(ATDC)、30°ATDC 3个时刻。

表3 不同方案下缸内燃空当量比Φ轴向分布Tab.3 Axial distributions of in-cylinder fuel-air equivalence ratios under different intake air oxygen concentrations

从同一时刻,不同方案缸内燃空当量比分布可知,不同氮气氧气比例对燃油束雾化及混合气形成过程没有影响[5],缸内油束和混合气分布形态基本一致,但缸内混合气浓度不同。在上止点位置,燃烧初始时,缸内混合气燃空当量比分布相似。随着燃烧的进行,在燃烧中后期,随着进气氧浓度的降低,缸内浓混合气增加,15°ATDC时刻方案6中当量比大于3.0的区域明显增大。在燃烧后期,随着燃料逐渐被燃烧,缸内浓混合气减少,不同进气氧浓度下,30°ATDC时刻混合气当量比均小于3.0.

为了进一步研究进气氧浓度对缸内混合气浓度的影响,本文引入中间参数不同当量比区间混合气质量分数,来表征混合气的浓度差异[8],如(1)式:

式中:me为某一当量比区间的混合气质量;mtot为混合气总质量。

混合气浓度是燃烧及排放特性一个重要参数,为了确定进气氧浓度对缸内混合气浓度的影响,划分了5个当量比空间,分析这5个当量比空间混合气所占质量分数随进气氧浓度变化规律,如图5所示。

在所有当量比区间混合气所占质量分数中,0＜Φ≤0.5和0.5＜Φ≤1.0代表稀混合气。0＜Φ≤0.5所占质量分数最大,随着燃烧的进行,其质量分数降低,且随着进气氧浓度降低,在燃烧中后期,混合气所占质量分数降低幅度增大。随着混合和燃烧的进行,0.5＜Φ≤1.0混合气所占质量分数增大,进气氧浓度降低,混合气所占质量分数减少。因而,随着进气氧浓度降低,当量比区间0＜Φ≤1.0稀混合气所占质量分数明显减少,不利于缸内燃烧。

当量比区间1.0＜Φ≤2.0为较浓混合气,在燃烧中后期,随着进气氧浓度降低,其混合气所占质量分数明显增大,这表明进气氧浓度降低,缸内油气混合质量差,不利于燃烧。

其次，危机也会改变相关声索国的决策逻辑。长期以来，越菲等声索国利用中国的克制不断采取“以小欺大”的方式来扩大既得利益并“乐此不疲”。南海相关危机中的中国决心展示，也将使相关声索国决策中的极端民族主义思维碰壁，理性思维逐渐回归主流，从而会慢慢地转向依靠双方的合作与沟通来理性地管控分歧与争端。以菲律宾为例，2016年新上任的总统杜特尔特就职后开始快速调整菲律宾的南海政策。这很大程度上是因为，过去几年阿基诺三世政权在和中国的对抗中，菲律宾什么也没有得到。在现任菲律宾总统杜特尔特看来，“中菲南海争端的解决应该排除战争手段，转而采取渐进式谈判这一和平路径加以实现”。[33]

当量比区间2.0＜Φ≤3.0和Φ＞3.0为浓混合气,随着混合和燃烧的进行,其混合气所占质量分数变化规律类似,都是先增加后降低,随着进气氧浓度降低,该当量比区间混合气所占质量分数显著增加。

表4所示为不同进气氧浓度下缸内温度场轴向分布情况,分别选取了TDC、15°ATDC、30°ATDC 3个时刻。

图5 不同进气氧浓度各当量比区间混合气所占质量分数Fig.5 Mass fraction of each equivalence ratio under different intake air oxygen concentrations

表4 不同方案下缸内温度场轴向分布Tab.4 In-cylinder temperature distributions under different intake air oxygen concentrations K

从同一时刻、不同方案缸内温度分布可知,随着进气氧浓度下降,缸内高温区域面积逐渐减小,且最高温度逐渐降低。究其原因,柴油机的燃烧主要是扩散燃烧,进气氧浓度下降,缸内燃料得不到足够的氧气形成可燃混合气,燃烧速度降低,同时导致缸内燃料燃烧不完全,累积放热量降低,不同进气氧浓度下累积放热量曲线如图6所示,进气氧浓度降低,柴油机累积放热量降低。

图6 不同进气氧浓度下累积放热量曲线Fig.6 Accumulated heat release under different air intake oxygen concentrations

图7 不同进气氧浓度下缸内平均温度曲线Fig.7 Mean combustion temperatures under different intake air oxygen concentrations

由上述分析可知,进气氧浓度的降低,缸内稀混合气减少,浓混合气增加,缸内油气混合质量变差,燃料燃烧不完全,缸内平均温度降低,不同进气氧浓度下柴油机缸内平均温度曲线如图7所示。从图7可看出,随着进气氧浓度的下降,柴油机缸内平均温度明显降低,最高温度点向后推移。此外,从图7还可以看出,随着氧浓度的降低,燃烧过程推迟,排气温度增高。

燃烧持续期和燃烧重心是衡量发动机燃烧品质的重要指标。文中判定燃烧始点为缸内压缩过程中温度发生突变时刻[9],默认为缸内化学反应开始的时刻,燃烧终点取累积放热量达到总放热量90%的时刻[10],燃烧重心则是50%累积放热量时刻。表5为不同进气氧浓度下计算得到的燃烧持续期、燃烧重心等参数。

表5 进气氧浓度对燃烧持续期和燃烧重心的影响Tab.5 Combustion duration and center of combustion under different intake air oxygen concentrations

由表5分析可知,随着进气氧浓度降低,燃烧持续期增加,当进气氧浓度由24.0%降到16.0%时,燃烧持续期增加27.0%,这由于进气氧浓度降低,缸内混合气较浓,燃烧放热速率减缓,延长了燃烧持续期。从表5还可看出,随着进气氧浓度降低,燃烧重心推后,这表明进气氧浓度越高,越利于缸内燃料燃烧,50%燃料燃尽时刻越快,越利于柴油机在膨胀过程中做功,能量利用率高,柴油机热效率越高。从进气氧浓度对柴油机燃烧持续期和燃烧重心的影响可知,进气氧浓度越高,柴油机燃烧持续期越短,燃烧重心越贴近上止点,越有利于柴油机膨胀做功,柴油机热效率高。柴油机常用排放控制技术(EGR)会导致柴油机做功能力下降,其中一个很重要的原因就是因为EGR导致进气氧浓度降低,不利于发动机缸内燃烧,柴油机做功能力下降。

2.2 排放特性分析

根据扩展的泽尔多维奇机理,影响柴油机NOx的形成主要有高温、富氧及高温滞留时间3个因素。只要破坏了NOx的生成条件,就可以控制缸内NOx产生[11]。进气氧浓度对NOx的影响主要表现在两方面:1)进气氧浓度的大小影响燃料与氧气混合形成可燃混合气的速度,影响燃烧反应速率的快慢,进而影响缸内平均温度;2)氧气作为NOx生成的原料之一,进气氧浓度越高,NOx生成原料越丰富,在相同的条件下越利于NOx的生成。

图8是不同进气氧浓度下NOx排放质量分数,其中方案 3是实际空气氧气(21.0%)、氮气(79.0%)浓度比时柴油机NOx排放质量分数。由图8可以看出,当氧气浓度由21.0%增加到24.0%时,NOx排放增加了1.8倍。当氧气浓度降低时, NOx排放大幅度下降,进气氧浓度为16.0%时,NOx排放已降低到很低的水平,当进气氧浓度为14.3%和12.5%时,NOx排放量几乎为0.由2.1节的分析结果可知,进气氧浓度降低,缸内平均温度降低,不利于NOx的生成,同时由于进气氧浓度降低,缸内混合气中氧浓度降低,进一步抑制NOx的生成,因而,进气氧浓度是影响NOx生成的一个重要因素。

图8 不同进气氧浓度下NOx排放质量分数Fig.8 NOxemissions under different intake air oxygen concentrations

影响碳烟生成的主要有高温和混合气当量比两个因素,当进气氧浓度变化时,一方面影响缸内燃烧温度,一方面影响混合气的当量比,这两方面作用相反,碳烟生成受这两方面共同作用决定。图9是不同进气氧浓度下碳烟排放量,其中方案3是实际空气氮氧浓度比下碳烟排放量。

图9表明,当氧气浓度由21.0%增加到24.0%时,碳烟排放下降。这是由于随着进气氧浓度升高,缸内处于高温富氧环境,促进碳烟氧化,碳烟排放降低。当氧气浓度降低,碳烟排放逐渐降低,这主要是由于本文中发动机处于部分负荷工况,当进气氧浓度为21.0%时,其过量空气系数为2.3,缸内氧气总量充足,碳烟生成主要取决于缸内燃烧温度,进气氧浓度降低,缸内温度降低,碳烟生成速率降低,碳烟

图9 不同进气氧浓度下碳烟排放量Fig.9 Soot emissions under different intake air oxygen concentrations

3 结论

1)降低进气氧浓度可以降低缸内最大爆发压力,同时扩散燃烧阶段放热速率降低,燃料燃烧不充分,缸内累积放热量降低,缸内高温区域减少,且缸内最高温度降低。

2)进气氧浓度对燃油束雾化及混合气形成过程没有影响,缸内油束和混合气分布形态基本一致,但其影响缸内混合气浓度。燃烧初始时,缸内混合气燃空当量比分布相似,随着燃烧的进行,在燃烧中后期,随着进气氧浓度的降低,缸内浓混合气增加。

3)进气氧浓度降低增大柴油机燃烧持续期,推迟燃烧重心,柴油机做功能力下降。

4)降低进气氧浓度可以得到较低的NOx排放水平。进气富氧可以降低柴油机碳烟排放,部分负荷时,进气氧浓度降低,碳烟排放降低。

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Simulation Study into Effect of Intake Air Oxygen Concentration on Combustion Process in Diesel Engine

MA Xiao-kang,ZHANG Fu-jun,HAN Kai,ZHANG Zhen-yu
(School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

In order to investigate the effect of intake air oxygen concentration on the combustion process in diesel engine,computation fluid dynamics(CFD)software FIRE is used to simulate the combustion process in terms of the ratio of oxygen and nitrogen in intake air.The results show that intake air oxygen concentration affects the quality of fuel-air mixture.With the decrease in intake air oxygen concentration, the rich fuel-air mixture increases,which leads to a decrease in heat release rate in the stage of diffusion combustion.The decrease in intake air oxygen concentration reduces the in-cylinder peak pressure and combustion temperature,and the quality of combustion becomes worse.The oxygen-enriched combustion leads to a remarkable increase in NOxemission and a decrease in soot emission;with a decrease in intake air oxygen concentration at part load,both NOxand soot emissions decrease.

power machinery engineering;diesel engine;intake air oxygen concentration;combustion process;emission

TK421

A

1000-1093(2014)07-0945-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.07.001

2013-10-16

马小康(1989—),男,博士研究生。E-mail:maxiaokang1989@163.com;

张付军(1966—),男,教授,博士生导师。E-mail:zfj123@bit.edu.cn