小型柴油机EGR+富氧燃烧排放特性模拟分析

2018-04-25，，

计算机测量与控制 2018年4期

，，

(1.上海工程技术大学机械工程学院，上海 201620; 2.上海工程技术大学汽车工程学院，上海 201620)

0 引言

柴油机是所有内燃机中效率最高的一种动力装置，它凭借着良好的动力性、经济性以及耐久性而越来越广泛地应用于各种车辆和动力装置[1]。由于各种先进技术在柴油机上的使用，它也逐渐从传统的给人以笨重、冒黑烟及噪音大的印象改变为效率高且节能的发动机。然而随着人们环保意识的增强和排放法规的日益严格，控制其有害排放物技术已成为柴油机实际推广应用的关键[2]。特别是小型单缸柴油机，目前还缺少十分行之有效的方法控制其排放[3]。目前，富氧燃烧是一种减少柴油机颗粒物排放的方法，但同时也会带来负面影响，比如说NOx的排放将会增加，富氧，高温时氮氧化物产生的必要条件，因此富氧燃烧并不能从根本上解决柴油机排放问题；废气再循环技术(EGR)目前被广泛应用到机动车中，但也有一定的问题存在，这项技术的使用不可避免的将会导致动力性的下降，这对柴油机来说是致命的，同时也使燃油不能充分的燃烧，导致颗粒物的增加，限制了柴油机的排放控制；三元催化技术能有效的解决NOx和颗粒物的排放，由于它的特殊要求，目前很少应用到柴油机上，特别是单缸柴油机上。综合目前排放控制技术的优缺点，本文提出了一种EGR+富氧燃烧的新方法，既强化燃烧又减少小型柴油机有害物的排放，进一步满足排放法规的要求。

1 计算的主要模型

FIRE 软件对压燃式发动机数值模拟的过程主要包括根据发动机的结构参数建立燃烧室的几何模型，对燃烧室的几何模型进行划分网格，根据实验数据及经验设置发动机燃烧初始条件、边界条件等，以及选择合适的缸内气体流动，燃烧及排放模型。

1.1 建立燃烧室几何模型

本文以某小型单缸柴油发动机为研究对象，其基本参数及边界条件见表1。

单缸小型柴油机活塞上的燃烧室形状为ω型，凹坑中心偏离气缸中心稍许，将其简化成以气缸中心为对称的燃烧室。为缩短计算时间，将燃烧室根据喷油器喷孔的个数简化燃烧室，只计算了单个喷孔对应的燃烧室。通过 FIRE 软件中ESE 模块，对此发动机的燃烧室结构形状进行简化处理，利用 ESE 模块中预设的活塞和喷油器的几何模型建立了发动机燃烧室几何仿真模型。图1为燃烧室形状示意图。

1.2 计算网格划分

对于柴油机缸内过程的多维数值模拟，因存在活塞的往复运动。应用动网格可以真实地反映柴油机实际工作情况。为了缩短计算时间，本文通过FIRE软件中的ESE模块，建立了从进气门关闭到排气门打开，这段时间燃烧室的动网格；计算采用六面体网格，对七分之一燃烧室进行网格划分，在整个模拟计算过程中活塞顶面燃烧室内部的网格大小和数目是固定不变的，只随活塞一起运动，网格数为1496，特殊位置(上下止点)网格如图2所示。

表1 柴油机主要结构和运行参数

图1 燃烧室形状示意图

图2 燃烧室网格模型

1.3 其他仿真参数及模型的选取

本文中EGR率以进气中模拟气CO2的含量表示，EGR温度与进气温度相同，缸内气体流动根据求解质量守恒、动量守恒和能量守恒方程组来实现，为使方程组封闭，需要建立完整的仿真模型及合适的运行参数。相关模型选取[4]如下：燃烧模型选用Coherent F1ame Model，NOx生成模型选用Extend zeldovich，Soot生成模型选用Kinetic 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；相关运行参数选取如表1所示。

1.4 数值计算模型验证

图3是该型号柴油机燃用柴油时(2000 r/min 全负荷工况)缸内压力数值模拟结果与实验测量值的对比图。从图中可以看出，数值模拟计算得到的缸内压力与实际测量的缸内压力趋势相同，吻合度较好。同时也可以看出，数值模拟计算结果与发动机台架试验实际测试的结果不尽一致，两者存在差别的原因主要是本文建立几何模型以燃烧室为主，进气结束时的湍流强度通过经验公式求得。同时一些边界条件也采用经验估计值，如缸盖、缸壁、活塞初始平均温度值。而且数值模拟的喷油规律与实际的喷油规律存在一定的差异。但总的看来，选取的数值模型比较合理。

图3 计算结果与实验值对比

2 模拟结果与分析

柴油机尾气排放中，颗粒物和氮氧化物是主要的污染物，故以二者的排放情况，作为该小型单缸柴油机排放好坏的指标。

2.1 NOx排放特性

氮氧化物是大气主要污染物之一，它主要包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、氧化亚氮(N2O)、亚硝酸酐(N2O3)、四氧化二氮(N2O4)、硝酸酐(N2O5)。其中 NO 和 NO2(统称为 NOx)所占比例最大，达 98%以上[5]。柴油车排放的 NOx主要是 NO，约占 95%，其次是 NO2，约占 5%，由于NO所占的比例较大，故选取NO作为主要的研究对象。

由图4可知，随着氧含量的增加，排气中NO的平均质量分数也相应的增加，这是由于NO产生条件决定的，高温富氧有利于NO的产生，当氧含量为26%时，NO显著上升，如果再增加氧气的含量，将产生大量的NO，不利于排放气体中NO的减少；图5(a)显示在富氧条件(氧含量23%)下，当CO2加入量不多的情况时，NO平均质量分数随着CO2的加入而减少，这是由于CO2的比热容高，能降低燃烧室内的温度，防止NO的增加[6],由(b)可知，当CO2的含量大于21%时，NO平均质量分数将进一步上升，并且CO2加入量很多时，NO急剧上升，表明在CO2加入量达到一定时，CO2高温分解产生的O2浓度显著提高，CO2降温变得次要了；图7表明在相同CO2(21%)加入量条件下，增加氧含量将促进NO的产生。由此可知，加入过量的CO2以及氧含量过多都将使NO产生增加，适量的CO2以及氧含量将有利于控制排放中的NO含量。

图4 不同氧含量NO质量分数与曲轴转角关系

图5 NO质量分数与曲轴转角关系

图6 NO质量分数与曲轴转角的关系(CO2下不同O2比例)

2.2 soot排放

颗粒物(PM)是柴油机尾气排放中，又一主要的污染物[7]，有四部分组成：碳烟(soot)、硫酸盐、可溶性有机物(SOF)以及来自润滑油和燃烧室表面脱落的金属成分，其中soot占主要部分。

图7显示的是在无CO2加入下，随着氧含量的增加，soot的含量呈下降趋势，这是由于增加氧气(稀燃)将使多余的颗粒物进一步燃烧，从而减少颗粒物的排放；图8表明在富氧条件下，加入少量的CO2对soot的产生影响不大[8]，随着CO2的增加，soot的排放逐渐降低，当CO2达到32%时，降低幅度很明显；图9在相同的CO2加入量下，增加氧含量将有利于减少soot的排放。由此可知，富氧燃烧能减少soot的排放，用EGR方式的CO2取代N2，当CO2达到一定量时，也将降低soot的排放。

综上所述，适当的CO2加入量(21%)以及合适氧含量(23%)将有利于小型柴油机尾气的排放。

图7 不同氧含量soot质量分数与曲轴转角的关系

图8 soot质量分数与曲轴转角的关系(富氧下不同CO2比例)

图9 soot质量分数与曲轴转角的关系(CO2下不同O2比例)

2.3 燃烧特性

以上可知，适当加入CO2以及合适的氧气含量有利于小型柴油机尾气的排放，本文针对21% EGR(CO2)+23% 富氧的发动机缸内燃烧情况进行分析。

图10是此单缸直喷柴油机2000 r/min时，不同曲轴转角下缸内温度场切片图。在 724°CA 时，燃料喷入燃烧室，燃油温度较低，此时燃烧室内温度和压力较高，燃油喷入缸内后快速蒸发，并与周围的空气迅速发生氧化反应。在 735°CA 时，在油束周围温度已有较大的升高，特别是油束末端温度升高较快；同时可以看到，由于缸内气体运动，油束偏离喷入的方向，在油束喷雾末端周围出现明显的着火燃烧现象。随着油束向前运动，在缸内气流作用下位于喷雾浓侧的高温区温度逐渐升高。随着油束向前运动以及油滴不断的分裂、破碎，缸内最高温度不断升高，在接近 750°CA 时刻，高温火焰碰到壁面。同时可看到，在这段曲轴转角范围内，柴油燃烧的高温区主要分布在喷雾一侧略靠近中间位置，且在缸内气流作用下沿垂直于喷雾方向朝单侧扩散。在燃烧后期，由于燃烧涡流和逆挤流的作用，燃烧布满整个燃烧室，使燃烧逐渐向气缸壁靠近，此时的高温区域也主要出现在燃烧室的侧壁上。

图10 不同曲轴转角下的缸内温度切片图

压燃式发动机的燃料经喷油器喷入燃烧室后，在喷射压力的作用下燃料急速分散成很细小的燃料颗粒，燃料迅速与燃烧室内的气流进行混合。燃料与燃烧室气流混合质量的好坏对后续的燃烧有重大影响，进而影响到发动机的性能指标及排放指标。此小型单缸柴油机喷油器的喷油起始点为 724°CA，结束点为 744°CA。模拟计算了期间喷油器喷射的燃料进入燃烧室后的雾化过程。由图11可以看出，燃料在喷入燃烧室的初期，由于受到较高喷油压力的影响，燃料喷射速度比较大，远远高于燃烧室中的热空气气流的流动速度。喷入燃烧室的燃料碰到燃烧室壁面后，大部分沿着燃烧室壁面向下运动，形成明显受制于燃烧室形状的顺时针涡流运动。而一小部分燃料则向上发散，随着压缩过程的进行，活塞继续上行，在活塞边缘顶部和气缸盖底面之间形成的气流(即挤流)向燃烧室中心运动，与向上发散的小部分燃料混合形成较小的流速相对较低的逆时针涡流，但这个小的逆时针涡流很快就被流速较高的大涡流削弱并消失。与此同时由于受到后续燃料喷入和活塞上行的作用，大部分燃料与空气混合后形成的顺时针大涡流得以进一步加强。随着喷油的结束，活塞由上止点向下运动，膨胀过程开始，在 740°CA 时气缸容积有所增大，但气流形成更大的顺时针流动；到 750°CA 的时候，燃烧室中气流的涡流强仍然较高，与膨胀过程开始时相比涡流的中心位置有所下移，更贴近燃烧室壁面，这对于后期的燃烧十分有利。

3 结论

本文通过数值模拟的方法，研究了小型单缸柴油机在富氧，富氧+EGR(进气中掺入CO2)以及单独EGR 3种情况下的排放特性及燃烧情况。结果可知，EGR协同富氧有利于尾气排放，综合考虑颗粒物中soot和NOx排放，得出了21%EGR(CO2)+23%富氧含量是最理想的匹配。富氧燃烧虽然能使缸内燃料强化燃烧，但当氧气充分时，氧气浓度提高，缸内温度上升，会导致更多NO生成，进而NOx排放增多，此时通过适当加入大比热容的CO2，能够控制NOx和soot的排放。EGR+富氧燃烧可以作为小型单缸柴油机强化燃烧和控制排放的一种新方法。