李岳林, 楊得志, 張子涵, 張五龍

(1. 湖南省工程車輛安全性設(shè)計(jì)與可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410114;2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410114)

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,石油資源日漸匱乏,溫室有害氣體排放愈發(fā)嚴(yán)重,面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)格的排放法規(guī),尋求經(jīng)濟(jì)性和排放性俱佳的車用石油替代燃料和新型燃燒模式的開(kāi)發(fā)已成為世界各國(guó)內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域?qū)W者的研究熱點(diǎn)。摻氫天然氣(HCNG)燃料綜合了天然氣儲(chǔ)備量大和氫氣燃燒清潔、燃燒速率快等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是比較有潛力且較為合適的發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料。已有學(xué)者針對(duì)火花點(diǎn)火HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)與模擬研究,結(jié)果顯示由于氫氣不含碳基且淬熄距離較短,因此燃燒后CO2、HC排放得到抑制,且因氫氣加入而活性增強(qiáng)的O、OH基使排放中間產(chǎn)物CH2O被快速消耗。但與此同時(shí),因混合燃燒速率增大,缸內(nèi)最高溫度有所提升,以致NOx的排放增高[1-4]。均質(zhì)充量壓縮著火方式(HCCI)擁有多點(diǎn)大面積同時(shí)著火及快速燃燒的特點(diǎn),使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒持續(xù)期和后燃縮短,具有很高的熱效率和良好的燃油經(jīng)濟(jì)性,可以降低NOx的排放,但過(guò)快的傳熱產(chǎn)生的較大壓力升高率,會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴,甚至導(dǎo)致敲缸現(xiàn)象[5-7]。廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)是目前有效控制HCCI燃燒的常用手段,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)EGR對(duì)HCCI燃燒的影響已做了大量研究,證明了廢氣混合新鮮工質(zhì)可以提高進(jìn)氣初始溫度,使工質(zhì)的低活化能反應(yīng)加速進(jìn)行,且因廢氣多為H2O、CO2等比熱容較大的氣體,還能稀釋新鮮工質(zhì)、抑制放熱速率、降低缸內(nèi)燃燒溫度,從而緩解粗暴燃燒現(xiàn)象,拓展HCCI燃燒負(fù)荷上限,同時(shí)也有利于實(shí)現(xiàn)低溫燃燒,使燃燒室壁的傳熱損失降低,高溫廢氣內(nèi)殘余的活性基團(tuán)對(duì)自燃著火還有一定的積極影響[8-11]。利用改變配氣相位形成的內(nèi)部EGR相比加裝控制閥的外部EGR更為簡(jiǎn)便,通過(guò)排氣門提早關(guān)閉和進(jìn)氣門延遲開(kāi)啟形成負(fù)氣門重疊(NVO),可將廢氣截留在缸內(nèi),換氣過(guò)程中廢氣對(duì)新氣的加熱稀釋即可產(chǎn)生EGR效果。目前關(guān)于摻氫天然氣混合燃料在HCCI模式下結(jié)合改變配氣相位形成負(fù)氣門重疊對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、排放特性影響的研究報(bào)道還比較少。

本文以一臺(tái)加裝了電液氣門機(jī)構(gòu)的四沖程自然吸氣式水冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)改裝而成的天然氣混氫發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象,在GT-power和Chemkin軟件上進(jìn)行了負(fù)氣門重疊對(duì)摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放的數(shù)值模擬,分析了改變配氣正時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒與排放的影響,為摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用中性能的改善提供一定的理論依據(jù)。

1 仿真模型的建立

考慮到GT-Power軟件能夠較好地仿真換氣過(guò)程,而CHEMKIN對(duì)于HCCI的燃燒過(guò)程模擬精度較高,故選用二者進(jìn)行聯(lián)合仿真。應(yīng)用GT-power軟件對(duì)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì),改變進(jìn)排氣門開(kāi)啟關(guān)閉正時(shí),可以實(shí)現(xiàn)負(fù)氣門重疊。圖1所示為GT-power搭建的HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)模型,由進(jìn)排氣系統(tǒng)、氣缸、曲軸驅(qū)動(dòng)裝置等構(gòu)成,根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸和主要參數(shù)對(duì)相應(yīng)模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置即可。運(yùn)用Chemkin軟件對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,需要導(dǎo)入燃料的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和熱力學(xué)數(shù)據(jù),指定化學(xué)求解器所要求解的反應(yīng)方程,通過(guò)燃燒模型結(jié)合傳熱模型、氣缸幾何模型與EGR率的計(jì)算公式來(lái)求解零維單區(qū)模型的整套控制方程,得出燃燒放熱率、缸內(nèi)壓力變化、各類反應(yīng)產(chǎn)物濃度等表征燃燒過(guò)程特性的參數(shù)值。將GT-power仿真換氣過(guò)程的結(jié)果文件導(dǎo)入到Chemkin中,由Chemkin來(lái)完成燃燒過(guò)程的仿真,并將計(jì)算結(jié)果又導(dǎo)回到GT-power作為下一循環(huán)的初始數(shù)據(jù),由于不同循環(huán)之間換氣與燃燒膨脹兩過(guò)程存在交替影響效應(yīng),因此要結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)影響燃燒模型的參數(shù)進(jìn)行迭代收斂計(jì)算和模型參數(shù)的修正,以獲得更能表達(dá)真實(shí)情況的仿真結(jié)果。

圖1 HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型Fig.1 Simulation model of hydrogen natural gas engine

1.1 反應(yīng)機(jī)理與物性參數(shù)

GRI Mech-3.0[12]是描述甲烷燃燒氧化反應(yīng)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理,包含53種物質(zhì)和325個(gè)基元反應(yīng),如C1～C2鏈反應(yīng)、N化學(xué)反應(yīng)和NOx生成反應(yīng)等,已經(jīng)大量試驗(yàn)驗(yàn)證并被廣泛用于碳?xì)淙剂系哪M研究中。由于本文研究的是二元混合燃料在NVO策略下的均質(zhì)壓燃特性,對(duì)反應(yīng)前溫度和組分濃度有所側(cè)重,故對(duì)原機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化重整。在添加氫氣機(jī)理、改變物質(zhì)組分的基礎(chǔ)上,運(yùn)用敏感性分析法[13]找出對(duì)于反應(yīng)初始溫度、濃度敏感性較高的若干基元反應(yīng)與物質(zhì),再使用反應(yīng)系數(shù)變異法[14]對(duì)影響化學(xué)反應(yīng)速率的Arrhenius方程[15]參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化

(1)

式中:k為反應(yīng)速率常數(shù);c0為指前因子;T為反應(yīng)溫度;α為溫度指數(shù);Ea為反應(yīng)活化能;R為通用氣體常數(shù)。

機(jī)理簡(jiǎn)化完成后將其與熱力學(xué)數(shù)據(jù)導(dǎo)入燃燒模型中,模型中關(guān)于物質(zhì)組分的計(jì)算基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程與燃料物性參數(shù)的定義

(2)

定義燃料中的氫氣摻入比例為體積比例

(3)

結(jié)合混合燃料各自的物性參數(shù)可以計(jì)算固定配比下混合燃料的摩爾質(zhì)量為

MF=16-4τH2

(4)

混合燃料的化學(xué)計(jì)量空燃比為

(5)

式中:λ0(H2)、λ0(CH4)為兩種燃料的化學(xué)計(jì)量空燃比。上述各式為物質(zhì)組分求解的基礎(chǔ)。

1.2 零維單區(qū)燃燒模型與傳熱模型

零維單區(qū)燃燒模型認(rèn)為缸內(nèi)充量的溫度、壓力和組分均勻分布,符合HCCI燃燒的均質(zhì)預(yù)混合條件。該模型為反應(yīng)機(jī)理提供溫度輸入,從而計(jì)算出各種燃燒過(guò)程參數(shù)。假設(shè)混合氣為理想氣體,工質(zhì)處于密封無(wú)泄漏損失狀態(tài)。燃燒放熱率的求解基于熱力學(xué)第一定律能量守恒方程式

du+pdVm=h-δqw

(6)

式中:u為單位質(zhì)量的物質(zhì)的比熱力學(xué)能,即比熱力學(xué)能;Vm為單位質(zhì)量所占容積;h為比焓;qw為比熱損失量,由傳熱模型確定

qw=LSt(T-Tw)

(7)

式中:Tw為缸壁平均溫度;St為有效傳熱面積;L為傳熱系數(shù)。

傳熱子模型通過(guò)與能量方程耦合,提供計(jì)算溫度場(chǎng)的邊界條件,如缸壁溫度、缸內(nèi)溫度分布和熱流分布,反映工質(zhì)對(duì)燃燒室壁面的傳熱及熱量損失。對(duì)于均質(zhì)零維壓燃模型而言,L由廣泛認(rèn)可的Woschni關(guān)聯(lián)式給出[16]

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

(8)

式中:D為發(fā)動(dòng)機(jī)的缸徑;v為特征速度,表征缸內(nèi)物質(zhì)統(tǒng)計(jì)平均運(yùn)動(dòng)特性。

(9)

式中:vave為活塞平均速度;Vs為氣缸工作容積;下標(biāo)帶b的量表示進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻到燃燒始點(diǎn)之前工質(zhì)在任一時(shí)刻的狀態(tài);pmot為發(fā)動(dòng)機(jī)反拖壓力。缸內(nèi)燃燒過(guò)程的溫度變化為

(10)

式中:MH為混合氣平均摩爾質(zhì)量;cv為定壓比熱容。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸幾何模型

由發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸幾何關(guān)系可以求出氣缸容積隨時(shí)間的變化規(guī)律

(11)

式中:VC為燃燒室容積;ε為壓縮比;s為連桿、曲柄的長(zhǎng)度之比;θ為曲軸轉(zhuǎn)角。在仿真中還經(jīng)常采用掃氣容積變化率

(12)

1.4 內(nèi)部EGR率計(jì)算

每循環(huán)燃燒動(dòng)力過(guò)程受該循環(huán)換氣過(guò)程影響,而EGR率是聯(lián)系兩過(guò)程的重要參數(shù)。常規(guī)計(jì)算EGR率的方法是測(cè)量壓縮行程與排氣行程結(jié)束后排氣管中CO2的濃度來(lái)確定的,并不適用于描述NVO策略下形成的內(nèi)部EGR效應(yīng)。根據(jù)燃燒反應(yīng)方程式及仿真所能獲取的數(shù)據(jù),對(duì)NVO下當(dāng)量比為1時(shí)的EGR率進(jìn)行理論推導(dǎo),假設(shè)燃料完全燃燒,缸內(nèi)氣體混合均勻,氣門開(kāi)閉不受配氣機(jī)構(gòu)響應(yīng)遲滯、缸內(nèi)外壓差的影響

(13)

式中:m0為進(jìn)氣門關(guān)閉后充入氣缸的混合氣質(zhì)量;mE為排氣門關(guān)閉后缸內(nèi)殘余廢氣的質(zhì)量。很顯然mE是由上一循環(huán)動(dòng)力過(guò)程和排氣門關(guān)閉時(shí)刻共同決定的

(14)

式中:ξO2為空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù);y定義為混合燃料中氫原子與碳原子的摩爾數(shù)之比,與τH2有一定的相關(guān)性,下標(biāo)帶EVC的量表示排氣門關(guān)閉時(shí)刻缸內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)。mE與接續(xù)的進(jìn)氣過(guò)程共同影響m0的值

(15)

式中:下標(biāo)帶IVC的量表示進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻缸內(nèi)工質(zhì)狀態(tài);MA為空氣的摩爾質(zhì)量值。

2 仿真模型的校驗(yàn)

為了驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性,利用試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)的缸內(nèi)壓力與溫度與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)在當(dāng)量比為0.4、轉(zhuǎn)速為1 100 r/min、氫氣體積分?jǐn)?shù)5%下進(jìn)行,所用各種儀器的詳細(xì)介紹與測(cè)試精度已在之前的研究中給出[17]。仿真模型的初始溫度、壓力等數(shù)據(jù)由試驗(yàn)值測(cè)取,模擬工況與試驗(yàn)工況保持一致。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of a test engine

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力與缸內(nèi)溫度的試驗(yàn)值和模擬值的對(duì)比圖如圖2和圖3所示。

圖2 缸內(nèi)壓力驗(yàn)證對(duì)比曲線Fig.2 Comparison curve of in-cylinder pressure verification

圖3 缸內(nèi)溫度驗(yàn)證對(duì)比曲線Fig.3 Comparison curve of in-cylinder temperature verification

通過(guò)對(duì)比可以看出模擬所得數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)走勢(shì)一致,型線上吻合較好,缸內(nèi)壓力和溫度模擬值與試驗(yàn)值誤差范圍均控制在5 %以內(nèi)。在動(dòng)力過(guò)程的全部曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi),模擬所得數(shù)據(jù)的數(shù)量級(jí)和精度良好,綜合看來(lái),所搭建的仿真模型可以較為可靠地反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)性能。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 排氣門關(guān)閉時(shí)刻對(duì)燃燒排放的影響

圖4～圖10是在當(dāng)量比為1,轉(zhuǎn)速為1 200 r/min,進(jìn)氣溫度為350 K,進(jìn)氣壓力0.13 MPa,摻氫比為5%,燃料質(zhì)量流率為6.2 g/s的初始條件下,模擬出的單獨(dú)改變排氣門關(guān)閉(EVC)時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響規(guī)律,此過(guò)程中應(yīng)維持排氣門開(kāi)啟(EVO)、進(jìn)氣門開(kāi)啟(IVO)、進(jìn)氣門關(guān)閉(IVC)和氣門升程不變。排氣門相較換氣過(guò)程上止點(diǎn)提前每隔15 °CA獲得一組氣門升程曲線,當(dāng)前策略下所能形成的負(fù)氣門重疊角度為0～75 °CA。

圖4 排氣門早關(guān)對(duì)缸內(nèi)EGR率的影響Fig.4 Effect of early exhaust valve closure on in-cylinder EGR rate

由圖4和圖5可知,隨著EVC時(shí)刻的提前,廢氣再循環(huán)率上升,充氣效率下降。這是因?yàn)榕艢忾T越早關(guān)閉,由排氣管排出的廢氣越少,截留在缸內(nèi)的廢氣越多,因此EGR率會(huì)升高。而隨著滯留在缸內(nèi)的廢氣量越多,進(jìn)氣門開(kāi)啟時(shí)缸內(nèi)與進(jìn)氣門喉口的壓差相較不采用EGR的原機(jī)而言就越小,阻礙了新氣的充入。同時(shí)廢氣對(duì)新氣的加熱會(huì)造成進(jìn)氣狀態(tài)空氣密度下降,實(shí)際吸入缸內(nèi)也略有減小。此外由于IVO時(shí)活塞仍處在上行階段,對(duì)自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō),缸內(nèi)可能有一定程度的回火現(xiàn)象發(fā)生,EVC越提早廢氣回火越嚴(yán)重,這將進(jìn)一步降低了充入缸內(nèi)的新氣量。自排氣門早關(guān)15 °CA到早關(guān)90 °CA,EGR率增長(zhǎng)了18.36%,充氣效率的降幅為27.3 %。

圖5 排氣門早關(guān)對(duì)缸內(nèi)充氣效率的影響Fig.5 Effect of early exhaust valve closure on cylinder filling efficiency

由圖6～圖9可知,隨著EVC的提前,缸內(nèi)燃燒壓力和燃燒溫度降低,這是因?yàn)镋VC越提早,增多的廢氣對(duì)新氣的稀釋程度也越大,缸內(nèi)燃燒做功動(dòng)力輸出受損。從早關(guān)15°CA到90°CA,最高壓力下降了18.6%,最高溫度下降了16.8%,說(shuō)明EVC提前程度對(duì)缸內(nèi)壓力和溫度在數(shù)值上的變化影響較大。缸內(nèi)達(dá)到最高壓力和最高溫度的時(shí)刻略有提前,表示提前關(guān)閉排氣門時(shí),燃燒過(guò)程的等容度略有增加。從圖7和圖8可以看出,隨EVC時(shí)刻的提早,缸內(nèi)最大壓力升高率減小,放熱率逐漸降低。產(chǎn)生這一變化的主要原因是:EVC越提早,NVO角度越大,廢氣存留量越多,由于比熱容較高、含氧量較低的廢氣同時(shí)具有稀釋和燃燒溫降作用,使缸內(nèi)最高燃燒溫度下降,從而減緩了缸內(nèi)燃燒反應(yīng)速率,壓力升高率降低,燃燒更為柔和,有助于削弱HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)普遍具有的工作粗暴現(xiàn)象,減小爆震傾向和振動(dòng)噪聲。

圖7 排氣門早關(guān)時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)溫度的影響Fig.7 Effect of exhaust valve early closing moment on cylinder temperature

圖8 排氣門早關(guān)時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)壓力升高率的影響Fig.8 Effect of exhaust valve early closing moment on the rate of pressure rise in the cylinder

圖10展示了NOx在排氣門早關(guān)方案下的變化情況,隨著EVC時(shí)刻提早,NOx排放相對(duì)減少。由前述分析可知,廢氣的稀釋使得充量系數(shù)下降,缸內(nèi)混合物中氧氣濃度降低,同時(shí)廢氣減緩了缸內(nèi)工質(zhì)燃燒放熱速率,降低了最高溫度。根據(jù)氮氧化物的生成機(jī)理,富氧和高溫是生成NOx的有利條件,因此由于氧濃度的降低和燃燒溫度的下降,NOx排放量降低,而后期缸內(nèi)溫度隨著活塞的下行降低,所以NOx生成總量不再上升而趨于穩(wěn)定。

圖10 排氣門關(guān)閉時(shí)刻對(duì)NOx排放的影響Fig.10 Effect of exhaust valve closing moment on NOx emission

3.2 進(jìn)氣門開(kāi)啟時(shí)刻對(duì)燃燒排放的影響

圖11～17為維持EVO、EVC、IVC和氣門升程不變時(shí),單獨(dú)改變IVO時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響規(guī)律。進(jìn)氣門相較換氣過(guò)程上止點(diǎn)推遲每隔15 °CA獲得一組氣門升程曲線,模擬的初始條件不變。因EVC保持在上止點(diǎn)后15 °CA。

圖11 進(jìn)氣門晚開(kāi)對(duì)缸內(nèi)EGR率的影響Fig.11 Effect of late opening of intake valve on in-cylinder EGR rate

由圖11和圖12可知,隨著IVO的推遲,EGR率上升,充氣效率呈下降趨勢(shì)。原因是雖然缸內(nèi)截留廢氣因EVC時(shí)刻不變而保持固定的量,但新氣量受活塞下行程度的影響,進(jìn)氣門越晚開(kāi)啟,實(shí)際進(jìn)氣的持續(xù)時(shí)間就越短,進(jìn)入氣缸內(nèi)的新氣量就越少。自進(jìn)氣門晚開(kāi)15 °CA到90 °CA,EGR率增長(zhǎng)了11.35%,充氣效率降低了16.86%。

圖12 進(jìn)氣門晚開(kāi)對(duì)缸內(nèi)充氣效率的影響Fig.12 Effect of late opening of intake valve on cylinder filling efficiency

由圖13和圖14可知,隨著IVO延后,缸內(nèi)壓力、溫度的峰值逐漸降低,達(dá)到峰值的相位略有提前。從進(jìn)氣門晚開(kāi)15 °CA到90 °CA,缸內(nèi)最高壓力下降了9.7%,最高溫度下降了9.5%,與改變EVC方案相比,在相同的NVO角度下,單獨(dú)改變IVO時(shí)缸內(nèi)壓力、溫度峰值降低的幅度不大,這是因?yàn)镋VC時(shí)刻的固定使得當(dāng)前方案下缸內(nèi)所能截留到的廢氣量一定,進(jìn)氣晚開(kāi)的廢氣占比增加范圍相對(duì)更小,動(dòng)力過(guò)程受損更少。從圖15和圖16可以看出,隨著IVO時(shí)刻延后,缸內(nèi)壓力升高率和燃燒放熱速率逐漸降低,但著火相位卻提前。這是由于廢氣對(duì)新氣的平均加熱程度因新氣量的減少而得以提高,如圖14所示燃燒放熱始點(diǎn)處的溫度隨著IVO的晚開(kāi)有所提高,這有益于均質(zhì)壓燃的順利進(jìn)行。在單獨(dú)改變EVC方案中,廢氣的加熱貢獻(xiàn)僅僅體現(xiàn)在了燃燒壓力和燃燒溫度峰值所對(duì)應(yīng)相位的提前上,由此可見(jiàn)改變IVO策略產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在燃燒始點(diǎn)的改變上,且可以進(jìn)一步判斷燃燒始點(diǎn)的主要影響因素是新氣量而非EGR率,這是因?yàn)閱为?dú)改變EVC時(shí),進(jìn)氣開(kāi)啟時(shí)刻雖保持不變但早開(kāi)于上止點(diǎn),新氣的量普遍高于單獨(dú)改變IVO策略,新氣量越多即使廢氣量存留多但對(duì)新氣加熱的平均程度不足。而單獨(dú)改變IVO時(shí)雖然廢氣量因排氣晚關(guān)于上止點(diǎn)而減少,但新氣量也減少使得其被有限廢氣量的加熱更容易,著火提前的效果也更明顯。上述對(duì)比說(shuō)明進(jìn)氣加熱效果雖然和EGR率有關(guān),但對(duì)于新氣的量更為敏感。從前述關(guān)于EGR率的變化也可以看出,雖然單獨(dú)改變EVC比單獨(dú)改變IVO所能實(shí)現(xiàn)的EGR率范圍更大,但新氣量的增多使得即使在相近的廢氣占比情況下,廢氣加熱的難度仍然更大一些。

圖13 進(jìn)氣門開(kāi)啟時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)壓力的影響Fig.13 Effect of intake valve opening moment on in-cylinder pressure

圖14 進(jìn)氣門開(kāi)啟時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)溫度的影響Fig.14 Effect of intake valve opening moment on in-cylinder temperature

圖15 進(jìn)氣門開(kāi)啟時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)壓力升高率的影響Fig.15 Effect of intake valve opening moment on in-cylinder pressure rise rate

圖17展示了NOx在進(jìn)氣門晚關(guān)方案下的變化情況,隨著IVO時(shí)刻的推遲NOx排放減少。這是因?yàn)閺U氣的稀釋作用使得缸內(nèi)氧濃度降低,同時(shí)廢氣減緩了燃燒放熱速率,降低了燃燒最高溫度,使得產(chǎn)生NOx的富氧高溫條件受到抑制。與單獨(dú)改變EVC時(shí)刻相比,由于排氣門維持原機(jī)晚開(kāi)所以廢氣存留量不多,對(duì)EGR率的增長(zhǎng)、缸內(nèi)燃燒溫壓的削減、缸內(nèi)燃燒放熱率的削減程度均不大,所以NOx的排放改善程度也不大。

圖17 進(jìn)氣門開(kāi)啟時(shí)刻對(duì)NOx排放的影響Fig.17 Effect of intake valve opening moment on NOx emission

3.3 進(jìn)排氣門開(kāi)閉時(shí)刻對(duì)燃燒排放的影響

單獨(dú)增大EVC提前角到一定程度,著火時(shí)刻受EGR加熱的效果不明顯,有可能導(dǎo)致HCCI無(wú)法正常實(shí)現(xiàn)。而單獨(dú)延遲IVO時(shí)刻,EGR率的變動(dòng)不大,燃燒溫降和氮氧化物改善程度不明顯。若想改進(jìn)著火提前效果,取得更為理想的廢氣再循環(huán)率,考慮結(jié)合兩種方案,同時(shí)改變進(jìn)排氣門的開(kāi)閉時(shí)刻。

圖18～圖24為保持EVO、IVC和氣門升程不變時(shí),同時(shí)改變EVC和IVO對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響。進(jìn)排氣門相較換氣過(guò)程上止點(diǎn)分別延遲開(kāi)啟和提早關(guān)閉,每隔15°CA獲得一組氣門升程曲線,其他初始條件不變,當(dāng)前策略下形成的NVO角度為30 °CA～ 180 °CA,由于同時(shí)改變的角度間隔值是關(guān)于上止點(diǎn)對(duì)稱的,因此該策略也稱為對(duì)稱NVO策略。

圖18 對(duì)稱NVO對(duì)缸內(nèi)EGR率的影響Fig.18 Effect of symmetric NVO on in-cylinder EGR rate

由圖18～圖19所示,EGR率增長(zhǎng)了45.87個(gè)百分點(diǎn),充氣效率降低了51.43%,可見(jiàn)對(duì)稱NVO策略能夠產(chǎn)生更大的EGR率,這是因?yàn)榕艢忾T越早關(guān)閉滯留廢氣量越多,而進(jìn)氣門越晚開(kāi)啟所進(jìn)新鮮混合氣量就越少,充量系數(shù)的損失也比單獨(dú)改變EVC或IVO時(shí)要大。另外,單獨(dú)改變EVC時(shí)由排氣提早關(guān)閉所截留的廢氣形成的缸內(nèi)外壓差降,進(jìn)而導(dǎo)致的回火現(xiàn)象,在本方案下因進(jìn)氣也延遲開(kāi)啟活塞處于下行被有效地避免。而相比單獨(dú)改變IVO策略,因排氣提早關(guān)閉廢氣量更多,所以對(duì)有限新氣平均加熱程度也得到了提高。

圖19 對(duì)稱NVO對(duì)缸內(nèi)充量系數(shù)的影響Fig.19 Effect of symmetric NVO on cylinder charge factor

由圖20～圖23可知,隨著對(duì)稱NVO角的加大,缸內(nèi)壓力和溫度下降,從NVO角度為30 °CA到180 °CA,缸內(nèi)最大壓力下降了27.6%,缸內(nèi)最高溫度下降了21.7%。動(dòng)力的下降幅度大于單獨(dú)改變IVO或EVC方案。壓力升高率與燃燒放熱速率隨著對(duì)稱NVO角度的加大而明顯下降,因燃燒放熱速率主要受EGR率的變化影響,而對(duì)稱NVO所形成的EGR率范圍較大,所以燃燒反應(yīng)的緩和程度也很大,放熱的變慢也造成了壓力升高率的降低,這有利于減小發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩變動(dòng),防止爆震的發(fā)生可能,使發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況更加平順。同時(shí)改變進(jìn)排氣門時(shí)刻對(duì)燃料著火時(shí)刻的影響顯著,NVO角越大燃料著火提前程度越大,且著火前溫度也相應(yīng)地受進(jìn)氣加熱影響增高,這是因?yàn)殡S著NVO角的增加,缸內(nèi)廢氣量增多而新氣量漸減,廢氣對(duì)新氣的加熱效果優(yōu)于在相同進(jìn)氣晚開(kāi)程度下廢氣量固定的變IVO策略,也優(yōu)于在相同排氣早關(guān)程度下新氣量更多的變EVC策略。但NVO角過(guò)大時(shí),如排氣早關(guān)與進(jìn)氣晚開(kāi)角度大于75 °CA時(shí),混合燃料被過(guò)度提前到上止點(diǎn)之前進(jìn)行放熱,這使得缸內(nèi)工質(zhì)動(dòng)力過(guò)程承受了一部分壓縮行程的負(fù)功損失,減小了等容加熱程度,因此應(yīng)當(dāng)予以避免。

圖20 對(duì)稱NVO對(duì)缸內(nèi)壓力的影響Fig.20 Effect of symmetric NVO on cylinder pressure

圖21 對(duì)稱NVO對(duì)缸內(nèi)溫度的影響Fig.21 Effect of symmetric NVO on in-cylinder temperature

圖22 對(duì)稱NVO對(duì)缸內(nèi)壓力升高率的影響Fig.22 Effect of symmetric NVO on pressure rise rate in the cylinder

圖23 對(duì)稱NVO對(duì)缸內(nèi)放熱率的影響Fig.23 Effect of symmetric NVO on the exothermic rate in the cylinder

圖24為對(duì)稱NVO對(duì)NOx排放量影響的曲線。從圖中可知,隨著EVC提前和IVO延遲,缸內(nèi)NOx生成量顯著降低,由前述分析知影響NOx的最重要因素是缸內(nèi)最高溫度,由于對(duì)稱NVO策略下能夠達(dá)到較大的EGR率,而缸內(nèi)最高溫度隨EVC時(shí)刻的提前和IVO時(shí)刻的延遲而減小,因此對(duì)燃燒溫度的降低幅度也更大,同時(shí)對(duì)燃燒速度的降低也使得NOx生成速率也越慢,最終導(dǎo)致了缸內(nèi)NOx生成量的大幅削減。

圖24 對(duì)稱NVO對(duì)NOx排放的影響Fig.24 Effect of symmetric NVO on NOx emissions

4 結(jié)論

1) 摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的動(dòng)力過(guò)程會(huì)因負(fù)氣門重疊的影響呈現(xiàn)不同程度的下降。單獨(dú)改變EVC和同時(shí)改變EVC與IVO,廢氣截留量和EGR率隨負(fù)氣門重疊角度增大而增多,缸內(nèi)壓力最大下降幅度分別為18.6%和27.6%。單獨(dú)改變IVO的EGR率與充氣效率的變化范圍較小,缸內(nèi)壓力的損失最小,最大下降幅度僅為9.7%。

2) 分別單獨(dú)改變進(jìn)排氣門開(kāi)閉時(shí)刻,雖能形成相同的負(fù)氣門重疊角,但對(duì)缸內(nèi)放熱始點(diǎn)的影響程度不同。單獨(dú)改變IVO比單獨(dú)改變EVC對(duì)燃料的著火提前程度更大,表明放熱始點(diǎn)對(duì)新氣量更為敏感,主要受到缸內(nèi)工質(zhì)平均加熱程度的影響而不是EGR率變化范圍的影響。由于擁有更多的廢氣截留量和更好的廢氣加熱效果,采用對(duì)稱NVO策略能夠顯著影響燃料的自燃著火時(shí)刻,但當(dāng)負(fù)氣門重疊角超過(guò)150 °CA時(shí),著火時(shí)刻過(guò)度提前至上止點(diǎn)之前,降低了燃燒放熱過(guò)程的等容度。

3) 對(duì)稱NVO策略所能達(dá)到的EGR率最高,對(duì)缸內(nèi)燃燒放熱速率的緩和作用以及壓力升高率的降低效果也最大,這有利于改善HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴程度,防止爆震的發(fā)生,使得天然氣混氫燃料在實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒時(shí)能夠具有更寬廣的負(fù)荷拓展范圍和更柔和的燃燒放熱過(guò)程。

4) 3種策略下缸內(nèi)最高溫度的最大降幅分別為16.8 %,9.5 %和21.7 %,是影響NOx排放量的主要因素,采用NVO策略所能實(shí)現(xiàn)的減排程度最大,采用單獨(dú)改變EVC策略的降低效果居中,而單獨(dú)改變IVO策略對(duì)缸內(nèi)最高溫度的削減幅度和放熱速率的緩和效果較小,所能實(shí)現(xiàn)的NOx降低效果也最小。