进气掺混 H2和 CO2对柴油机燃烧及排放的影响

进气掺混H2和CO2对柴油机燃烧及排放的影响

程晓章1,赵世超1,肖萍2

(1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥230009;2.盐田国际集装箱码头有限公司 港口发展部,广东 深圳518081)

摘要:文章利用Fire软件建立了ZS195柴油机缸内工作模型,在掺氢EGR(exhaust gas recirculation)的条件下,利用CO2模拟废气,模拟了4种掺混比例的气体(2%H2,2%H2+5%CO2,2%H2+10%CO2,2%H2+15%CO2)对ZS195柴油机的燃烧过程和排放的影响。模拟计算结果表明：柴油机掺氢燃烧可以在一定程度上提高热效率；而随着EGR率的提高,缸内最高温度减小,最高爆发压力降低,着火点推迟。因此,可以通过选取适当的EGR率来提高柴油机热效率，同时减少氧化物的排放。

关键词:掺氢EGR;柴油机;数值模拟

收稿日期：2014-09-27；修回日期：2015-01-05

基金项目：国家发改委和工信部产业振兴和技术改造资助项目(发改投资[2012]1938)

作者简介：程晓章 (1966-),男,安徽太湖人,合肥工业大学副教授,硕士生导师.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.10.002

中图分类号:U467.48

Influence of inlet mixed with H2and CO2on diesel

engine combustion and emissions

CHENG Xiao-zhang1,ZHAO Shi-chao1,XIAO Ping2

(1.School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Port Development Department, Yantian International Container Terminals Co.,Ltd., Shenzhen 518081, China)

Abstract:The ZS195 diesel engine cylinder working process model is established by Fire software, and under the condition of hydrogen combined with exhaust gas recirculation(EGR), the impact of four different mixing proportions including 2%H2, 2%H2+5%CO2, 2%H2+10%CO2, and 2%H2+15%CO2 on ZS195 diesel engine combustion and emissions is simulated by using simulated flue gas CO2. The simulation results show that under the condition of hydrogen combustion of diesel engine, the thermal efficiency is improved to a certain extent. With the improvement of EGR rate, the maximum cylinder temperature decreases, the cylinder peak pressure decreases, and the ignition point postpones. So the EGR rate should be controlled properly to control the combustion rate and emissions.

Key words:hydrogen combined with exhaust gas recirculation(EGR); diesel engine; numerical simulation

0引言

柴油机因具有热效率高、使用寿命长、可靠性强、燃油经济性好的优点,处在所属产业链核心位置。氢气具有着火能量小、扩散系数大、火焰传播速度快、着火界限宽等优点, 被认为是内燃机理想的代用燃料[1]。文献[2]通过研究得出了掺氢燃烧能降低柴油机烟度、CO、CO2排放水平的结论,但掺氢虽然能提高柴油机热效率,却导致柴油机缸内温度升高,给NOx提供了有利的生成环境[3]。

EGR(exhaust gas recirculation)系统的作用是将部分废气引出排气系统,再进入进气系统,使其再度燃烧。EGR通过对进入进气系统的废气量进行最佳的控制和调节,能有效控制NOx的排放[4]。本文利用CO2模拟废气,通过改变CO2的体积分数来改变进气系统的废气量,模拟不同的EGR率,对柴油机缸内燃烧过程和排放进行数值模拟,以实现在掺氢提高柴油机热效率的同时,降低NOx排放。

1缸内工作模型的建立和验证

1.1缸内工作模型的建立

在ESE-Diesel模块中,柴油机只计算从进气门关到排气门开的高压循环,因此边界类型均可默认为Wall,只需定义壁面温度即可。为了保证中心网格是六面体,在中心处形成的面应设置为Symmetry(对称界面)。活塞边界条件的设置如图1所示。

图1　活塞边界条件的设置

瞬态计算时要正确设置初始条件。对于只计算高压循环的柴油机,初始条件决定了气缸内的空气质量和初始状态。压力和温度的数值可采用试验值,也可用Boost计算后对应时刻(即进气门关)的数值。由于本文采用模拟掺氢EGR,模拟计算从进气门关闭开始至排气门打开结束,需在初始条件中定义各种气体的初始体积分数。初始条件设置界面如图2所示,包括进气门关闭时流场的初始压力、温度和几个湍流参数[5]。

图2　初始条件设置

1.2缸内工作模型的验证

利用已经建立好的模型对ZS195柴油机进行燃烧模拟计算。在标定工况下,ZS195柴油机缸内压力的模拟计算值和试验值随曲轴转角变化的曲线如图3所示。

图3　ZS195柴油机缸内压力的模拟值与试验值对比

从图3可以看出,模拟燃烧过程的燃烧始点、最大燃烧压力相位与试验值比较接近,但模拟计算所得的最高燃烧压力要大于试验值。在前期压缩过程中,缸内压力的模拟值比试验值大；在后期排气门开启前,模拟缸内压力值要比试验值下降得慢。这是因为模拟计算时没有考虑气缸壁面和缸内工质之间的热传递和热辐射现象。因此在标定工况下,ZS195柴油机缸内压力的模拟值和试验值的变化趋势基本一致,说明本文建立的燃烧模型较为合理[6]。

2模拟方案

柴油机标定工况下对4种不同比例的掺混H2和CO2进行模拟研究，掺混方案见表1所列。

表1　掺混H 2和CO 2的方案

3模拟结果及分析

3.14种方案平均压力和平均温度分析

4种方案全过程的平均压力和平均温度如图4所示,以最高压力排行从上到下分别为方案A、方案B、方案C、方案D。

由图4可以看出,方案A的最高压力和燃烧温度都是最高的,方案D的最高压力和燃烧温度都是最低的,基本规律是随着CO2体积分数的增加,平均最高燃烧温度和平均最高压力减小,这与理论规律相符合,CO2抑制燃烧,导致燃烧温度和压力降低[7]。相同H2含量时,随着EGR率的增加,最高燃烧温度和压力在降低。

对高温、高压区(燃烧温度T>1 600 K、压力P>6 MPa的时间段)曲轴转角的统计结果见表2所列。

从表2可以看出,CO2比例的增加,导致高温、高压区曲轴转过的角度减小,即高温、高压的持续时间减短,而高温、高压是导致NOx增加的主要原因,故NOx的排放减少。

图4　4种方案全过程的平均压力和平均温度

方案T>1600K曲轴转角/(°)曲轴转过角度/(°)P>6MPa曲轴转角/(°)曲轴转过角度/(°)A717~79073717~74124B724~79066725~74116C730~79060729~74112D732~79058732~7419

对4种方案的最高温度值、最高压力值及其对应的曲轴转角的统计,见表3所列。

表3　最高温度、最高压力值及其对应的曲轴转角

由表3可以看出,随着进气中CO2比例的增加,最高温度的曲轴转角提前;而随着CO2比例的增加,最大压力出现的曲轴角度延后,这是由于CO2抑制燃烧导致的。

3.24种方案的温度场和压力分布

4种方案的着火点、最高压力、最高温度的温度场分布如图5所示。

纵向比较图5中最高平均温度对应的温度场分布可以看出,随着CO2比例的增加,火焰分布明显变差,燃烧状况变差。这是由于H2易燃、热值较高,掺氢使得缸内整体燃烧温度有所提高,但加入CO2使得局部高温区被抑制,缸内燃烧较为均匀,减少了因高温生成NOx的机会,可见EGR率提高会抑制燃烧的进行,从而降低NOx的排放,但同时会使碳烟排放增大[8]。

4种方案着火点、平均最高压力、平均最高温度时的压力分布如图6所示。

由图6可以看出,随着CO2比例的增加,在缸内相同点压力减小,压力分布更加集中,缸内最高燃烧压力呈下降趋势。这和EGR燃烧趋势是一致的,即EGR率的增加,导致缸内废气量即CO2和水蒸气的量增加,对缸内燃烧过程起一定抑制的作用,使缸内最高压力下降,同时缸内混合气比热增大,平均温度也呈现下降趋势。

图5　4种方案着火点、平均最高压力、平均最高温度对应的温度场分布图( y轴、 z轴视角)

图6　4种方案着火点、平均最高压力、平均最高温度对应的压力分布图( y轴、 z轴视角)

3.3排放分析

方案A、B、C、D全过程的平均NO排放如图7所示。图7中平均NO的排放量从大到小排列分别为方案A、方案B、方案C、方案D。随着CO2体积分数的升高,柴油机的着火时刻推迟,同时NO的排放量也依次减少。由于柴油机排放的NOx的主要成分是NO,可以认为随着CO2的增加,NOx的排放量在减少。其主要原因是CO2的加入使燃烧的平均温度降低,有利于在燃烧过程中抑制NO的生成,使得NO的生成量减少。

图7　平均NO排放图

4结论

本文以ZS195柴油机为模型,利用Fire软件进行了掺氢EGR的数值模拟,研究了掺氢混合气(H2、CO2)对缸内燃烧以及排放的影响。

通过试验得出以下结论:

(1) 随着EGR率增加,缸内整体火焰分布明显变差,局部高温区受到了抑制使得高温区域减小,同时高压、高温工况的持续时间减短,NOx生成量减小。故而适当调配EGR率,能控制缸内温度和压力,从而达到改善燃烧与排放的效果。

(2) 在相同工况下,随着CO2体积分数(EGR率)的升高,缸内最高温度减小,最高缸内爆发压力降低,着火点推迟。方案D(2%H2+15%CO2)与方案A(2%H2)相比,缸内最高温度减小了2.7%,缸内最高爆发压力降低了18%,着火曲轴转角推迟了14°。

[参考文献]

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[2]Bose P K,Maji D. An experimental investigation on engine performance and emissions of a single cylinder diesel engine using hydrogen as inducted fuel and diesel as injected fuel with exhaust gas recirculation[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2009 34(11):4847-4854.

[3]王作峰,左承基,陈汉玉,等. ZS195柴油机无氮(O2/CO2)燃烧的排放特性[J]. 合肥工业大学学报:自然科学版,2013,36(3):257-260.

[4]张韦,舒歌群,沈颖刚，等. EGR与进气富氧对直喷柴油机NO和碳烟排放的影响[J]. 内燃机学报,2012,30(1):16-21.

[5]程报.柴油机EGR掺氢燃烧及柴油废气重整化学动力学建模[D]. 合肥:合肥工业大学,2007.

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[7]杨浩林,赵黛青,鲁冠军. CO2稀释燃料对富氧扩散燃烧中NO生成的抑制作用[J]. 热力动能工程,2006,21(1):43-47.

[8]贾和坤,刘胜吉,尹必峰，等. EGR对轻型柴油机缸内燃烧及排放性能影响的可视化[J]. 农业工程学报,2012,28(5):44-49.

(责任编辑胡亚敏)