EGR對高壓共軌柴油機(jī)晚噴燃燒特性的影響

付哲，崔向佩

（中原工學(xué)院 工業(yè)訓(xùn)練中心，河南 鄭州 451191）

引言

柴油機(jī)以其動力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于商用車和乘用車中。然而，傳統(tǒng)柴油機(jī)的擴(kuò)散燃燒方式?jīng)Q定了NOx與煙塵排放之間的權(quán)衡關(guān)系，同時降低這兩種排放存在困難。為滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，近年來國內(nèi)外廣泛開展新型燃燒方式的研究[1-5]，如均質(zhì)充量壓縮點火燃燒（HCCI)、預(yù)混合燃燒（PCCI）、MK燃燒和低溫燃燒（LTC）等。其中MK燃燒是一種比較典型的晚噴燃燒方式[1-2]，其噴油始點在-7oATDC～3oATDC之間變化。與其他燃燒方式相比，MK燃燒的燃燒相位控制相對容易，這是因為推遲噴油可以使燃燒與噴油不完全分開，從而實現(xiàn)燃燒相位的有效控制。與其他新型燃燒方式一樣，MK燃燒采用了大量的EGR。EGR降低了氧濃度和缸內(nèi)溫度，使NOx排放大量降低。在柴油機(jī)晚噴燃燒方式中，EGR是關(guān)鍵技術(shù)之一。為了更好的理解柴油的晚噴燃燒特性，本文將KIVA-3V三維仿真平臺應(yīng)用于某6缸高壓共軌柴油機(jī)，研究了EGR對其燃燒和排放特性的影響。

1 計算模型及模型驗證

本文以一臺某型 6缸高壓共軌柴油機(jī)發(fā)動機(jī)為研究對象，其基本參數(shù)如表1所示，研究工況的噴油始點為2oCA，屬于晚噴燃燒范疇。該發(fā)動機(jī)有對稱結(jié)構(gòu)的燃燒室，采用中間對稱布置的8孔噴油器，工程中的計算域通常取1/8氣缸作，計算網(wǎng)格中方法采用的采用狹隙填充容積法，充分與實際壓縮比一致性[3]。網(wǎng)格采用 KIVA-3V的網(wǎng)格生成工具K3PREP生成。下止點時刻和上止點時刻的網(wǎng)格單元數(shù)分別為27020和5900。模擬計算時，僅改變EGR率，保證其他參數(shù)不變，EGR為0%～60%。

表1 某型柴油機(jī)發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

本文對柴油機(jī)進(jìn)行缸內(nèi)數(shù)值模擬采用KIVA-3V程序[4]，利用RNG κ-ε模型對中湍流模型進(jìn)行求解，采用KH-RT模型仿真霧化模型，采用shell模型建立點火模型，采用特征時間燃燒模型（CTC）求解湍流燃燒模型，采用 Han和 Reitz的溫度壁面函數(shù)計算傳熱模型，分別采用擴(kuò)展的 Zeldovich機(jī)理和 Hiroyasu&Nagle模型[5]對 NOx和碳煙進(jìn)行預(yù)測。以進(jìn)氣門關(guān)閉時刻（-143°CA ATDC）為計算始點，計算初始缸內(nèi)壓力和溫度在試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計算得到[6]，分別為0.1284MPa和349K。

圖1 EGR=0%時的缸內(nèi)壓力和放熱率對比

圖2 EGR=20%時的缸內(nèi)壓力和放熱率對比

圖1和圖2分別為不同EGR率工況缸內(nèi)平均壓力和放熱率計算值與試驗值的對比?？梢钥闯?，缸內(nèi)平均壓力和放熱率的計算值都與試驗值吻合良好。缸內(nèi)平均壓力、放熱率與試驗值值吻合較好，表明計算模型是合理的，可用于后期三維仿真研究。

2 EGR對缸內(nèi)混合氣分布的影響

EGR技術(shù)致使發(fā)動機(jī)缸新鮮內(nèi)的O2濃度降低，延長了缸內(nèi)混合氣達(dá)到點火條件所需的時間；因為EGR中含有大量的CO2和H2O，會引起缸內(nèi)工質(zhì)的比熱容增加，燃油噴射時期的缸內(nèi)溫度顯著降低。

圖3 CA50時刻EGR對缸內(nèi)當(dāng)量比分布的影響

發(fā)動機(jī)點火延遲的增加使得油氣混合時間增加，會改善點火過程中缸內(nèi)油氣混合的狀況。圖3分別為CA50時刻EGR（分別為0%、30%、50%和60%）對缸內(nèi)當(dāng)量比分布的影響，從圖可以看出，ERG的引入會使點火中滯燃期增加，使空氣與燃油的混合時間延長，但如前文所述，EGR技術(shù)會使缸內(nèi)混合氣體中的O2濃度降低。兩項技術(shù)相互作用后，呈現(xiàn)燃油分布更加均勻，點火時缸內(nèi)當(dāng)量比隨隨著EGR率的增加而降低。

3 EGR對燃燒特性的影響

在晚噴條件下，EGR對燃燒過程的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：（1）引用EGR技術(shù)后，出現(xiàn)工質(zhì)的比熱容升高而缸內(nèi)平均溫度降低的現(xiàn)象，由理想氣體狀態(tài)方程可知，溫度越低，壓力越低。（2）晚噴使得燃燒過程通常發(fā)生在上止點之后，加入EGR后，滯燃期增加，點火時刻推遲，使得燃燒過程更加遠(yuǎn)離上止點，從而導(dǎo)致缸內(nèi)壓力降低。圖4為EGR率對缸內(nèi)平均壓力的影響，隨著EGR率的增加缸內(nèi)平均壓力逐漸降低，發(fā)動機(jī)動力性能顯著降低。

圖4 EGR對缸內(nèi)平均壓力的影響

圖5 EGR對缸內(nèi)平均溫度的影響

引入EGR后，缸內(nèi)工質(zhì)比熱容的增大和燃燒過程的惡化還會導(dǎo)致缸內(nèi)溫度的降低。圖5為EGR對缸內(nèi)平均溫度的影響，可以看出，隨著EGR率的增加，燃燒過程的缸內(nèi)平均溫度顯著降低。圖6為CA50時刻EGR率對缸內(nèi)溫度分布的影響?？梢钥闯觯S著EGR率的增加，缸內(nèi)高溫區(qū)域明顯減少，并且缸內(nèi)溫度分布的差異由于缸內(nèi)燃油分布狀況的改善而明顯減小。當(dāng) EGR為 60%時，缸內(nèi)燃燒區(qū)域的溫度基本都在1900K以下。

圖6 CA50時刻EGR對缸內(nèi)溫度分布的影響

4 EGR對NOx排放特性的影響

研究結(jié)果顯示，熱NO在柴油機(jī)的燃燒中占主導(dǎo)地位，它是在高溫富氧條件下產(chǎn)生的，為減少有效NOx排放可以從降低缸內(nèi)溫度和新鮮充量的氧濃度兩方面入手[7]。圖7為對NOx排放與EGR率的影響，從下圖中可知，隨著EGR率的增加NOx排放急劇降低。隨著EGR率從0%逐漸增加到40%時，NOx排放從1440×10-6降低到27×10-6，降低了98%，并且進(jìn)一步增加EGR率對降低NOx排放的效果不明顯。

圖7 EGR對NOx排放的影響

圖8 CA50時刻EGR對NOx排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的影響

圖8 為CA50時刻EGR對NOx排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的影響。與CA50時刻的缸內(nèi)溫度分布圖對比（圖6）可知，NOx排放主要分布在缸內(nèi)的高溫區(qū)域，缸內(nèi)局部溫度越高則NOx排放越高。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)缸內(nèi)局部溫度大于1900K時就會生成NOx排放，而低于1900K的區(qū)域則幾乎沒有NOx排放的生成[8]。從圖中可以看出，隨著EGR率的增加，缸內(nèi)高溫區(qū)域和最高溫度都逐漸降低，從而導(dǎo)致NOx排放逐漸降低。當(dāng)EGR率等于0時，缸內(nèi)最高溫度高達(dá)2600K左右，并且該高溫區(qū)域所占面積比較大，從而導(dǎo)致 NOx排放的大量生成。當(dāng) EGR率為 60%時，缸內(nèi)溫度分布均勻且基本都低于1900K，因此，其NOx排放的生成量非常低。

5 結(jié)論

利用KIVA-3V三維仿真平臺，研究了晚噴下EGR對高壓共軌柴油機(jī)油氣混合過程、燃燒特性和排放特性的影響。隨著EGR率的增加，滯燃期增大，點火燃燒時的缸內(nèi)當(dāng)量比降低，并且燃油分布更加均勻。缸內(nèi)平均當(dāng)量比逐漸增加，燃燒過程逐漸惡化，缸內(nèi)平均壓力、缸內(nèi)平均溫度和發(fā)動機(jī)動力性能降低。另外，缸內(nèi)油氣混合狀況的改善使缸內(nèi)高溫區(qū)域和缸內(nèi)溫度分布差異明顯減小。隨著 EGR率的增加，NOx排放顯著降低。