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        不同進(jìn)氣壓力對(duì)高密度-低溫柴油機(jī)燃燒的數(shù)值模擬

        2010-11-09 08:18:02劉建勛萬(wàn)普鵬趙二麗
        關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機(jī)模型

        劉建勛,萬(wàn)普鵬,趙二麗,張 玉

        (1.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院,重慶400074;2.重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院,重慶400074)

        柴油機(jī)在HC和CO排放上具有汽油機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。然而,由于柴油機(jī)NOx和碳煙排放存在“此消彼長(zhǎng)”關(guān)系的緣故[1],同時(shí)降低這2種排放物非常困難。盡管柴油機(jī)后處理技術(shù)取得一些進(jìn)展[2],但這種技術(shù)距實(shí)用化尚待時(shí)日。柴油機(jī)越來(lái)越向高強(qiáng)化、高功率密度方向發(fā)展。為了滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)和節(jié)能要求,柴油機(jī)需要一種有效的技術(shù)途徑同時(shí)降低排放物和提高熱效率。蘇萬(wàn)華等[3]提出一種高密度-低溫燃燒技術(shù),在降低充量初始溫度的條件下,可以通過提高進(jìn)氣壓力,提高充量密度和控制EGR的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)降低排放和高熱效率。然而,這些初始條件對(duì)燃燒和排放的影響過程有待進(jìn)一步深入研究。針對(duì)這種情況,筆者應(yīng)用fire軟件對(duì)不同進(jìn)氣壓力對(duì)高密度-低溫柴油機(jī)燃燒和排放以及對(duì)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行了研究。

        1 計(jì)算模型

        1.1 建立模型

        使用4100柴油發(fā)動(dòng)機(jī),基本參數(shù)及邊界條件見表1。初始條件中進(jìn)氣溫度為293.3 K,進(jìn)氣壓力分別設(shè)置為 0.2,0.25,0.3,0.35,0.4 MPa。缸內(nèi)的氣體流動(dòng)模擬是根據(jù)基本的守恒定律,即質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒來(lái)求解平均運(yùn)輸方程,為使方程組封閉,必須建立模型。采用了標(biāo)準(zhǔn)方程。燃燒模型采用Coherent Flame Model,NOx模型選用Extend Zeldovich,Soot模型選用 Lund Flamelet Model,噴油子模型采用Turbulent dispersion model,蒸發(fā)模型采用Dukowicz,破碎模型選用Wave模型。

        表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of the engine

        1.2 模型驗(yàn)證

        為驗(yàn)證所選用的模型參數(shù)設(shè)置的正確性,通過臺(tái)架實(shí)驗(yàn)得出該發(fā)動(dòng)機(jī)的示功圖,再將計(jì)算所得示功圖與實(shí)測(cè)示功圖進(jìn)行對(duì)比,如圖1。

        圖1 模型驗(yàn)證Fig.1 Model verification

        2 計(jì)算結(jié)果及分析

        圖2是缸內(nèi)Φ-T圖。從圖中可看出,在進(jìn)氣壓力為0.2 MPa時(shí),最靠近污染物主要生成區(qū)域的時(shí)刻是730 deg,在0.25 MPa 時(shí)為735 deg,在0.3 ~0.4 MPa時(shí)都為725 deg。從這也可看出當(dāng)進(jìn)氣壓力大于0.3 MPa后,靠近污染物主要生成區(qū)域的時(shí)刻提前,并靠近壓縮上止點(diǎn)。總體上看,在不同的進(jìn)氣壓力下,燃燒路徑大都避開了NOx、Soot的主要生成區(qū)域。這是由于高密度-低溫燃燒主要是通過提高進(jìn)氣壓力,降低進(jìn)氣充量的初始溫度,引入EGR等因素來(lái)控制燃燒路徑[4]。一方面,EGR的作用及較低的進(jìn)氣溫度使燃燒溫度降低,從而減少NOx的生成;另一方面,高進(jìn)氣壓力和渦流比的作用促使均質(zhì)混合氣的形成,減少了局部過濃的區(qū)域,從而減少了碳煙的生成,同時(shí)稀薄的混合氣也有利于抑制碳煙的生成[4]。在進(jìn)氣壓力為 0.2 MPa時(shí),溫度為2 000 K左右,燃燒路徑有少部分進(jìn)入碳煙的主要生成區(qū)域。這是由于該進(jìn)氣條件下的當(dāng)量比相對(duì)其它進(jìn)氣條件下的當(dāng)量比大,局部過濃區(qū)相對(duì)嚴(yán)重。碳煙的主要生成條件是高溫和缺氧,烴分子在高溫和缺氧的條件下發(fā)生部分氧化和裂解,生成各種不飽和烴類。它們不斷脫氫,聚合成以碳為主的碳煙晶核[5]。

        圖2 Φ-TFig.2 Φ-Tplane

        圖3是發(fā)動(dòng)機(jī)各種參數(shù)對(duì)比曲線圖。從圖3(a)可看出隨著進(jìn)氣壓力的提高,著火時(shí)刻提前,滯燃期和燃燒持續(xù)期縮短。這是由于進(jìn)氣壓力升高增大壓縮后壓力及溫度,從而增加了分子之間的碰撞頻率,縮短了分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程,加快了燃燒反應(yīng)速度,使著火時(shí)刻提前[5]。滯燃期和燃燒持續(xù)期隨進(jìn)氣壓力的增加而縮短,這是因?yàn)樵谘h(huán)噴油量一定的情況下,進(jìn)氣壓力越大,空氣量越多,則混合氣的空燃比越大,混合氣形成較為完善,焰前反應(yīng)充分,使滯燃期和燃燒持續(xù)期縮短[6]。圖3(b)可看出隨著進(jìn)氣壓力的提高,累計(jì)放熱量也相應(yīng)加快。這是由于在循環(huán)噴油量一定的情況下,進(jìn)氣壓力越大,空氣量越多,則混合氣的空燃比越大,混合氣形成較為完善[6],燃燒越充分,累計(jì)放熱量加快。從圖3(c)可看出隨著進(jìn)氣壓力增加,缸內(nèi)平均溫度在降低。這是由于進(jìn)氣壓力增加使進(jìn)入氣缸的空氣量增加,缸內(nèi)最高平均溫度降低[5]。從圖3(d)中得出缸內(nèi)平均壓力隨著進(jìn)氣壓力的增加而增加。進(jìn)氣壓力對(duì)缸內(nèi)壓力的影響最大,隨著進(jìn)氣壓力的增加,缸內(nèi)的壓力的峰值顯著的增加[6]。這是由于進(jìn)氣壓力提高,燃燒著火時(shí)刻提前,缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力增大[7]。圖3(e)中可看出碳煙的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著進(jìn)氣壓力的增加呈下降態(tài)勢(shì)。因進(jìn)氣壓力的提高有助于過量空氣系數(shù)的提高,而碳煙生成的根本條件是缺氧和高溫,提高燃燒時(shí)的過量空氣系數(shù),則基本上消除了缺氧這一根本條件;同時(shí),過量空氣系數(shù)的提高還在一定程度上降低了燃燒溫度,這也有利于降煙。從圖3(e)還看出,NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)是隨進(jìn)氣壓力的增加先增加后下降。影響NOx生成的重要因素為高溫、氧濃度、在高溫富氧中的滯留時(shí)間[7]。在 0.2 MPa時(shí)NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低,這是因?yàn)檠鯘舛认鄬?duì)較低的緣故。而在0.25 MPa時(shí)NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,一是由于氧濃度提高,二是在溫度降低不多情況下燃燒反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)(圖3(c)、圖3(a))。從進(jìn)氣壓力0.25 MPa到0.4 MPa,NOx的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈下降態(tài)勢(shì),這是溫度進(jìn)一步降低和燃燒反應(yīng)時(shí)間縮短的緣故(圖3(c)、圖3(a))。綜上所述,進(jìn)氣壓力對(duì)排放的影響明顯,進(jìn)一步增大進(jìn)氣壓力能有效降低碳煙和NOx排放。

        圖3(f)、圖3(g)是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性曲線圖。圖3(f)表明,動(dòng)力性指標(biāo)隨進(jìn)氣壓力的增加而提高。因平均指示壓力與指示功成正比。而指示功的大小可通過p-φ?qǐng)D中閉合曲線所占有的面積求得[5]。從圖3(d)可看出,進(jìn)氣壓力越大,示功圖圍成的面積越大,指示功就越大,平均指示壓力也就隨之提高。機(jī)械效率的增加是在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí),由于增壓后機(jī)械損失功率與非增壓時(shí)大致相當(dāng),加之進(jìn)氣壓力提高,使指示功提高,因此增壓使機(jī)械效率提高[8],如圖3(g)。通過圖3(g)還可看出,進(jìn)氣壓力提高,油耗降低。這是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速以及循環(huán)供油量不變的前提下,指示燃料消耗率隨指示功的提高而降低。

        3 結(jié)論

        在一定的進(jìn)氣溫度和EGR率的條件下研究了不同進(jìn)氣壓力對(duì)高密度-低溫柴油機(jī)燃燒的影響,得出高密度-低溫柴油機(jī)燃燒模式在實(shí)現(xiàn)低排放和高熱效率具有較大潛力。主要表現(xiàn)在:

        1)在一定的進(jìn)氣溫度和EGR率情況下,提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力可使燃燒路徑避開NOx和Soot的主要生成區(qū)域。

        2)當(dāng)進(jìn)氣壓力大于0.25 MPa后,發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙和NOx的排放會(huì)同時(shí)降低。

        3)進(jìn)氣壓力增加會(huì)明顯改善發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

        [1]Bunker B.Control of emissions from nonroad diesel engines[C]//International Symposium of the Vehicle Emission Regulations.Tokyo:National Traffic Safety and Environment Laboratory,2004:567-576.

        [2]Timothy V,Johnson.Diesel emission control in review[C]//2006SAE World Congress& Exhibition.Michigan:SAE International,2006:01 -30.

        [3]蘇萬(wàn)華.高密度-低溫柴油機(jī)燃燒理論與技術(shù)的研究進(jìn)展[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2008,26(S1):1 -8.

        [4]韓東.柴油機(jī)低溫燃燒的研究進(jìn)展[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2008(2):5-9.

        [5]周龍保 .內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:235-237.

        [6]劉海峰.高辛烷值燃料對(duì)HCCI增壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放影響的試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2008(2):106-115.

        [7]何學(xué)良.內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990:441-442.

        [8]劉永長(zhǎng) .內(nèi)燃機(jī)原理[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2001:49-50.

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