EGR對高壓共軌柴油機晚噴燃燒特性的影響

付哲，崔向佩

（中原工學院 工業訓練中心，河南 鄭州 451191）

引言

柴油機以其動力性、經濟性和可靠性等優點被廣泛應用于商用車和乘用車中。然而，傳統柴油機的擴散燃燒方式決定了NOx與煙塵排放之間的權衡關系，同時降低這兩種排放存在困難。為滿足日益嚴格的排放法規要求，近年來國內外廣泛開展新型燃燒方式的研究[1-5]，如均質充量壓縮點火燃燒（HCCI)、預混合燃燒（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溫度，使NOx排放大量降低。在柴油機晚噴燃燒方式中，EGR是關鍵技術之一。為了更好的理解柴油的晚噴燃燒特性，本文將KIVA-3V三維仿真平臺應用于某6缸高壓共軌柴油機，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缸高壓共軌柴油機發動機為研究對象，其基本參數如表1所示，研究工況的噴油始點為2oCA，屬于晚噴燃燒范疇。該發動機有對稱結構的燃燒室，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]。網格采用 KIVA-3V的網格生成工具K3PREP生成。下止點時刻和上止點時刻的網格單元數分別為27020和5900。模擬計算時，僅改變EGR率，保證其他參數不變，EGR為0%～60%。

表1 某型柴油機發動機基本參數

本文對柴油機進行缸內數值模擬采用KIVA-3V程序[4]，利用RNG κ-ε模型對中湍流模型進行求解，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的溫度壁面函數計算傳熱模型，分別采用擴展的 Zeldovich機理和 Hiroyasu&Nagle模型[5]對 NOx和碳煙進行預測。以進氣門關閉時刻（-143°CA ATDC）為計算始點，計算初始缸內壓力和溫度在試驗數據的基礎上計算得到[6]，分別為0.1284MPa和349K。

圖1 EGR=0%時的缸內壓力和放熱率對比

圖2 EGR=20%時的缸內壓力和放熱率對比

圖1和圖2分別為不同EGR率工況缸內平均壓力和放熱率計算值與試驗值的對比?？梢钥闯?，缸內平均壓力和放熱率的計算值都與試驗值吻合良好。缸內平均壓力、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對缸內混合氣分布的影響

EGR技術致使發動機缸新鮮內的O2濃度降低，延長了缸內混合氣達到點火條件所需的時間；因為EGR中含有大量的CO2和H2O，會引起缸內工質的比熱容增加，燃油噴射時期的缸內溫度顯著降低。

圖3 CA50時刻EGR對缸內當量比分布的影響

發動機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%）對缸內當量比分布的影響，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技術會使缸內混合氣體中的O2濃度降低。兩項技術相互作用后，呈現燃油分布更加均勻，點火時缸內當量比隨隨著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在兩個方面：（1）引用EGR技術后，出現工質的比熱容升高而缸內平均溫度降低的現象，由理想氣體狀態方程可知，溫度越低，壓力越低。（2）晚噴使得燃燒過程通常發生在上止點之后，加入EGR后，滯燃期增加，點火時刻推遲，使得燃燒過程更加遠離上止點，從而導致缸內壓力降低。圖4為EGR率對缸內平均壓力的影響，隨著EGR率的增加缸內平均壓力逐漸降低，發動機動力性能顯著降低。

圖4 EGR對缸內平均壓力的影響

圖5 EGR對缸內平均溫度的影響

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

圖6 CA50時刻EGR對缸內溫度分布的影響

4 EGR對NOx排放特性的影響

研究結果顯示，熱NO在柴油機的燃燒中占主導地位，它是在高溫富氧條件下產生的，為減少有效NOx排放可以從降低缸內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排放質量分數分布的影響

圖8 為CA50時刻EGR對NOx排放質量分數分布的影響。與CA50時刻的缸內溫度分布圖對比（圖6）可知，NOx排放主要分布在缸內的高溫區域，缸內局部溫度越高則NOx排放越高。據研究發現，當缸內局部溫度大于1900K時就會生成NOx排放，而低于1900K的區域則幾乎沒有NOx排放的生成[8]。從圖中可以看出，隨著EGR率的增加，缸內高溫區域和最高溫度都逐漸降低，從而導致NOx排放逐漸降低。當EGR率等于0時，缸內最高溫度高達2600K左右，并且該高溫區域所占面積比較大，從而導致 NOx排放的大量生成。當 EGR率為 60%時，缸內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，點火燃燒時的缸內當量比降低，并且燃油分布更加均勻。缸內平均當量比逐漸增加，燃燒過程逐漸惡化，缸內平均壓力、缸內平均溫度和發動機動力性能降低。另外，缸內油氣混合狀況的改善使缸內高溫區域和缸內溫度分布差異明顯減小。隨著 EGR率的增加，NOx排放顯著降低。