小型柴油機(jī)EGR+富氧燃燒排放特性模擬分析

，，

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620; 2.上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海 201620)

0 引言

柴油機(jī)是所有內(nèi)燃機(jī)中效率最高的一種動力裝置，它憑借著良好的動力性、經(jīng)濟(jì)性以及耐久性而越來越廣泛地應(yīng)用于各種車輛和動力裝置[1]。由于各種先進(jìn)技術(shù)在柴油機(jī)上的使用，它也逐漸從傳統(tǒng)的給人以笨重、冒黑煙及噪音大的印象改變?yōu)樾矢咔夜?jié)能的發(fā)動機(jī)。然而隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)和排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，控制其有害排放物技術(shù)已成為柴油機(jī)實(shí)際推廣應(yīng)用的關(guān)鍵[2]。特別是小型單缸柴油機(jī)，目前還缺少十分行之有效的方法控制其排放[3]。目前，富氧燃燒是一種減少柴油機(jī)顆粒物排放的方法，但同時也會帶來負(fù)面影響，比如說NOx的排放將會增加，富氧，高溫時氮氧化物產(chǎn)生的必要條件，因此富氧燃燒并不能從根本上解決柴油機(jī)排放問題；廢氣再循環(huán)技術(shù)(EGR)目前被廣泛應(yīng)用到機(jī)動車中，但也有一定的問題存在，這項(xiàng)技術(shù)的使用不可避免的將會導(dǎo)致動力性的下降，這對柴油機(jī)來說是致命的，同時也使燃油不能充分的燃燒，導(dǎo)致顆粒物的增加，限制了柴油機(jī)的排放控制；三元催化技術(shù)能有效的解決NOx和顆粒物的排放，由于它的特殊要求，目前很少應(yīng)用到柴油機(jī)上，特別是單缸柴油機(jī)上。綜合目前排放控制技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出了一種EGR+富氧燃燒的新方法，既強(qiáng)化燃燒又減少小型柴油機(jī)有害物的排放，進(jìn)一步滿足排放法規(guī)的要求。

1 計算的主要模型

FIRE 軟件對壓燃式發(fā)動機(jī)數(shù)值模擬的過程主要包括根據(jù)發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立燃燒室的幾何模型，對燃燒室的幾何模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)設(shè)置發(fā)動機(jī)燃燒初始條件、邊界條件等，以及選擇合適的缸內(nèi)氣體流動，燃燒及排放模型。

1.1 建立燃燒室?guī)缀文Ｐ?/h3>

本文以某小型單缸柴油發(fā)動機(jī)為研究對象，其基本參數(shù)及邊界條件見表1。

單缸小型柴油機(jī)活塞上的燃燒室形狀為ω型，凹坑中心偏離氣缸中心稍許，將其簡化成以氣缸中心為對稱的燃燒室。為縮短計算時間，將燃燒室根據(jù)噴油器噴孔的個數(shù)簡化燃燒室，只計算了單個噴孔對應(yīng)的燃燒室。通過 FIRE 軟件中ESE 模塊，對此發(fā)動機(jī)的燃燒室結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行簡化處理，利用 ESE 模塊中預(yù)設(shè)的活塞和噴油器的幾何模型建立了發(fā)動機(jī)燃燒室?guī)缀畏抡婺Ｐ汀?圖1為燃燒室形狀示意圖。

1.2 計算網(wǎng)格劃分

對于柴油機(jī)缸內(nèi)過程的多維數(shù)值模擬，因存在活塞的往復(fù)運(yùn)動。應(yīng)用動網(wǎng)格可以真實(shí)地反映柴油機(jī)實(shí)際工作情況。為了縮短計算時間，本文通過FIRE軟件中的ESE模塊，建立了從進(jìn)氣門關(guān)閉到排氣門打開，這段時間燃燒室的動網(wǎng)格；計算采用六面體網(wǎng)格，對七分之一燃燒室進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在整個模擬計算過程中活塞頂面燃燒室內(nèi)部的網(wǎng)格大小和數(shù)目是固定不變的，只隨活塞一起運(yùn)動，網(wǎng)格數(shù)為1496，特殊位置(上下止點(diǎn))網(wǎng)格如圖2所示。

表1 柴油機(jī)主要結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)

圖1 燃燒室形狀示意圖

圖2 燃燒室網(wǎng)格模型

1.3 其他仿真參數(shù)及模型的選取

本文中EGR率以進(jìn)氣中模擬氣CO2的含量表示，EGR溫度與進(jìn)氣溫度相同，缸內(nèi)氣體流動根據(jù)求解質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒方程組來實(shí)現(xiàn)，為使方程組封閉，需要建立完整的仿真模型及合適的運(yùn)行參數(shù)。相關(guān)模型選取[4]如下：燃燒模型選用Coherent F1ame Model，NOx生成模型選用Extend zeldovich，Soot生成模型選用Kinetic 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；相關(guān)運(yùn)行參數(shù)選取如表1所示。

1.4 數(shù)值計算模型驗(yàn)證

圖3是該型號柴油機(jī)燃用柴油時(2000 r/min 全負(fù)荷工況)缸內(nèi)壓力數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量值的對比圖。從圖中可以看出，數(shù)值模擬計算得到的缸內(nèi)壓力與實(shí)際測量的缸內(nèi)壓力趨勢相同，吻合度較好。同時也可以看出，數(shù)值模擬計算結(jié)果與發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)實(shí)際測試的結(jié)果不盡一致，兩者存在差別的原因主要是本文建立幾何模型以燃燒室為主，進(jìn)氣結(jié)束時的湍流強(qiáng)度通過經(jīng)驗(yàn)公式求得。同時一些邊界條件也采用經(jīng)驗(yàn)估計值，如缸蓋、缸壁、活塞初始平均溫度值。而且數(shù)值模擬的噴油規(guī)律與實(shí)際的噴油規(guī)律存在一定的差異。但總的看來，選取的數(shù)值模型比較合理。

圖3 計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值對比

2 模擬結(jié)果與分析

柴油機(jī)尾氣排放中，顆粒物和氮氧化物是主要的污染物，故以二者的排放情況，作為該小型單缸柴油機(jī)排放好壞的指標(biāo)。

2.1 NOx排放特性

氮氧化物是大氣主要污染物之一，它主要包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、氧化亞氮(N2O)、亞硝酸酐(N2O3)、四氧化二氮(N2O4)、硝酸酐(N2O5)。其中 NO 和 NO2(統(tǒng)稱為 NOx)所占比例最大，達(dá) 98%以上[5]。柴油車排放的 NOx主要是 NO，約占 95%，其次是 NO2，約占 5%，由于NO所占的比例較大，故選取NO作為主要的研究對象。

由圖4可知，隨著氧含量的增加，排氣中NO的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)也相應(yīng)的增加，這是由于NO產(chǎn)生條件決定的，高溫富氧有利于NO的產(chǎn)生，當(dāng)氧含量為26%時，NO顯著上升，如果再增加氧氣的含量，將產(chǎn)生大量的NO，不利于排放氣體中NO的減少；圖5(a)顯示在富氧條件(氧含量23%)下，當(dāng)CO2加入量不多的情況時，NO平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著CO2的加入而減少，這是由于CO2的比熱容高，能降低燃燒室內(nèi)的溫度，防止NO的增加[6],由(b)可知，當(dāng)CO2的含量大于21%時，NO平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)將進(jìn)一步上升，并且CO2加入量很多時，NO急劇上升，表明在CO2加入量達(dá)到一定時，CO2高溫分解產(chǎn)生的O2濃度顯著提高，CO2降溫變得次要了；圖7表明在相同CO2(21%)加入量條件下，增加氧含量將促進(jìn)NO的產(chǎn)生。由此可知，加入過量的CO2以及氧含量過多 都將使NO產(chǎn)生增加，適量的CO2以及氧含量將有利于控制排放中的NO含量。

圖4 不同氧含量NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)與曲軸轉(zhuǎn)角關(guān)系

圖5 NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)與曲軸轉(zhuǎn)角關(guān)系

圖6 NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系(CO2下不同O2比例)

2.2 soot排放

顆粒物(PM)是柴油機(jī)尾氣排放中，又一主要的污染物[7]，有四部分組成：碳煙(soot)、硫酸鹽、可溶性有機(jī)物(SOF)以及來自潤滑油和燃燒室表面脫落的金屬成分，其中soot占主要部分。

圖7顯示的是在無CO2加入下，隨著氧含量的增加，soot的含量呈下降趨勢，這是由于增加氧氣(稀燃)將使多余的顆粒物進(jìn)一步燃燒，從而減少顆粒物的排放；圖8表明在富氧條件下，加入少量的CO2對soot的產(chǎn)生影響不大[8]，隨著CO2的增加，soot的排放逐漸降低，當(dāng)CO2達(dá)到32%時，降低幅度很明顯；圖9在相同的CO2加入量下，增加氧含量將有利于減少soot的排放。由此可知，富氧燃燒能減少soot的排放，用EGR方式的CO2取代N2，當(dāng)CO2達(dá)到一定量時，也將降低soot的排放。

綜上所述，適當(dāng)?shù)腃O2加入量(21%)以及合適氧含量(23%)將有利于小型柴油機(jī)尾氣的排放。

圖7 不同氧含量soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系

圖8 soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系(富氧下不同CO2比例)

圖9 soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系(CO2下不同O2比例)

2.3 燃燒特性

以上可知，適當(dāng)加入CO2以及合適的氧氣含量有利于小型柴油機(jī)尾氣的排放，本文針對21% EGR(CO2)+23% 富氧的發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒情況進(jìn)行分析。

圖10是此單缸直噴柴油機(jī)2000 r/min時，不同曲軸轉(zhuǎn)角下缸內(nèi)溫度場切片圖。在 724°CA 時，燃料噴入燃燒室，燃油溫度較低，此時燃燒室內(nèi)溫度和壓力較高，燃油噴入缸內(nèi)后快速蒸發(fā)，并與周圍的空氣迅速發(fā)生氧化反應(yīng)。在 735°CA 時，在油束周圍溫度已有較大的升高，特別是油束末端溫度升高較快；同時可以看到，由于缸內(nèi)氣體運(yùn)動，油束偏離噴入的方向，在油束噴霧末端周圍出現(xiàn)明顯的著火燃燒現(xiàn)象。隨著油束向前運(yùn)動，在缸內(nèi)氣流作用下位于噴霧濃側(cè)的高溫區(qū)溫度逐漸升高。隨著油束向前運(yùn)動以及油滴不斷的分裂、破碎，缸內(nèi)最高溫度不斷升高，在接近 750°CA 時刻，高溫火焰碰到壁面。同時可看到，在這段曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，柴油燃燒的高溫區(qū)主要分布在噴霧一側(cè)略靠近中間位置，且在缸內(nèi)氣流作用下沿垂直于噴霧方向朝單側(cè)擴(kuò)散。在燃燒后期，由于燃燒渦流和逆擠流的作用，燃燒布滿整個燃燒室，使燃燒逐漸向氣缸壁靠近，此時的高溫區(qū)域也主要出現(xiàn)在燃燒室的側(cè)壁上。

圖10 不同曲軸轉(zhuǎn)角下的缸內(nèi)溫度切片圖

壓燃式發(fā)動機(jī)的燃料經(jīng)噴油器噴入燃燒室后，在噴射壓力的作用下燃料急速分散成很細(xì)小的燃料顆粒，燃料迅速與燃燒室內(nèi)的氣流進(jìn)行混合。燃料與燃燒室氣流混合質(zhì)量的好壞對后續(xù)的燃燒有重大影響，進(jìn)而影響到發(fā)動機(jī)的性能指標(biāo)及排放指標(biāo)。此小型單缸柴油機(jī)噴油器的噴油起始點(diǎn)為 724°CA，結(jié)束點(diǎn)為 744°CA。模擬計算了期間噴油器噴射的燃料進(jìn)入燃燒室后的霧化過程。由圖11可以看出， 燃料在噴入燃燒室的初期，由于受到較高噴油壓力的影響，燃料噴射速度比較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于燃燒室中的熱空氣氣流的流動速度。噴入燃燒室的燃料碰到燃燒室壁面后，大部分沿著燃燒室壁面向下運(yùn)動，形成明顯受制于燃燒室形狀的順時針渦流運(yùn)動。而一小部分燃料則向上發(fā)散，隨著壓縮過程的進(jìn)行，活塞繼續(xù)上行，在活塞邊緣頂部和氣缸蓋底面之間形成的氣流(即擠流)向燃燒室中心運(yùn)動，與向上發(fā)散的小部分燃料混合形成較小的流速相對較低的逆時針渦流，但這個小的逆時針渦流很快就被流速較高的大渦流削弱并消失。與此同時由于受到后續(xù)燃料噴入和活塞上行的作用，大部分燃料與空氣混合后形成的順時針大渦流得以進(jìn)一步加強(qiáng)。隨著噴油的結(jié)束，活塞由上止點(diǎn)向下運(yùn)動，膨脹過程開始，在 740°CA 時氣缸容積有所增大，但氣流形成更大的順時針流動；到 750°CA 的時候，燃燒室中氣流的渦流強(qiáng)仍然較高，與膨脹過程開始時相比渦流的中心位置有所下移，更貼近燃燒室壁面，這對于后期的燃燒十分有利。

3 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬的方法，研究了小型單缸柴油機(jī)在富氧，富氧+EGR(進(jìn)氣中摻入CO2)以及單獨(dú)EGR 3種情況下的排放特性及燃燒情況。結(jié)果可知，EGR協(xié)同富氧有利于尾氣排放，綜合考慮顆粒物中soot和NOx排放，得出了21%EGR(CO2)+23%富氧含量是最理想的匹配。富氧燃燒雖然能使缸內(nèi)燃料強(qiáng)化燃燒，但當(dāng)氧氣充分時，氧氣濃度提高，缸內(nèi)溫度上升，會導(dǎo)致更多NO生成，進(jìn)而NOx排放增多，此時通過適當(dāng)加入大比熱容的CO2，能夠控制NOx和soot的排放。EGR+富氧燃燒可以作為小型單缸柴油機(jī)強(qiáng)化燃燒和控制排放的一種新方法。

圖11 不同曲軸轉(zhuǎn)角下的噴霧流場切片圖

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐金林.可編程程序控制器(PLC)的實(shí)際應(yīng)用[M].寧夏:寧夏機(jī)械出版社,2005.

[2] Bunker B. International Symposium of the Vehicle Emission Regulations[R].[S.I.],2004:4.

[3] Johnson T. Diesel Emission Control in Review[J]. SAE Paper 2006-01-0030:9-10.

[4] CFD-Solver_v2014_05_CFD—Solver[Z]. AVL FIRE User Guide.v2014.

[5] 朱建軍,王 鐵.4100柴油機(jī)燃燒及排放的數(shù)值模擬[A].中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會燃燒節(jié)能凈化分會學(xué)術(shù)年會暨973項(xiàng)目年度工作會議[C].2011.

[6] Edwards S P. The potential of a combined miller cycle and internal EGR engine for future heavy duty truck applications[J]. SAE Transactions,1998.

[7] Rahman Md. Montajir, Hideyuki Tsunemoto, et al. A new combustion chamber concept for low emissions in small DI diesel engines[J]. SAE, 2001.

[8] 趙二麗,張 玉.不同EGR率對高密度—低溫柴油機(jī)燃燒的數(shù)值模擬[J].汽車科技,2012(1).