進氣摻混H2和CO2對柴油機燃燒及排放的影響

程曉章1,趙世超1,肖萍2

(1.合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥230009;2.鹽田國際集裝箱碼頭有限公司 港口發(fā)展部,廣東 深圳518081)

摘要:文章利用Fire軟件建立了ZS195柴油機缸內(nèi)工作模型,在摻氫EGR(exhaust gas recirculation)的條件下,利用CO2模擬廢氣,模擬了4種摻混比例的氣體(2%H2,2%H2+5%CO2,2%H2+10%CO2,2%H2+15%CO2)對ZS195柴油機的燃燒過程和排放的影響。模擬計算結果表明：柴油機摻氫燃燒可以在一定程度上提高熱效率；而隨著EGR率的提高,缸內(nèi)最高溫度減小,最高爆發(fā)壓力降低,著火點推遲。因此,可以通過選取適當?shù)腅GR率來提高柴油機熱效率，同時減少氧化物的排放。

關鍵詞:摻氫EGR;柴油機;數(shù)值模擬

收稿日期：2014-09-27；修回日期：2015-01-05

基金項目：國家發(fā)改委和工信部產(chǎn)業(yè)振興和技術改造資助項目(發(fā)改投資[2012]1938)

作者簡介：程曉章 (1966-),男,安徽太湖人,合肥工業(yè)大學副教授,碩士生導師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.10.002

中圖分類號: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

柴油機因具有熱效率高、使用壽命長、可靠性強、燃油經(jīng)濟性好的優(yōu)點,處在所屬產(chǎn)業(yè)鏈核心位置。氫氣具有著火能量小、擴散系數(shù)大、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、著火界限寬等?yōu)點, 被認為是內(nèi)燃機理想的代用燃料[1]。文獻[2]通過研究得出了摻氫燃燒能降低柴油機煙度、CO、CO2排放水平的結論,但摻氫雖然能提高柴油機熱效率,卻導致柴油機缸內(nèi)溫度升高,給NOx提供了有利的生成環(huán)境[3]。

EGR(exhaust gas recirculation)系統(tǒng)的作用是將部分廢氣引出排氣系統(tǒng),再進入進氣系統(tǒng),使其再度燃燒。EGR通過對進入進氣系統(tǒng)的廢氣量進行最佳的控制和調(diào)節(jié),能有效控制NOx的排放[4]。本文利用CO2模擬廢氣,通過改變CO2的體積分數(shù)來改變進氣系統(tǒng)的廢氣量,模擬不同的EGR率,對柴油機缸內(nèi)燃燒過程和排放進行數(shù)值模擬,以實現(xiàn)在摻氫提高柴油機熱效率的同時,降低NOx排放。

1缸內(nèi)工作模型的建立和驗證

1.1缸內(nèi)工作模型的建立

在ESE-Diesel模塊中,柴油機只計算從進氣門關到排氣門開的高壓循環(huán),因此邊界類型均可默認為Wall,只需定義壁面溫度即可。為了保證中心網(wǎng)格是六面體,在中心處形成的面應設置為Symmetry(對稱界面)?；钊吔鐥l件的設置如圖1所示。

圖1　活塞邊界條件的設置

瞬態(tài)計算時要正確設置初始條件。對于只計算高壓循環(huán)的柴油機,初始條件決定了氣缸內(nèi)的空氣質量和初始狀態(tài)。壓力和溫度的數(shù)值可采用試驗值,也可用Boost計算后對應時刻(即進氣門關)的數(shù)值。由于本文采用模擬摻氫EGR,模擬計算從進氣門關閉開始至排氣門打開結束,需在初始條件中定義各種氣體的初始體積分數(shù)。初始條件設置界面如圖2所示,包括進氣門關閉時流場的初始壓力、溫度和幾個湍流參數(shù)[5]。

圖2　初始條件設置

1.2缸內(nèi)工作模型的驗證

利用已經(jīng)建立好的模型對ZS195柴油機進行燃燒模擬計算。在標定工況下,ZS195柴油機缸內(nèi)壓力的模擬計算值和試驗值隨曲軸轉角變化的曲線如圖3所示。

圖3　ZS195柴油機缸內(nèi)壓力的模擬值與試驗值對比

從圖3可以看出,模擬燃燒過程的燃燒始點、最大燃燒壓力相位與試驗值比較接近,但模擬計算所得的最高燃燒壓力要大于試驗值。在前期壓縮過程中,缸內(nèi)壓力的模擬值比試驗值大；在后期排氣門開啟前,模擬缸內(nèi)壓力值要比試驗值下降得慢。這是因為模擬計算時沒有考慮氣缸壁面和缸內(nèi)工質之間的熱傳遞和熱輻射現(xiàn)象。因此在標定工況下,ZS195柴油機缸內(nèi)壓力的模擬值和試驗值的變化趨勢基本一致,說明本文建立的燃燒模型較為合理[6]。

2模擬方案

柴油機標定工況下對4種不同比例的摻混H2和CO2進行模擬研究，摻混方案見表1所列。

表1　摻混H 2和CO 2的方案

3模擬結果及分析

3.14種方案平均壓力和平均溫度分析

4種方案全過程的平均壓力和平均溫度如圖4所示,以最高壓力排行從上到下分別為方案A、方案B、方案C、方案D。

由圖4可以看出,方案A的最高壓力和燃燒溫度都是最高的,方案D的最高壓力和燃燒溫度都是最低的,基本規(guī)律是隨著CO2體積分數(shù)的增加,平均最高燃燒溫度和平均最高壓力減小,這與理論規(guī)律相符合,CO2抑制燃燒,導致燃燒溫度和壓力降低[7]。相同H2含量時,隨著EGR率的增加,最高燃燒溫度和壓力在降低。

對高溫、高壓區(qū)(燃燒溫度T>1 600 K、壓力P>6 MPa的時間段)曲軸轉角的統(tǒng)計結果見表2所列。

從表2可以看出,CO2比例的增加,導致高溫、高壓區(qū)曲軸轉過的角度減小,即高溫、高壓的持續(xù)時間減短,而高溫、高壓是導致NOx增加的主要原因,故NOx的排放減少。

圖4　4種方案全過程的平均壓力和平均溫度

方案T>1600K曲軸轉角/(°)曲軸轉過角度/(°)P>6MPa曲軸轉角/(°)曲軸轉過角度/(°)A717~79073717~74124B724~79066725~74116C730~79060729~74112D732~79058732~7419

對4種方案的最高溫度值、最高壓力值及其對應的曲軸轉角的統(tǒng)計,見表3所列。

表3　最高溫度、最高壓力值及其對應的曲軸轉角

由表3可以看出,隨著進氣中CO2比例的增加,最高溫度的曲軸轉角提前;而隨著CO2比例的增加,最大壓力出現(xiàn)的曲軸角度延后,這是由于CO2抑制燃燒導致的。

3.24種方案的溫度場和壓力分布

4種方案的著火點、最高壓力、最高溫度的溫度場分布如圖5所示。

縱向比較圖5中最高平均溫度對應的溫度場分布可以看出,隨著CO2比例的增加,火焰分布明顯變差,燃燒狀況變差。這是由于H2易燃、熱值較高,摻氫使得缸內(nèi)整體燃燒溫度有所提高,但加入CO2使得局部高溫區(qū)被抑制,缸內(nèi)燃燒較為均勻,減少了因高溫生成NOx的機會,可見EGR率提高會抑制燃燒的進行,從而降低NOx的排放,但同時會使碳煙排放增大[8]。

4種方案著火點、平均最高壓力、平均最高溫度時的壓力分布如圖6所示。

由圖6可以看出,隨著CO2比例的增加,在缸內(nèi)相同點壓力減小,壓力分布更加集中,缸內(nèi)最高燃燒壓力呈下降趨勢。這和EGR燃燒趨勢是一致的,即EGR率的增加,導致缸內(nèi)廢氣量即CO2和水蒸氣的量增加,對缸內(nèi)燃燒過程起一定抑制的作用,使缸內(nèi)最高壓力下降,同時缸內(nèi)混合氣比熱增大,平均溫度也呈現(xiàn)下降趨勢。

圖5　4種方案著火點、平均最高壓力、平均最高溫度對應的溫度場分布圖( y軸、 z軸視角)

圖6　4種方案著火點、平均最高壓力、平均最高溫度對應的壓力分布圖( y軸、 z軸視角)

3.3排放分析

方案A、B、C、D全過程的平均NO排放如圖7所示。圖7中平均NO的排放量從大到小排列分別為方案A、方案B、方案C、方案D。隨著CO2體積分數(shù)的升高,柴油機的著火時刻推遲,同時NO的排放量也依次減少。由于柴油機排放的NOx的主要成分是NO,可以認為隨著CO2的增加,NOx的排放量在減少。其主要原因是CO2的加入使燃燒的平均溫度降低,有利于在燃燒過程中抑制NO的生成,使得NO的生成量減少。

圖7　平均NO排放圖

4結論

本文以ZS195柴油機為模型,利用Fire軟件進行了摻氫EGR的數(shù)值模擬,研究了摻氫混合氣(H2、CO2)對缸內(nèi)燃燒以及排放的影響。

通過試驗得出以下結論:

(1) 隨著EGR率增加,缸內(nèi)整體火焰分布明顯變差,局部高溫區(qū)受到了抑制使得高溫區(qū)域減小,同時高壓、高溫工況的持續(xù)時間減短,NOx生成量減小。故而適當調(diào)配EGR率,能控制缸內(nèi)溫度和壓力,從而達到改善燃燒與排放的效果。

(2) 在相同工況下,隨著CO2體積分數(shù)(EGR率)的升高,缸內(nèi)最高溫度減小,最高缸內(nèi)爆發(fā)壓力降低,著火點推遲。方案D(2%H2+15%CO2)與方案A(2%H2)相比,缸內(nèi)最高溫度減小了2.7%,缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力降低了18%,著火曲軸轉角推遲了14°。

[參考文獻]

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(責任編輯胡亞敏)