不同進氣壓力對高密度-低溫柴油機燃燒的數值模擬

劉建勛，萬普鵬，趙二麗，張 玉

(1.重慶交通大學交通運輸學院，重慶400074;2.重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶400074)

柴油機在HC和CO排放上具有汽油機無法比擬的優勢。然而，由于柴油機NOx和碳煙排放存在“此消彼長”關系的緣故［1］，同時降低這2種排放物非常困難。盡管柴油機后處理技術取得一些進展［2］，但這種技術距實用化尚待時日。柴油機越來越向高強化、高功率密度方向發展。為了滿足日益嚴格的排放法規和節能要求，柴油機需要一種有效的技術途徑同時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，在降低充量初始溫度的條件下，可以通過提高進氣壓力，提高充量密度和控制EGR的方法來實現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一步深入研究。針對這種情況，筆者應用fire軟件對不同進氣壓力對高密度－低溫柴油機燃燒和排放以及對動力性、經濟性的影響進行了研究。

1 計算模型

1.1 建立模型

使用4100柴油發動機，基本參數及邊界條件見表1。初始條件中進氣溫度為293.3 K，進氣壓力分別設置為 0.2，0.25，0.3，0.35，0.4 MPa。缸內的氣體流動模擬是根據基本的守恒定律，即質量守恒、動量守恒和能量守恒來求解平均運輸方程，為使方程組封閉，必須建立模型。采用了標準方程。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，蒸發模型采用Dukowicz，破碎模型選用Wave模型。

表1 發動機基本參數Tab.1 Basic parameters of the engine

1.2 模型驗證

為驗證所選用的模型參數設置的正確性，通過臺架實驗得出該發動機的示功圖，再將計算所得示功圖與實測示功圖進行對比，如圖1。

圖1 模型驗證Fig.1 Model verification

2 計算結果及分析

圖2是缸內Φ－T圖。從圖中可看出，在進氣壓力為0.2 MPa時，最靠近污染物主要生成區域的時刻是730 deg，在0.25 MPa 時為735 deg，在0.3 ～0.4 MPa時都為725 deg。從這也可看出當進氣壓力大于0.3 MPa后，靠近污染物主要生成區域的時刻提前，并靠近壓縮上止點。總體上看，在不同的進氣壓力下，燃燒路徑大都避開了NOx、Soot的主要生成區域。這是由于高密度－低溫燃燒主要是通過提高進氣壓力，降低進氣充量的初始溫度，引入EGR等因素來控制燃燒路徑［4］。一方面，EGR的作用及較低的進氣溫度使燃燒溫度降低，從而減少NOx的生成;另一方面，高進氣壓力和渦流比的作用促使均質混合氣的形成，減少了局部過濃的區域，從而減少了碳煙的生成，同時稀薄的混合氣也有利于抑制碳煙的生成［4］。在進氣壓力為 0.2 MPa時，溫度為2 000 K左右，燃燒路徑有少部分進入碳煙的主要生成區域。這是由于該進氣條件下的當量比相對其它進氣條件下的當量比大，局部過濃區相對嚴重。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是發動機各種參數對比曲線圖。從圖3(a)可看出隨著進氣壓力的提高，著火時刻提前，滯燃期和燃燒持續期縮短。這是由于進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，縮短了分子運動的平均自由程，加快了燃燒反應速度，使著火時刻提前［5］。滯燃期和燃燒持續期隨進氣壓力的增加而縮短，這是因為在循環噴油量一定的情況下，進氣壓力越大，空氣量越多，則混合氣的空燃比越大，混合氣形成較為完善，焰前反應充分，使滯燃期和燃燒持續期縮短［6］。圖3(b)可看出隨著進氣壓力的提高，累計放熱量也相應加快。這是由于在循環噴油量一定的情況下，進氣壓力越大，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，累計放熱量加快。從圖3(c)可看出隨著進氣壓力增加，缸內平均溫度在降低。這是由于進氣壓力增加使進入氣缸的空氣量增加，缸內最高平均溫度降低［5］。從圖3(d)中得出缸內平均壓力隨著進氣壓力的增加而增加。進氣壓力對缸內壓力的影響最大，隨著進氣壓力的增加，缸內的壓力的峰值顯著的增加［6］。這是由于進氣壓力提高，燃燒著火時刻提前，缸內最大爆發壓力增大［7］。圖3(e)中可看出碳煙的質量分數隨著進氣壓力的增加呈下降態勢。因進氣壓力的提高有助于過量空氣系數的提高，而碳煙生成的根本條件是缺氧和高溫，提高燃燒時的過量空氣系數，則基本上消除了缺氧這一根本條件;同時，過量空氣系數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質量分數是隨進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間［7］。在 0.2 MPa時NOx質量分數最低，這是因為氧濃度相對較低的緣故。而在0.25 MPa時NOx質量分數最高，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時間較長(圖3(c)、圖3(a))。從進氣壓力0.25 MPa到0.4 MPa，NOx的質量分數呈下降態勢，這是溫度進一步降低和燃燒反應時間縮短的緣故(圖3(c)、圖3(a))。綜上所述，進氣壓力對排放的影響明顯，進一步增大進氣壓力能有效降低碳煙和NOx排放。

圖3(f)、圖3(g)是發動機動力性、經濟性曲線圖。圖3(f)表明，動力性指標隨進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。機械效率的增加是在發動機轉速不變時，由于增壓后機械損失功率與非增壓時大致相當，加之進氣壓力提高，使指示功提高，因此增壓使機械效率提高［8］，如圖3(g)。通過圖3(g)還可看出，進氣壓力提高，油耗降低。這是因為在轉速以及循環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 結論

在一定的進氣溫度和EGR率的條件下研究了不同進氣壓力對高密度－低溫柴油機燃燒的影響，得出高密度－低溫柴油機燃燒模式在實現低排放和高熱效率具有較大潛力。主要表現在:

1)在一定的進氣溫度和EGR率情況下，提高發動機進氣壓力可使燃燒路徑避開NOx和Soot的主要生成區域。

2)當進氣壓力大于0.25 MPa后，發動機碳煙和NOx的排放會同時降低。

3)進氣壓力增加會明顯改善發動機動力性和經濟性。

［1］Bunker B.Control of emissions from nonroad diesel engines［C］//International Symposium of the Vehicle Emission Regulations.Tokyo:National Traffic Safety and Environment Laboratory，2004:567－576.

［2］Timothy V，Johnson.Diesel emission control in review［C］//2006SAE World Congress＆ Exhibition.Michigan:SAE International，2006:01 －30.

［3］蘇萬華.高密度－低溫柴油機燃燒理論與技術的研究進展［J］.內燃機學報，2008，26(S1):1 －8.

［4］韓東.柴油機低溫燃燒的研究進展［J］.車用發動機，2008(2):5－9.

［5］周龍保 .內燃機學［M］.北京:機械工業出版社，2006:235－237.

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［7］何學良.內燃機燃燒學［M］.北京:機械工業出版社，1990:441－442.

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