进气成分对柴油机低温燃烧影响的试验和模拟研究

论文摘要：通过改变进气成分(向进气管喷入CO、N和EGR)对柴油机燃烧和排放影响的对比，从试验和模拟两方面研究了进气成分对柴油机低温燃烧性能和排放特性的影响。结果表明，进气中CO比例较大时，碳烟大幅降低的主要原因是CO的热效应和化学效应；而CO和N的稀释效应对降低NOx排放的效果相当，即氧浓度降低是NO排放降低的主要原因。数值模拟结果表明，进气中加入N时，氧浓度在13%时缸内Φ-T分布仍不能完全避开碳烟或NO生成区；而进气中加入CO，氧浓度降至15%时就同时避开了NO和碳烟生成区域。且CO比例较大时，滞燃期延长使缸内温度分布更加均匀。同时，进气成分对燃烧路径有较大的影响。论文关键词：进气成分,惰性气体,模拟,低温燃烧,废气再循环引言柴油机低温燃烧是一种新型的燃烧方式，通过降低燃烧温度，可以同时实现极低的NO和碳烟排放。随着人们对柴油机燃烧基础理论研究的深入，近年来，人们对柴油机低温燃烧特性有了较清楚的认识，其特征可以概括为：EGR与喷油策略控制的大比例预混合的低温燃烧过程。但是，人们对低温燃烧的机理的认识仍有待于进一步的深入。传统柴油机进气是新鲜空气，即主要由N和O组成。在柴油机低温燃烧中，废气再循环(EGR)是重要的控制手段，通过EGR提高进气的热容比从而延长滞燃期，使燃油与空气混合更加充分。另一方面，EGR降低氧浓度，降低燃烧温度，从而降低有害排放。EGR的废气中主要包括剩余的空气（主要是N和O）、完全燃烧产物（CO和HO）以及少量的其它中间产物，其中主要是完全燃烧产物，EGR率的改变实际上是改变了N、O和CO的比例。CO的加入会造成以下三种效应：进气氧浓度降低（稀释效应）、进气比热容改变（热效应）和CO参与燃烧（化学效应），N比较稳定，比热容接近新鲜空气，主要产生稀释效应。本文通过试验和模拟计算，研究了进气成分N和CO对柴油机燃烧和排放性能的影响，从而揭示EGR对柴油机低温燃烧影响的机理。1试验装置及研究方法本研究在一台六缸增压、水冷柴油机上进行。对对第六缸进行了改造，独立出其进、排气系统和喷油油系统，其余五缸保持不变。发动机参数如表1。表1发动机参数Table1Theparameteroftheengine缸径105mm冲程125mm连杆长度210mm压缩比17.5:1排量1081.8cm进气门关闭时刻-137degATDC喷孔数7喷孔直径0.17mm喷束夹角155deg喷射系统CommonRail轨压1600bar图1是试验装置示意图，在进气管中安装了氧浓度传感器，向进气管中喷入CO或N时，通过改变惰性气体罐的阀门开度，可以改变CO或N的流量，而在EGR中，通过调节背压阀开度，实现循环废气量的改变，从而达到需求的氧浓度。喷油由一套电控系统控制，可灵活调节喷油量、喷油时刻、轨压等参数。缸内压力采集采用了自行开发的缸压采集及放热率实时处理系统完成，气体测量采用了HoribaMEXA-7100DEGR排气分析仪，烟度测量采用了AVL415烟度计。1-压气机；2-三通阀；3-流量计；4-稳压罐；5-废气中冷器；6-烟度计；7-排气分析仪；8-压力传感器；9-喷油器；10-测功机；11-光电编码器；12-电荷放大器；13-背压阀；14-惰性气体罐；15-调压阀；16-氧传感器图1试验装置示意图Fig.1Experimentalsystem本试验发动机转速固定在1400r/min，循环喷油量为25mg和50mg，进气压力恒定0.1MPa。主要选取了七个氧浓度，即21%、19%、17%、15%、14%和13%。图2(a)和(b)分别是向进气管喷入CO和N时，在不同氧浓度下比热容随温度的变化关系。图2(a)表明，进气中CO比例增加时，进气比热容相对空气大幅升高；而图2(b)a)喷入CO时进气比热容b)喷入N时进气比热容图2进气成分对比热容的影响对比Fig.2Thespecificheatcapacityoftheintake表明，进气中N比例增加时，进气比热容相对空气却略有降低。为了进一步揭示进气成分对柴油机低温燃烧和排放影响的作用机理，本文采用修改的KIVA-3V程序进行了模拟研究。计算模型主要采用KH-RT喷雾模型、shell点火模型、Zeldovich的NO生成模型，soot的计算为Hiroyasu生成模型加NSC氧化模型。考虑到发动机采用的是8孔喷油器，为了节省计算时间，计算域仅选燃烧室和气缸组成的1/8圆周。与实验研究中一致，研究工况的喷油压力和进气压力同样分别为160MPa和0.1MPa，喷油时刻为-16ATDC，循环喷油量为50mg。3燃烧特性分析图3(a)、(b)、(c)分别是循环喷油量为25mg和50mg、氧浓度为16%时，不同进气成分对缸内压力、缸内平均温度和瞬时放热率的影响。图中表明，在相同氧浓度条件下，惰性气体为CO时滞燃期最长，缸内最大爆发压力和平均温度最低，EGR则介于N和CO之间。在实际EGR废气成分中，CO比例相对较小，绝大部分是N，因此EGR和进气管内喷入N的特性比较接近。从放热率上可看出，两者放热率非常接近，只是喷入N的放热率峰值稍微高些，这主要是N比热容较小，缸内峰值压力较高的原因。喷入CO的放热率和前两者差别较大，在25mg/cyc时，放热峰值较低，燃烧持续期较长；而在50mg/cyc时，放热峰值则较高。这是因为在较小负荷时，喷入CO后滞燃期较长，但主燃烧发生在膨胀冲程，燃烧速率较慢；而在较大负荷时，滞燃期仍较长，但燃烧发生在上止点附近，燃油和进气混合较充分，因而燃烧速率较快。图4(a)-(c)分别是循环喷油量50mg、喷油时刻分别为上止点前16度、6度和1度时，N、CO和EGR在不同氧浓度下的滞燃期对比。版权所有禁止转载谢谢！论文查重