负气门重叠对掺氢天然气HCCI发动机燃烧特性的影响研究

李岳林, 杨得志, 张子涵, 张五龙

(1. 湖南省工程车辆安全性设计与可靠性技术重点实验室,长沙 410114;2. 长沙理工大学 汽车与机械工程学院,长沙 410114)

随着汽车产业的迅猛发展,石油资源日渐匮乏,温室有害气体排放愈发严重,面对越来越严格的排放法规,寻求经济性和排放性俱佳的车用石油替代燃料和新型燃烧模式的开发已成为世界各国内燃机领域学者的研究热点。掺氢天然气(HCNG)燃料综合了天然气储备量大和氢气燃烧清洁、燃烧速率快等优点,被认为是比较有潜力且较为合适的发动机替代燃料。已有学者针对火花点火HCNG发动机进行了相关试验与模拟研究,结果显示由于氢气不含碳基且淬熄距离较短,因此燃烧后CO2、HC排放得到抑制,且因氢气加入而活性增强的O、OH基使排放中间产物CH2O被快速消耗。但与此同时,因混合燃烧速率增大,缸内最高温度有所提升,以致NOx的排放增高[1-4]。均质充量压缩着火方式(HCCI)拥有多点大面积同时着火及快速燃烧的特点,使发动机燃烧持续期和后燃缩短,具有很高的热效率和良好的燃油经济性,可以降低NOx的排放,但过快的传热产生的较大压力升高率,会引起发动机工作粗暴,甚至导致敲缸现象[5-7]。废气再循环(EGR)技术是目前有效控制HCCI燃烧的常用手段,国内外众多学者针对EGR对HCCI燃烧的影响已做了大量研究,证明了废气混合新鲜工质可以提高进气初始温度,使工质的低活化能反应加速进行,且因废气多为H2O、CO2等比热容较大的气体,还能稀释新鲜工质、抑制放热速率、降低缸内燃烧温度,从而缓解粗暴燃烧现象,拓展HCCI燃烧负荷上限,同时也有利于实现低温燃烧,使燃烧室壁的传热损失降低,高温废气内残余的活性基团对自燃着火还有一定的积极影响[8-11]。利用改变配气相位形成的内部EGR相比加装控制阀的外部EGR更为简便,通过排气门提早关闭和进气门延迟开启形成负气门重叠(NVO),可将废气截留在缸内,换气过程中废气对新气的加热稀释即可产生EGR效果。目前关于掺氢天然气混合燃料在HCCI模式下结合改变配气相位形成负气门重叠对发动机燃烧、排放特性影响的研究报道还比较少。

本文以一台加装了电液气门机构的四冲程自然吸气式水冷柴油发动机改装而成的天然气混氢发动机为研究对象,在GT-power和Chemkin软件上进行了负气门重叠对掺氢天然气HCCI发动机燃烧与排放的数值模拟,分析了改变配气正时对发动机缸内燃烧与排放的影响,为掺氢天然气HCCI发动机实际应用中性能的改善提供一定的理论依据。

1 仿真模型的建立

考虑到GT-Power软件能够较好地仿真换气过程,而CHEMKIN对于HCCI的燃烧过程模拟精度较高,故选用二者进行联合仿真。应用GT-power软件对配气机构进行重新设计,改变进排气门开启关闭正时,可以实现负气门重叠。图1所示为GT-power搭建的HCNG发动机模型,由进排气系统、气缸、曲轴驱动装置等构成,根据结构尺寸和主要参数对相应模块进行参数设置即可。运用Chemkin软件对缸内燃烧过程进行数值模拟,需要导入燃料的化学反应机理和热力学数据,指定化学求解器所要求解的反应方程,通过燃烧模型结合传热模型、气缸几何模型与EGR率的计算公式来求解零维单区模型的整套控制方程,得出燃烧放热率、缸内压力变化、各类反应产物浓度等表征燃烧过程特性的参数值。将GT-power仿真换气过程的结果文件导入到Chemkin中,由Chemkin来完成燃烧过程的仿真,并将计算结果又导回到GT-power作为下一循环的初始数据,由于不同循环之间换气与燃烧膨胀两过程存在交替影响效应,因此要结合试验数据对影响燃烧模型的参数进行迭代收敛计算和模型参数的修正,以获得更能表达真实情况的仿真结果。

图1 HCNG发动机仿真模型Fig.1 Simulation model of hydrogen natural gas engine

1.1 反应机理与物性参数

GRI Mech-3.0[12]是描述甲烷燃烧氧化反应的化学动力学机理,包含53种物质和325个基元反应,如C1～C2链反应、N化学反应和NOx生成反应等,已经大量试验验证并被广泛用于碳氢燃料的模拟研究中。由于本文研究的是二元混合燃料在NVO策略下的均质压燃特性,对反应前温度和组分浓度有所侧重,故对原机理进行简化重整。在添加氢气机理、改变物质组分的基础上,运用敏感性分析法[13]找出对于反应初始温度、浓度敏感性较高的若干基元反应与物质,再使用反应系数变异法[14]对影响化学反应速率的Arrhenius方程[15]参数进行优化

(1)

式中:k为反应速率常数;c0为指前因子;T为反应温度;α为温度指数;Ea为反应活化能;R为通用气体常数。

机理简化完成后将其与热力学数据导入燃烧模型中,模型中关于物质组分的计算基于化学反应动力学过程与燃料物性参数的定义

(2)

定义燃料中的氢气掺入比例为体积比例

(3)

结合混合燃料各自的物性参数可以计算固定配比下混合燃料的摩尔质量为

MF=16-4τH2

(4)

混合燃料的化学计量空燃比为

(5)

式中:λ0(H2)、λ0(CH4)为两种燃料的化学计量空燃比。上述各式为物质组分求解的基础。

1.2 零维单区燃烧模型与传热模型

零维单区燃烧模型认为缸内充量的温度、压力和组分均匀分布,符合HCCI燃烧的均质预混合条件。该模型为反应机理提供温度输入,从而计算出各种燃烧过程参数。假设混合气为理想气体,工质处于密封无泄漏损失状态。燃烧放热率的求解基于热力学第一定律能量守恒方程式

du+pdVm=h-δqw

(6)

式中:u为单位质量的物质的比热力学能,即比热力学能;Vm为单位质量所占容积;h为比焓;qw为比热损失量,由传热模型确定

qw=LSt(T-Tw)

(7)

式中:Tw为缸壁平均温度;St为有效传热面积;L为传热系数。

传热子模型通过与能量方程耦合,提供计算温度场的边界条件,如缸壁温度、缸内温度分布和热流分布,反映工质对燃烧室壁面的传热及热量损失。对于均质零维压燃模型而言,L由广泛认可的Woschni关联式给出[16]

L=0.129 8D-0.2p0.8T-0.53v0.8

(8)

式中:D为发动机的缸径;v为特征速度,表征缸内物质统计平均运动特性。

(9)

式中:vave为活塞平均速度;Vs为气缸工作容积;下标带b的量表示进气门关闭时刻到燃烧始点之前工质在任一时刻的状态;pmot为发动机反拖压力。缸内燃烧过程的温度变化为

(10)

式中:MH为混合气平均摩尔质量;cv为定压比热容。

1.3 发动机气缸几何模型

由发动机气缸几何关系可以求出气缸容积随时间的变化规律

(11)

式中:VC为燃烧室容积;ε为压缩比;s为连杆、曲柄的长度之比;θ为曲轴转角。在仿真中还经常采用扫气容积变化率

(12)

1.4 内部EGR率计算

每循环燃烧动力过程受该循环换气过程影响,而EGR率是联系两过程的重要参数。常规计算EGR率的方法是测量压缩行程与排气行程结束后排气管中CO2的浓度来确定的,并不适用于描述NVO策略下形成的内部EGR效应。根据燃烧反应方程式及仿真所能获取的数据,对NVO下当量比为1时的EGR率进行理论推导,假设燃料完全燃烧,缸内气体混合均匀,气门开闭不受配气机构响应迟滞、缸内外压差的影响

(13)

式中:m0为进气门关闭后充入气缸的混合气质量;mE为排气门关闭后缸内残余废气的质量。很显然mE是由上一循环动力过程和排气门关闭时刻共同决定的

(14)

式中:ξO2为空气中氧气的体积分数;y定义为混合燃料中氢原子与碳原子的摩尔数之比,与τH2有一定的相关性,下标带EVC的量表示排气门关闭时刻缸内工质状态。mE与接续的进气过程共同影响m0的值

(15)

式中:下标带IVC的量表示进气门关闭时刻缸内工质状态;MA为空气的摩尔质量值。

2 仿真模型的校验

为了验证仿真模型的准确性,利用试验发动机实测的缸内压力与温度与仿真数据进行了对比。发动机主要性能参数如表1所示。试验在当量比为0.4、转速为1 100 r/min、氢气体积分数5%下进行,所用各种仪器的详细介绍与测试精度已在之前的研究中给出[17]。仿真模型的初始温度、压力等数据由试验值测取,模拟工况与试验工况保持一致。

表1 试验发动机主要参数Tab.1 Main parameters of a test engine

发动机缸内压力与缸内温度的试验值和模拟值的对比图如图2和图3所示。

图2 缸内压力验证对比曲线Fig.2 Comparison curve of in-cylinder pressure verification

图3 缸内温度验证对比曲线Fig.3 Comparison curve of in-cylinder temperature verification

通过对比可以看出模拟所得数据与试验数据走势一致,型线上吻合较好,缸内压力和温度模拟值与试验值误差范围均控制在5 %以内。在动力过程的全部曲轴转角范围内,模拟所得数据的数量级和精度良好,综合看来,所搭建的仿真模型可以较为可靠地反应发动机的真实性能。

3 仿真结果与分析

3.1 排气门关闭时刻对燃烧排放的影响

图4～图10是在当量比为1,转速为1 200 r/min,进气温度为350 K,进气压力0.13 MPa,掺氢比为5%,燃料质量流率为6.2 g/s的初始条件下,模拟出的单独改变排气门关闭(EVC)时刻对发动机燃烧和排放特性的影响规律,此过程中应维持排气门开启(EVO)、进气门开启(IVO)、进气门关闭(IVC)和气门升程不变。排气门相较换气过程上止点提前每隔15 °CA获得一组气门升程曲线,当前策略下所能形成的负气门重叠角度为0～75 °CA。

图4 排气门早关对缸内EGR率的影响Fig.4 Effect of early exhaust valve closure on in-cylinder EGR rate

由图4和图5可知,随着EVC时刻的提前,废气再循环率上升,充气效率下降。这是因为排气门越早关闭,由排气管排出的废气越少,截留在缸内的废气越多,因此EGR率会升高。而随着滞留在缸内的废气量越多,进气门开启时缸内与进气门喉口的压差相较不采用EGR的原机而言就越小,阻碍了新气的充入。同时废气对新气的加热会造成进气状态空气密度下降,实际吸入缸内也略有减小。此外由于IVO时活塞仍处在上行阶段,对自然吸气式发动机来说,缸内可能有一定程度的回火现象发生,EVC越提早废气回火越严重,这将进一步降低了充入缸内的新气量。自排气门早关15 °CA到早关90 °CA,EGR率增长了18.36%,充气效率的降幅为27.3 %。

图5 排气门早关对缸内充气效率的影响Fig.5 Effect of early exhaust valve closure on cylinder filling efficiency

由图6～图9可知,随着EVC的提前,缸内燃烧压力和燃烧温度降低,这是因为EVC越提早,增多的废气对新气的稀释程度也越大,缸内燃烧做功动力输出受损。从早关15°CA到90°CA,最高压力下降了18.6%,最高温度下降了16.8%,说明EVC提前程度对缸内压力和温度在数值上的变化影响较大。缸内达到最高压力和最高温度的时刻略有提前,表示提前关闭排气门时,燃烧过程的等容度略有增加。从图7和图8可以看出,随EVC时刻的提早,缸内最大压力升高率减小,放热率逐渐降低。产生这一变化的主要原因是:EVC越提早,NVO角度越大,废气存留量越多,由于比热容较高、含氧量较低的废气同时具有稀释和燃烧温降作用,使缸内最高燃烧温度下降,从而减缓了缸内燃烧反应速率,压力升高率降低,燃烧更为柔和,有助于削弱HCCI发动机普遍具有的工作粗暴现象,减小爆震倾向和振动噪声。

图7 排气门早关时刻对缸内温度的影响Fig.7 Effect of exhaust valve early closing moment on cylinder temperature

图8 排气门早关时刻对缸内压力升高率的影响Fig.8 Effect of exhaust valve early closing moment on the rate of pressure rise in the cylinder

图10展示了NOx在排气门早关方案下的变化情况,随着EVC时刻提早,NOx排放相对减少。由前述分析可知,废气的稀释使得充量系数下降,缸内混合物中氧气浓度降低,同时废气减缓了缸内工质燃烧放热速率,降低了最高温度。根据氮氧化物的生成机理,富氧和高温是生成NOx的有利条件,因此由于氧浓度的降低和燃烧温度的下降,NOx排放量降低,而后期缸内温度随着活塞的下行降低,所以NOx生成总量不再上升而趋于稳定。

图10 排气门关闭时刻对NOx排放的影响Fig.10 Effect of exhaust valve closing moment on NOx emission

3.2 进气门开启时刻对燃烧排放的影响

图11～17为维持EVO、EVC、IVC和气门升程不变时,单独改变IVO时刻对发动机燃烧和排放的影响规律。进气门相较换气过程上止点推迟每隔15 °CA获得一组气门升程曲线,模拟的初始条件不变。因EVC保持在上止点后15 °CA。

图11 进气门晚开对缸内EGR率的影响Fig.11 Effect of late opening of intake valve on in-cylinder EGR rate

由图11和图12可知,随着IVO的推迟,EGR率上升,充气效率呈下降趋势。原因是虽然缸内截留废气因EVC时刻不变而保持固定的量,但新气量受活塞下行程度的影响,进气门越晚开启,实际进气的持续时间就越短,进入气缸内的新气量就越少。自进气门晚开15 °CA到90 °CA,EGR率增长了11.35%,充气效率降低了16.86%。

图12 进气门晚开对缸内充气效率的影响Fig.12 Effect of late opening of intake valve on cylinder filling efficiency

由图13和图14可知,随着IVO延后,缸内压力、温度的峰值逐渐降低,达到峰值的相位略有提前。从进气门晚开15 °CA到90 °CA,缸内最高压力下降了9.7%,最高温度下降了9.5%,与改变EVC方案相比,在相同的NVO角度下,单独改变IVO时缸内压力、温度峰值降低的幅度不大,这是因为EVC时刻的固定使得当前方案下缸内所能截留到的废气量一定,进气晚开的废气占比增加范围相对更小,动力过程受损更少。从图15和图16可以看出,随着IVO时刻延后,缸内压力升高率和燃烧放热速率逐渐降低,但着火相位却提前。这是由于废气对新气的平均加热程度因新气量的减少而得以提高,如图14所示燃烧放热始点处的温度随着IVO的晚开有所提高,这有益于均质压燃的顺利进行。在单独改变EVC方案中,废气的加热贡献仅仅体现在了燃烧压力和燃烧温度峰值所对应相位的提前上,由此可见改变IVO策略产生的影响主要体现在燃烧始点的改变上,且可以进一步判断燃烧始点的主要影响因素是新气量而非EGR率,这是因为单独改变EVC时,进气开启时刻虽保持不变但早开于上止点,新气的量普遍高于单独改变IVO策略,新气量越多即使废气量存留多但对新气加热的平均程度不足。而单独改变IVO时虽然废气量因排气晚关于上止点而减少,但新气量也减少使得其被有限废气量的加热更容易,着火提前的效果也更明显。上述对比说明进气加热效果虽然和EGR率有关,但对于新气的量更为敏感。从前述关于EGR率的变化也可以看出,虽然单独改变EVC比单独改变IVO所能实现的EGR率范围更大,但新气量的增多使得即使在相近的废气占比情况下,废气加热的难度仍然更大一些。

图13 进气门开启时刻对缸内压力的影响Fig.13 Effect of intake valve opening moment on in-cylinder pressure

图14 进气门开启时刻对缸内温度的影响Fig.14 Effect of intake valve opening moment on in-cylinder temperature

图15 进气门开启时刻对缸内压力升高率的影响Fig.15 Effect of intake valve opening moment on in-cylinder pressure rise rate

图17展示了NOx在进气门晚关方案下的变化情况,随着IVO时刻的推迟NOx排放减少。这是因为废气的稀释作用使得缸内氧浓度降低,同时废气减缓了燃烧放热速率,降低了燃烧最高温度,使得产生NOx的富氧高温条件受到抑制。与单独改变EVC时刻相比,由于排气门维持原机晚开所以废气存留量不多,对EGR率的增长、缸内燃烧温压的削减、缸内燃烧放热率的削减程度均不大,所以NOx的排放改善程度也不大。

图17 进气门开启时刻对NOx排放的影响Fig.17 Effect of intake valve opening moment on NOx emission

3.3 进排气门开闭时刻对燃烧排放的影响

单独增大EVC提前角到一定程度,着火时刻受EGR加热的效果不明显,有可能导致HCCI无法正常实现。而单独延迟IVO时刻,EGR率的变动不大,燃烧温降和氮氧化物改善程度不明显。若想改进着火提前效果,取得更为理想的废气再循环率,考虑结合两种方案,同时改变进排气门的开闭时刻。

图18～图24为保持EVO、IVC和气门升程不变时,同时改变EVC和IVO对发动机燃烧和排放特性的影响。进排气门相较换气过程上止点分别延迟开启和提早关闭,每隔15°CA获得一组气门升程曲线,其他初始条件不变,当前策略下形成的NVO角度为30 °CA～ 180 °CA,由于同时改变的角度间隔值是关于上止点对称的,因此该策略也称为对称NVO策略。

图18 对称NVO对缸内EGR率的影响Fig.18 Effect of symmetric NVO on in-cylinder EGR rate

由图18～图19所示,EGR率增长了45.87个百分点,充气效率降低了51.43%,可见对称NVO策略能够产生更大的EGR率,这是因为排气门越早关闭滞留废气量越多,而进气门越晚开启所进新鲜混合气量就越少,充量系数的损失也比单独改变EVC或IVO时要大。另外,单独改变EVC时由排气提早关闭所截留的废气形成的缸内外压差降,进而导致的回火现象,在本方案下因进气也延迟开启活塞处于下行被有效地避免。而相比单独改变IVO策略,因排气提早关闭废气量更多,所以对有限新气平均加热程度也得到了提高。

图19 对称NVO对缸内充量系数的影响Fig.19 Effect of symmetric NVO on cylinder charge factor

由图20～图23可知,随着对称NVO角的加大,缸内压力和温度下降,从NVO角度为30 °CA到180 °CA,缸内最大压力下降了27.6%,缸内最高温度下降了21.7%。动力的下降幅度大于单独改变IVO或EVC方案。压力升高率与燃烧放热速率随着对称NVO角度的加大而明显下降,因燃烧放热速率主要受EGR率的变化影响,而对称NVO所形成的EGR率范围较大,所以燃烧反应的缓和程度也很大,放热的变慢也造成了压力升高率的降低,这有利于减小发动机的转速和扭矩变动,防止爆震的发生可能,使发动机工作状况更加平顺。同时改变进排气门时刻对燃料着火时刻的影响显著,NVO角越大燃料着火提前程度越大,且着火前温度也相应地受进气加热影响增高,这是因为随着NVO角的增加,缸内废气量增多而新气量渐减,废气对新气的加热效果优于在相同进气晚开程度下废气量固定的变IVO策略,也优于在相同排气早关程度下新气量更多的变EVC策略。但NVO角过大时,如排气早关与进气晚开角度大于75 °CA时,混合燃料被过度提前到上止点之前进行放热,这使得缸内工质动力过程承受了一部分压缩行程的负功损失,减小了等容加热程度,因此应当予以避免。

图20 对称NVO对缸内压力的影响Fig.20 Effect of symmetric NVO on cylinder pressure

图21 对称NVO对缸内温度的影响Fig.21 Effect of symmetric NVO on in-cylinder temperature

图22 对称NVO对缸内压力升高率的影响Fig.22 Effect of symmetric NVO on pressure rise rate in the cylinder

图23 对称NVO对缸内放热率的影响Fig.23 Effect of symmetric NVO on the exothermic rate in the cylinder

图24为对称NVO对NOx排放量影响的曲线。从图中可知,随着EVC提前和IVO延迟,缸内NOx生成量显著降低,由前述分析知影响NOx的最重要因素是缸内最高温度,由于对称NVO策略下能够达到较大的EGR率,而缸内最高温度随EVC时刻的提前和IVO时刻的延迟而减小,因此对燃烧温度的降低幅度也更大,同时对燃烧速度的降低也使得NOx生成速率也越慢,最终导致了缸内NOx生成量的大幅削减。

图24 对称NVO对NOx排放的影响Fig.24 Effect of symmetric NVO on NOx emissions

4 结论

1) 掺氢天然气HCCI发动机燃烧的动力过程会因负气门重叠的影响呈现不同程度的下降。单独改变EVC和同时改变EVC与IVO,废气截留量和EGR率随负气门重叠角度增大而增多,缸内压力最大下降幅度分别为18.6%和27.6%。单独改变IVO的EGR率与充气效率的变化范围较小,缸内压力的损失最小,最大下降幅度仅为9.7%。

2) 分别单独改变进排气门开闭时刻,虽能形成相同的负气门重叠角,但对缸内放热始点的影响程度不同。单独改变IVO比单独改变EVC对燃料的着火提前程度更大,表明放热始点对新气量更为敏感,主要受到缸内工质平均加热程度的影响而不是EGR率变化范围的影响。由于拥有更多的废气截留量和更好的废气加热效果,采用对称NVO策略能够显著影响燃料的自燃着火时刻,但当负气门重叠角超过150 °CA时,着火时刻过度提前至上止点之前,降低了燃烧放热过程的等容度。

3) 对称NVO策略所能达到的EGR率最高,对缸内燃烧放热速率的缓和作用以及压力升高率的降低效果也最大,这有利于改善HCCI发动机工作粗暴程度,防止爆震的发生,使得天然气混氢燃料在实现HCCI燃烧时能够具有更宽广的负荷拓展范围和更柔和的燃烧放热过程。

4) 3种策略下缸内最高温度的最大降幅分别为16.8 %,9.5 %和21.7 %,是影响NOx排放量的主要因素,采用NVO策略所能实现的减排程度最大,采用单独改变EVC策略的降低效果居中,而单独改变IVO策略对缸内最高温度的削减幅度和放热速率的缓和效果较小,所能实现的NOx降低效果也最小。