EGR率對(duì)柴油機(jī)排放性能影響仿真分析＊

溫永美，李 坤

（1.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校汽車工程系，河南新鄉(xiāng)453000；2.河南新飛專用汽車有限責(zé)任公司，河南新鄉(xiāng)453000）

EGR率對(duì)柴油機(jī)排放性能影響仿真分析＊

溫永美1，李 坤2

（1.河南機(jī)電高等專科學(xué)校汽車工程系，河南新鄉(xiāng)453000；2.河南新飛專用汽車有限責(zé)任公司，河南新鄉(xiāng)453000）

利用三維仿真軟件AVL FIRE中的ESE模塊，建立4100直噴式柴油機(jī)的幾何模型和計(jì)算網(wǎng)格；通過CFD模塊設(shè)定邊界條件、初始條件，構(gòu)建科學(xué)而合理的模擬平臺(tái)。設(shè)置因素EGR率變化，找出EGR率對(duì)柴油機(jī)排放性能的影響。

柴油機(jī)；EGR；排放；仿真

柴油機(jī)應(yīng)用越來越廣泛，但是車輛排放法規(guī)也越來越嚴(yán)格，尤其是NO和微粒之間的矛盾關(guān)系很難解決，所以我們必須尋求有效的排放控制措施。日本Hitoshi Yokomura等人在重型柴油機(jī)上進(jìn)行EGR瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)，建議性討論最優(yōu)EGR控制方法以降低瞬態(tài)排放，試驗(yàn)設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為額定值的60%，負(fù)荷從40%增加到80%，結(jié)果顯示，碳煙峰值的下降程度基本不受影響；國(guó)內(nèi)清華大學(xué)歐陽明高等人在一臺(tái)1.3升的高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了EGR試驗(yàn)，結(jié)果表明在EGR率達(dá)到20%時(shí)NOx顯著降低，固體顆粒物卻只有略微的上升。

為了深入研究EGR對(duì)柴油機(jī)燃燒排放的影響，利用三維仿真軟件AVL FIRE中的ESE模塊建立4100直噴式柴油機(jī)的燃燒數(shù)值模擬平臺(tái)，利用CFD模塊模擬計(jì)算缸內(nèi)燃燒過程及結(jié)果，分析EGR率對(duì)柴油機(jī)排放性能的影響。研究流程如圖1：

圖1 研究液程

1 NOx和碳煙生成機(jī)理及EGR技術(shù)

1.1 NOx的生成機(jī)理

內(nèi)燃機(jī)燃燒過程中，會(huì)產(chǎn)生“高溫富氧”，所以不可避免地會(huì)產(chǎn)生NOx，而在膨脹過程中的低溫條件下，部分NO被氧化成NOx。根據(jù)燃料及混合氣形成方式的不同，將燃燒過程的NO分為熱力NO、快速NO和燃料NO三種形態(tài)。其中，熱力NO主要是空氣中的N和O在火焰通過后的高溫下化學(xué)反應(yīng)而生成的產(chǎn)物，其生成機(jī)理可用擴(kuò)大采爾道維奇原理描述。快速NO主要是在燃燒過剩的濃混合氣燃燒過程中，由火焰帶內(nèi)超過化學(xué)平衡濃度以上的O、OH等活性為中心為主的中間產(chǎn)物、燃燒中的C和H生成的碳?xì)浠衔?，以及HCN、CN、NH等中間反應(yīng)物參與反應(yīng)而產(chǎn)生；燃料NO主要是由燃料中所含的氧化合物分解而產(chǎn)生的中間產(chǎn)物NH、N、HCN等參與反應(yīng)而生成的產(chǎn)物［1］117。

1.2 碳煙的生成機(jī)理

碳煙可分為可溶性的有機(jī)成分和不可溶成分兩種，主要由燃燒時(shí)生成的含碳粒子及其表面上吸附的多種有機(jī)物組成。在高溫環(huán)境下由于熱分解而形成的低級(jí)碳?xì)浠衔镏校瑳]有與空氣接觸的部分最終變?yōu)槲⒘?。其生成過程可分為成核過程、表面增長(zhǎng)和凝聚過程、氧化過程。成核過程由燃料的主要成分的低分子HC化合物生成微粒核的化學(xué)反應(yīng)過程構(gòu)成；表面增長(zhǎng)和凝聚過程主要表示所生成的微粒核聚合成微粒的物理生長(zhǎng)過程；而氧化過程，是指在燃燒后期生成的碳煙在膨脹過程中氧化的過程［1］269。

1.3 EGR技術(shù)

EGR是在換氣過程中，將已排出汽缸的廢氣的一部分再次引入進(jìn)氣管與新鮮充量一起進(jìn)入汽缸的過程。隨著EGR的實(shí)施，汽缸內(nèi)廢氣量增多，但這不等于殘余廢氣系數(shù)的增加。EGR是用來調(diào)節(jié)混合氣的組成成分，提高混合器的總熱容，由此控制燃燒速率，降低最高燃燒溫度，達(dá)到保持動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性基本不變的條件下降低NOx排放量的。但是過多的EGR使得汽缸內(nèi)廢氣量過多，直接阻礙燃燒過程，造成經(jīng)濟(jì)性下降、碳煙排放惡化。因此，根據(jù)不同工況需要精確控制再循環(huán)廢氣量，即混合氣質(zhì)量成分，為此定義EGR率。通常的EGR率定義式如下［2］。

式中：qVa為無EGR時(shí)進(jìn)入汽缸的空氣體積流量；qVEGR為EGR的體積流量。

qVEGR可通過測(cè)量空氣體積流量求得，即qVEGR＝qVa－qVaEGR。其中qVaEGR為與測(cè)量qVa時(shí)相同工況下實(shí)施EGR時(shí)進(jìn)入汽缸的實(shí)際空氣體積流量。

2 模擬平臺(tái)的建立

本文采用AVL FIRE v2008軟件建立針對(duì)4100柴油機(jī)的模擬平臺(tái)，對(duì)其全速（3200r／min）、50%負(fù)荷工況進(jìn)行了模擬分析，此工況下其結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

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

在ESE Diesel建立的燃燒室?guī)缀涡螤畹幕A(chǔ)之上，采用組合網(wǎng)格法，用FIRE生成計(jì)算網(wǎng)格。建立計(jì)算網(wǎng)格時(shí)，需要包括活塞頂隙的容積，本文所建立的計(jì)算網(wǎng)格模型總的網(wǎng)格數(shù)為在下止點(diǎn)為94525個(gè)，上止點(diǎn)為23075個(gè)，如圖2所示。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格示意圖（上止點(diǎn)）

圖3 模型驗(yàn)證

本研究在進(jìn)行數(shù)值模擬之前對(duì)4100柴油機(jī)3200r／min、50%負(fù)荷工況進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中使用燃燒分析儀得到各個(gè)物理量的數(shù)值。圖3是柴油機(jī)工作過程缸內(nèi)壓力試驗(yàn)值與計(jì)算得到的模擬值的對(duì)比，由圖可知，兩者吻合較好。

3 EGR柴油機(jī)排放仿真研究

所涉及的NO和soot（碳煙顆粒）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均是缸內(nèi)NO和soot的質(zhì)量與缸內(nèi)所有物質(zhì)的總質(zhì)量之比，燃空當(dāng)量比Φ：＝實(shí)際燃空比／化學(xué)計(jì)量燃空比。

模擬時(shí)選取3200r／min、50%負(fù)荷，EGR率分別為0.1、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.52、0.55和0.6的工況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并把結(jié)果與相同條件下EGR率為0的情況做比較。

3.1 不同EGR率下NO的對(duì)比

圖4為不同EGR率工況的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化歷程對(duì)比，圖5為缸內(nèi)NO生成速率比較。由圖看出，加入EGR后，NO的變化歷程和無EGR時(shí)類似，在上止點(diǎn)之后開始快速生成，740°CA之后反應(yīng)速率趨于0，同時(shí)NO生成量趨于水平線，所以NO集中在燃燒始點(diǎn)到740°之間生成。缸內(nèi)預(yù)混合燃燒階段生成的熱力NO量很少，當(dāng)量比在720°CA左右達(dá)到1，而此時(shí)的溫度較低，因此雖然此時(shí)氧氣充足，但是缺少熱力NO的必要條件——高溫，所以在預(yù)混合燃燒階段幾乎不生成NO。而在之后擴(kuò)散燃燒階段則完全具備了快速NO的生成條件，所以在火焰峰面后會(huì)產(chǎn)生大量的NO，726°CA時(shí)NO生成速率會(huì)達(dá)到峰值。隨著EGR率增大，NO生成速率減小，NO最終生成量顯著降低。

圖4 NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化歷程比較

3.2 EGR率對(duì)soot（碳煙顆粒）的影響

圖6 soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化歷程

圖6是不同EGR率下soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化歷程，圖6是循環(huán)結(jié)束時(shí)缸內(nèi)soot的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在734°CA與754°CA之間soot生成速率最快，這個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)溫度較高的階段，即接近1800K～2200K這個(gè)區(qū)間。只有EGR率0.1所對(duì)應(yīng)的曲線高于原機(jī)soot排放曲線，這是因?yàn)榇斯r缸內(nèi)溫度應(yīng)經(jīng)達(dá)到1800K，而EGR的加入使得缸內(nèi)燃空當(dāng)量比升高，混合氣變濃，所以此工況的soot排放將大于原機(jī)，圖7也說明了這一點(diǎn)；當(dāng)EGR率大于0.1時(shí)，缸內(nèi)溫度的峰值均達(dá)不到1800K，溫度過低，不能凝結(jié)以向soot轉(zhuǎn)化，所以soot生成量減小。

圖7 soot最終質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.3 用Φ－T圖綜合分析NO和soot排放

圖8表示將不同EGR率方案下，整個(gè)燃燒過程缸內(nèi)氣體狀態(tài)重疊在Φ－T圖上的結(jié)果。圖中的小圓點(diǎn)代表在一個(gè)計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)的氣體狀態(tài)，不同顏色的圓點(diǎn)代表不同時(shí)刻的氣體狀態(tài)，如右下角所示；紅線和黑線所圈區(qū)域分別代表soot和NO的生成區(qū)域，即所需的溫度和當(dāng)量比的組合。

由圖可知，NO生成較多的區(qū)域主要分布在當(dāng)量比較小和溫度高于2200K的位置。這主要是因?yàn)閆eldovich NO生成機(jī)理中反應(yīng)的活化能很高，僅在高溫和富氧條件下才會(huì)大量生成NO，所以在維持低當(dāng)量比（小于2）的同時(shí)，局部燃燒溫度要保持在2200K以下才能避免高濃度NO產(chǎn)生。

圖8 不同EGR率時(shí)的Φ－T

Soot生成區(qū)域主要分布在高當(dāng)量比和中間燃燒溫度區(qū)域（1800K～2200K）。文獻(xiàn)［3］的研究表明：在1800K～2200K區(qū)域，PAHs（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，多環(huán)芳香烴，是soot的前驅(qū)體）容易形成并向soot轉(zhuǎn)化。當(dāng)燃燒溫度較高時(shí)，PAHs會(huì)被氧化成最終燃燒產(chǎn)物，而不是轉(zhuǎn)化成soot。當(dāng)燃燒溫度較低時(shí)，PAHs的氧化變得困難，過低的溫度不能使PAHs凝結(jié)以及向soot轉(zhuǎn)化。

4 結(jié)論

EGR能顯著地降低NO。加入0.1的EGR就能使NO排放量降低56%，0.2的EGR能使NO降低87%，0.3的EGR能使NO降低90%，0.4的EGR使EGR降低98.5%；當(dāng)EGR小于0.1時(shí)，soot隨EGR率增加而增加，當(dāng)EGR大于0.1時(shí)，soot隨EGR率的增加而減少。

分析Φ－T（燃空當(dāng)量比——溫度）圖可知，當(dāng)量比小于2，局部燃燒溫度保持在2200K以下才能避免高濃度NO產(chǎn)生；soot的生成條件是高當(dāng)量比和中間燃燒溫度區(qū)域（1800K～2200K）。

（責(zé)任編輯 呂春紅）

［1］程曉章.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理［M］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

［2］劉崢，王建昕.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

［3］李鐵，鈴木勝，小川英之.壓縮比和燃料十六烷值對(duì)超高EGR低溫燃燒的影響［J］.汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2010，（1）：74.

The Simulation Analysis of Effect of EGR Rate on the Performance of Diesel Engine Emissions

WEN Yong－mei，et al

（Henan Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang 453000，China）

To build the geometry model and the calculation mesh of the 4100 direct injection diesel engines，using ESE module of the3D simulation software AVL FIRE.To construct a scientific and reasonable simulation platform，using the CFD module to set boundary conditions，initial conditions.Set the factor EGR rate changes，to find out the EGR rate on influence on the performance of the diesel engine.

diesel engine；EGR；emissions；simulation

U464

A

1008－2093（2015）01－0009－04

2014－11－25

溫永美（1986－），女，河南新鄉(xiāng)人，助教，碩士，主要從事汽車節(jié)能與排放研究。