耿 杰,甄旭東,王新建,王銀山,趙培濤
(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院,天津 300222)
隨著人們生活水平的日益提高,汽車保有量越來越大,隨之而來的環(huán)保和能源短缺問題日益嚴(yán)重[1]。甲醇由于生產(chǎn)成本較低、獲取比較方便、生產(chǎn)技術(shù)相對成熟等原因,特別適合作為石油的代用燃料,對于解決我國石油能源短缺問題具有重要的戰(zhàn)略意義。然而甲醇在燃燒過程中,可能產(chǎn)生醛類,并釋放未燃甲醇,對環(huán)境造成污染。汪洋等對點燃式甲醇發(fā)動機的性能進行了研究[2-6],Brusstar等于20世紀(jì)90年代在高壓縮比柴油機上開展了甲醇燃料的研究[7],為以后大馬力甲醇燃料發(fā)動機的研究提供了新的方案與參考。通過傳統(tǒng)試驗對排氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation,簡稱EGR)系統(tǒng)的性能進行優(yōu)化,該優(yōu)化過程須要大額的試驗設(shè)備投資和大量的人力投入,且耗費周期長,因此有必要通過軟件工具對其設(shè)計過程進行優(yōu)化,建立仿真模型,縮短廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的開發(fā)周期,降低開發(fā)成本,并提出最恰當(dāng)?shù)膹U氣再循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù),使發(fā)動機性能達(dá)到最佳。
為獲得缸內(nèi)壓力示功圖,本研究采用零維模型(通常采用韋伯函數(shù))模擬燃燒放熱率:
(1)
式中:Q為燃料燃燒放出的熱量;Qg為每循環(huán)燃料燃燒放熱量;φz為燃燒持續(xù)期的曲軸轉(zhuǎn)角;φ0為燃燒起始角;φ為瞬時曲軸轉(zhuǎn)角;m為燃燒品質(zhì)指數(shù)。
傳熱計算公式為
(2)
(3)
連續(xù)性方程:
(4)
動量方程:
(5)
能量方程:
(6)
式中:ρ為氣體密度;u為氣體速度;A為管截面積;x為沿管軸線坐標(biāo);p為管內(nèi)壓力;V為單位網(wǎng)格體積;F為壁面摩擦力;E為單位質(zhì)量氣體能量;qW為壁面?zhèn)鳠崃?;t為時間。
GT-Power可用于內(nèi)燃機性能模擬與仿真計算,基于一維流體力學(xué)模型,采用有限體積法對實體模型進行仿真計算[8]?;鸹c燃式甲醇四缸發(fā)動機的仿真模型是在單缸基礎(chǔ)上建立的,以某款農(nóng)用柴油發(fā)動機為原型(表1),利用 GT-POWER軟件建立發(fā)動機工作過程仿真計算模型(圖1)。所建模型已經(jīng)經(jīng)過了驗證分析[9],可用來對發(fā)動機的性能進行優(yōu)化。
表1 發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)
由于EGR系統(tǒng)會對發(fā)動機的性能造成一定影響,所以當(dāng)EGR系統(tǒng)工作時,點火提前角也要作相應(yīng)調(diào)整。保持發(fā)動機其他模擬參數(shù)不變,改變點火提前角,使EGR率為0~40%,模擬參數(shù)見表2。
表2 發(fā)動機性能模擬參數(shù)
3.1.1 點火提前角、EGR率對缸內(nèi)壓力、放熱率的影響 從圖2、圖3可以看出,隨著EGR率的增大,缸內(nèi)壓力減??;當(dāng)EGR率為30%,點火提前角為-6°CA時整個曲線較平緩,壓力升高率較小。在同一EGR率下,點火提前角增大時,缸內(nèi)壓力也增大,因此當(dāng)缸內(nèi)EGR率不變時,可以適當(dāng)增大點火提前角,使缸內(nèi)壓力增大。當(dāng)EGR率增大時,放熱率降低;當(dāng)EGR率相同時,隨著點火提前角的增大,放熱率峰值升高。當(dāng)EGR率為40%時,無論點火提前角是多少,放熱率值均接近于0,原因是EGR率過高,廢氣再循環(huán)過多,進到氣缸內(nèi)的廢氣量過大,嚴(yán)重影響可燃混合氣的點燃和持續(xù)燃燒,因此,EGR率不可以太高。
3.1.2 點火提前角和EGR率對發(fā)動機指示性能的影響 由圖4-a可知,當(dāng)EGR率為0、10%時,點火提前角越大,平均指示壓力越小,且變化較為平緩。當(dāng)EGR率為20%時,指示壓力變化最為平緩,且當(dāng)點火提前角為10°CA時,平均指示壓力最大,為1.602 MPa。當(dāng)EGR率等于30%時,平均指示壓力隨點火提前角的增大而增大。因此,當(dāng)EGR率為30%左右時,應(yīng)適當(dāng)增大點火提前角。
由圖4-b可知,當(dāng)EGR率為0、10%時,隨著點火提前角的增大,指示燃料消耗率也增大;當(dāng)EGR率為20%,點火提前角為6°CA時,指示燃料消耗率最大,為505.4 g/(kW·h),10°CA 的值最小,為 495.8 g/(kW·h)。 當(dāng)EGR率為30%時,點火提前角越大,指示燃料消耗率越小,發(fā)動機經(jīng)濟性越好。
3.1.3 點火提前角、EGR率對發(fā)動機有效性能的影響 由圖 5-a 可知,當(dāng)EGR率為0、10%時,點火提前角越大,有效功率越?。划?dāng)EGR率為30%時,點火提前角越大,有效功率越大,說明當(dāng)EGR率大于20%時,點火提前角越大,發(fā)動機的動力性越好。由圖5-b可知,當(dāng)EGR率小于20%時,點火提前角越大,燃料消耗率越大;當(dāng)EGR率為20%時,點火提前角等于8°CA處的燃料消耗率最??;當(dāng)EGR率為30%時,點火提前角越大,燃料消耗率越小,發(fā)動機的經(jīng)濟性越好。
3.1.4 點火提前角、EGR率對NOx排放影響 由圖6-a可知,當(dāng)點火提前角為6°CA時,NOx排放量最少。隨著點火提前角的增大,NOx濃度峰值增大,當(dāng)點火提前角增大到 14°CA時,NOx排放量最大,且峰值相位提前。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角為20~50°CA時,點火提前角越小,NOx濃度越大。由 圖6-b 可知,當(dāng)EGR率為20%時,NOx排放量隨點火角變化的趨勢和EGR率為10%時幾乎一致,但NOx排放量較EGR率為10%時大幅下降,因此,為有效降低NOx排放量,應(yīng)適當(dāng)提高EGR率。
發(fā)動機的性能指標(biāo)隨著負(fù)荷的改變而發(fā)生變化,本研究在加入EGR率的情況下,改變發(fā)動機負(fù)荷,研究分析發(fā)動機性能,以便對不同負(fù)荷與EGR率的選擇進行最優(yōu)匹配。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變時,通過改變節(jié)氣門的開啟角度反映負(fù)荷大小,發(fā)動機的模擬參數(shù)見表3。
表3 負(fù)荷和EGR率對發(fā)動機性能影響研究模擬參數(shù)
3.2.1 負(fù)荷和EGR率對缸內(nèi)壓力的影響 由圖7可知,在不同節(jié)氣門開度(負(fù)荷)下,隨著EGR率的改變,缸內(nèi)平均壓力曲線的變化規(guī)律相似,都是隨EGR率的增大而降低。比較3組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),節(jié)氣門開度越大,缸內(nèi)壓力峰值也越大,原因是隨著節(jié)氣門開度的增大,進入缸內(nèi)的工質(zhì)增多;節(jié)氣門開度從10°增至30°時,壓力峰值增加較明顯;從3個圖的橫向?qū)Ρ葋砜?,?jié)氣門開度從30°增大至50°時,同一EGR率下的壓力峰值增加,但增加趨勢變緩。
3.2.2 負(fù)荷、EGR率對發(fā)動機有效性能影響 由圖8-a可知,EGR率越小,發(fā)動機有效功率越大。當(dāng)EGR率相同時,發(fā)動機節(jié)氣門開度越大,有效功率越大。節(jié)氣門開度從10°增大到30°時,功率上升較快,變化率較大,而從50°增大到90°時,變化率較小,這是因為節(jié)氣門開度增大,缸內(nèi)新鮮充量增多,廢氣相對減少,燃燒速度加快,泵氣損失減少,有效功率增加;而負(fù)荷繼續(xù)增大時,泵氣損失變化相對較小,所以功率增加較小,達(dá)到最大負(fù)荷時,功率達(dá)到最大值。圖8-a顯示,隨著節(jié)氣門開度的增大,發(fā)動機有效輸出功率增大,這符合發(fā)動機的速度特性曲線變化特征。
當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速一定時,燃料消耗率隨負(fù)荷變化而變化的關(guān)系被稱為發(fā)動機的負(fù)荷特性,圖8-b中的曲線可以看作發(fā)動機的負(fù)荷特性曲線。從圖中可以看出,發(fā)動機的有效燃料消耗率隨負(fù)荷的增加而減小。節(jié)氣門開度為10%,隨著EGR率的增大,燃油消耗率迅速增加,原因在于此時節(jié)氣門開度較小,可燃混合氣總量較小,增加較多廢氣再循環(huán),加重了發(fā)動機的不正常燃燒,為了使發(fā)動機正常穩(wěn)定燃燒,必須增加進油,不利于發(fā)動機的經(jīng)濟性能。節(jié)氣門開度從10°增大到30°時,燃料消耗率降低較為明顯,而繼續(xù)增大節(jié)氣門開度,燃料消耗率變化較小,原因與有效功率隨節(jié)氣門開度的變化一致。有效燃料消耗率減小時,有效熱效率增加,有利于提高發(fā)動機的經(jīng)濟性能。在圖8-b中,當(dāng)EGR率為30%時,節(jié)氣門在10%~30%之間的曲線沒有顯示出來,經(jīng)過分析研究認(rèn)為,此段EGR率較大,廢氣較多,而節(jié)氣門開度較小,新鮮空氣較少,可燃混合氣被稀釋太多,因此在GT-power軟件進行計算時發(fā)現(xiàn),燃燒室內(nèi)可燃混合氣太稀,并未達(dá)到合理的點燃條件,這一段并未有效燃燒,因此缺少一段。
由圖9可知,相同的節(jié)氣門開度,EGR率增大,NOx濃度減小。當(dāng)EGR率不變時,節(jié)氣門開度增大,缸內(nèi)溫度升高,NOx濃度增大。當(dāng)節(jié)氣門開度為50°~90°時,NOx濃度差異較小。
當(dāng)發(fā)動機負(fù)荷不變,點火提前角相同時,EGR率越高,平均指示壓力越小,動力性越差;當(dāng)EGR率為0~10%時,點火提前角越大,有效功率越小,有效燃料消耗率越大;當(dāng)EGR率為20%,點火提前角為10°CA時的有效功率最大,動力性最好;當(dāng)EGR率為30%時,點火提前角越大,有效功率越大,有效燃料消耗率越小。
發(fā)動機點火提前角一定,節(jié)氣門開度越大,放熱率越大,壓力越高,有效功率越大,有效燃料消耗率越小,但在50°、70°、90°時的增加量較小,NOx濃度隨節(jié)氣門開度增大而增大。在節(jié)氣門開度為10°,隨著EGR率的增大,有效燃料消耗率迅速增加,嚴(yán)重影響發(fā)動機的經(jīng)濟性能,同時,發(fā)動機NOx濃度較小,所以發(fā)動機在小負(fù)荷時,EGR率應(yīng)減小或為0。