内部EGR对柴油机HCCI高负荷拓展因素的影响

王英豪，李人宪

（西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031）

0 引言

均质压燃模式（HCCI）作为一种新型高效的燃烧模式能够显著改善发动机的燃油经济性，且能大幅降低排放，但其着火和燃烧的难以控制和负荷运行范围的狭窄是制约其技术产业化的关键问题。研究表明，均质压燃模式的着火和燃烧主要受混合气燃烧时本身的化学反应动力学控制，宏观上表现为受混合气性质、组分、缸内温度及压力变化历程的影响。因此改变EGR率、压缩比、进气温度等间接方法都可以对HCCI燃烧进行控制和拓展其负荷运行范围。

EGR率能同时改变进气温度、缸内压力、缸内温度等因素，是影响混合气化学动力学性质的重要因素。本文以某型柴油机为例，建立柴油发动机HCCI燃烧仿真平台，采用计算流体力学（CFD）的方法仿真计算HCCI燃烧的完整工作循环，通过改变EGR率来探究其对柴油机高负荷拓展的作用和燃烧特性的影响。

1 柴油机的计算模型

1.1 柴油机参数和计算网格

表1为某型柴油机主要技术参数。建立的某型柴油机的计算网格模型如图1所示。为实现活塞和进排气门的运动，采用AVL－Fire自带的动网格模块实现活塞和气阀的运动。在保证精度和节省计算时间的情况下，划分的网格总数为上止点时约为22万，下止点时约为75万。

表1 某型柴油机主要技术参数

1.2 数学模型和初始边界条件的选定

采用SIMPLE算法实现压力与速度方程的耦合，并利用流体力学连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和化学反应组分平衡方程描述气缸内工质的变化过程。其中，湍流模型选用k－z－f模型，柴油机燃烧模型选用涡破碎模型（Eddy Breakup Model），燃油蒸发模型和液滴破碎模型选用Dukowicz模型和wave模型。

图1 某型柴油机计算网格模型

由于边界条件的准确与否直接影响计算的精度和计算结果的准确，为此我们先进行整机一维模型工作过程仿真计算，将计算结果作为多维缸内模拟计算的初始和边界条件。

2 柴油机整机模块计算及工况点选择

2.1 整机工作过程计算

首先通过柴油机一维整机仿真模型进行计算，计算得到的部分工况点的温度和燃空当量比关系如图2所示，其中所标数值为最高平均指示压力。从图2中可知，C点和D点所能实现的平均指示压力较高，但排放处于SOOT区和NOX区，而A点和B点尽管平均指示压力较低，但处在HCCI模式的范围之内，避开了SOOT区和NOX区。

2.2 初始计算工况点选择

从上述整机工作过程计算得到的符合HCCI燃烧的工况点中选择一组数据，作为缸内工作过程计算分析的初始条件和边界条件，进而计算不同内部EGR率情况下HCCI燃烧的性能指标。选择B点工况进行三维详细计算，具体参数见表2。

3 缸内工作过程计算结果分析

3.1 EGR率对缸内平均燃烧温度的影响

低温燃烧是HCCI燃烧的基本要求，而不同EGR率对缸内燃烧温度有着较大的影响，距离缸盖5mm处缸内横截面平均温度如图3所示。由图3可知，随着EGR率的增大，缸内平均燃烧温度逐渐降低。分析其主要原因是：①废气中含有的二氧化碳和水蒸汽等气体对新鲜充量起到了稀释作用，即降低了氧气的含量，从而降低了燃烧的反应速率；②废气中的二氧化碳和水蒸汽等气体比热容较大，与新鲜充量混合后也同时增大了整个混合气的比热容，加热这种废气稀释的气体需要的热量更多，所以缸内平均燃烧温度随之降低。

图2 工况点的温度和燃空当量比关系

表2 B点工况具体参数

图3 距离缸盖5mm处缸内横截面平均温度

3.2 EGR率对燃空当量比的影响

HCCI燃烧的一个重要前提是具有一定的燃空当量比，不同EGR率对燃空当量比的影响如图4所示。从图4中可以看出，随着EGR的增大，燃空当量比逐渐降低。分析其主要原因是：①废气量逐渐增加，使得混合气逐渐稀薄；②高温废气促进燃油的蒸发，使混合气整体也更加均匀。当EGR为35%时，混合气分布最为均匀，虽然有局部当量比较高的地方，但最高值没有超过1.65，结合图3可知，燃烧温度的分布与均质混合气的分布有一定的关系。

图4 距离缸盖5mm处缸内横截面燃空当量比

3.3 EGR率对HCCI燃烧持续期的影响

燃烧持续期一般定义为燃烧质量分数为10%～90%之间的曲轴转角，它反映了燃料燃烧的反应速率。图5为内部EGR率与HCCI燃烧持续期的关系。从图5中可以看出，在EGR率小于35%时，燃烧持续期随着EGR率的增加而缩短。这是因为随着EGR率的增加，高温废气对新鲜充量起到了加热作用，混合气更加均匀，所以缸内一旦着火，就会以很快的速率结束燃烧。在EGR率为35%的时候，燃烧持续期最短。但当EGR率超过了35%，高温废气在加热新鲜充量的同时也稀释了新鲜充量，混合气的比热容升高，从而降低了能量的释放速度，也就减缓了燃烧速率，使得HCCI的燃烧持续期也随之延长。

3.4 EGR率对最高压力升高率的影响

压力升高率的高低关系着发动机的运行寿命，如果压力升高率过高，在运行过程中柴油机零部件会受到较大的冲击负荷。图6为EGR率与缸内最大压力升高率之间的关系。从图6中可以看出，气缸内的最大压力升高率随着EGR率的增加而降低。主要原因是：随着EGR率的增加，气缸内的废气与新鲜充量混合后，混合气的比热容增大，再加上对新鲜充量的稀释作用，降低了HCCI燃烧速率，最大压力升高率也就减小了。

3.5 EGR率对IMEP（平均指示压力）的影响

在HCCI燃烧模式下，计算得到的内部EGR率和IMEP的变化关系如图7所示。从图7中可以看出，随着内部EGR率的增大，IMEP先增大后减小，在内部EGR率为35%左右时达到最大，为0.573MPa。主要原因是：①随着内部EGR率的增大，缸内的高温废气对新鲜冲量的加热作用逐渐显著，促进燃油的蒸发形成均质混合气，更易实现HCCI燃烧，IMEP也随之不断增大；②但是随着EGR率的进一步增大，缸内废气量也逐渐增多，从而降低了进气量，致使燃烧恶化，结果造成了IMEP的降低。

图5 内部EGR率和燃烧持续期的关系

图6 内部EGR率和压力升高率的关系

图7 内部EGR率和IMEP的关系

4 结论

随着内部EGR率的增大，在柴油机HCCI燃烧模式下，气缸内平均燃烧温度逐渐降低；随着内部EGR的增大，燃空当量比逐渐降低，缸内混合气分布逐渐稀薄；随着内部EGR率的增大，柴油机HCCI燃烧持续期出现先缩短后延长的趋势，并在EGR率为35%左右时，燃烧持续期最短，而后燃烧持续期又延长；随着内部EGR率的增大，柴油机HCCI燃烧条件下的气缸内压力升高率逐渐降低；随着内部EGR率的增大，IMEP先增大后减小，并在EGR率为35%时达到最大，为0.573MPa。

［1］李华.基于废气再循环策略的均质压燃模式试验与仿真研究［D］.长春：吉林大学，2012：15－17，67－68.

［2］桂勇，孙佑成，徐敏，等.内部EGR及增压拓展柴油HCCI燃烧负荷范围试验研究［J］.车用发动机，2012，19（2）：35－40.

［3］张全长，尧命发，郑尊清，等.正丁醇对柴油机低温燃烧和排放的影响［J］.燃烧科学与技术，2010，16（4）：363－368.

［4］李华，程鹏，谭满志，等.可控自燃模式下负气门重叠策略与废气再吸入策略的对比分析［J］.吉利大学学报（工学版），2011，41（1）：47－52.

［5］贾明，彭志军，解茂昭，等.进气门晚关对柴油HCCI燃烧和排放影响的数值模拟［J］.内燃机学报，2010，28（3）：199－206.