不同進(jìn)氣壓力對高密度-低溫柴油機(jī)燃燒的數(shù)值模擬

劉建勛，萬普鵬，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)無法比擬的優(yōu)勢。然而，由于柴油機(jī)NOx和碳煙排放存在“此消彼長”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的方法來實(shí)現(xiàn)降低排放和高熱效率。然而，這些初始條件對燃燒和排放的影響過程有待進(jìn)一步深入研究。針對這種情況，筆者應(yīng)用fire軟件對不同進(jìn)氣壓力對高密度－低溫柴油機(jī)燃燒和排放以及對動力性、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)的氣體流動模擬是根據(jù)基本的守恒定律，即質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒來求解平均運(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，通過臺架實(shí)驗(yàn)得出該發(fā)動機(jī)的示功圖，再將計(jì)算所得示功圖與實(shí)測示功圖進(jìn)行對比，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)?？傮w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)量比相對其它進(jìn)氣條件下的當(dāng)量比大，局部過濃區(qū)相對嚴(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)動機(jī)各種參數(shù)對比曲線圖。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。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^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(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，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)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性曲線圖。圖3(f)表明，動力性指標(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圖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)動機(jī)碳煙和NOx的排放會同時(shí)降低。

3)進(jìn)氣壓力增加會明顯改善發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性。

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