环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (12): 1954-1960  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.03.44

引用本文  

许广举, 赵洋, 李铭迪, 等. 废气再循环系统参数对柴油机燃烧特征的影响[J]. 环境科学研究, 2017, 30(12): 1954-1960.
XU Guangju, ZHAO Yang, LI Mingdi, et al. Effects of Exhaust Gas Recirculation System Parameters on Combustion Characteristics of Diesel Engines[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(12): 1954-1960.

基金项目

江苏省自然科学青年基金项目(BK20160406);江苏省高校自然科学研究面上项目(15KJB470001);苏州市应用基础研究项目(SYG201515)

责任作者

赵洋(1987-),男,江苏连云港人,讲师,博士,主要从事汽车排放控制研究,171553404@qq.com

作者简介

许广举(1984-),男,山东烟台人,副教授,博士,主要从事汽车代用燃料与排放控制研究,xuguangju@cslg.edu.cn.

文章历史

收稿日期:2016-11-09
修订日期:2017-09-19
废气再循环系统参数对柴油机燃烧特征的影响
许广举 , 赵洋 , 李铭迪 , 陈庆樟 , 李广华     
常熟理工学院汽车工程学院, 江苏 常熟 215500
摘要:为进一步优化柴油机燃烧过程,减少燃烧污染物排放.围绕EGR(exhaust gas recirculation,废气再循环技术)废气组分和废气温度等系统参数对柴油机燃烧特征的影响机制,采用试验与模拟相结合方法,分别研究了通入废气、N2、CO2时以及不同EGR废气温度时对柴油机燃烧过程的影响,阐明了燃烧关键中间产物的生成规律.结果表明,①通入CO2时,柴油机的缸内最大爆发压力和放热率峰值最低,滞燃期最长,燃烧持续期最短,·OH、H2O2、CH2O·和CO等关键中间组分的生成规律与通入N2时相反.②通入N2时,柴油机的缸内最大爆发压力和放热率峰值最高,滞燃期最短,燃烧持续期最长并;并且通入N2时,·OH的峰值最高,形成时刻最早,H2O2、CH2O·以及CO的峰值均有所降低且形成时刻提前.③随着废气温度增加,缸内最大爆发压力降低,放热率曲线由单峰向双峰分布发展,放热率峰值有较大幅度的降低,滞燃期缩短,燃烧持续延长,缸内·OH、H2O2、CH2O·以及CO的峰值均有所降低,并且生成的区域范围变窄.④废气成分中,CO2对燃烧过程和关键中间产物的影响最大,是阻滞燃烧反应的主要气体成分,通过控制EGR废气成分和温度可以有效改善柴油机燃烧过程,拓宽EGR技术的工况使用范围.研究显示,EGR废气成分对燃烧中间产物的自由基衍化历程影响较大,有必要进一步开展EGR废气成分预处理研究,精确控制EGR废气温度,有助于改善燃烧过程,控制排放污染物中间产物的生成历程和排放量.
关键词废气再循环    柴油机    燃烧    温度    气体成分    
Effects of Exhaust Gas Recirculation System Parameters on Combustion Characteristics of Diesel Engines
XU Guangju , ZHAO Yang , LI Mingdi , CHEN Qingzhang , LI Guanghua     
Department of Automobile Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China
Abstract: In order to optimize the combustion process of diesel engines and to reduce the emissions of pollutants,the effects of exhaust gas composition and temperature during exhaust gas recirculation (EGR) on combustion characteristic of diesel engines were systematically studied by combing experiments and simulations. In particular,we examined the influence of N2,CO2 and different EGR exhaust gas temperature on the combustion process of diesel engines. The results showed that,compared with exhaust gas and N2,the engine obtained maximum cylinder explosion pressure,lowest heat release rate peak,longest combustion delay period and shortest combustion duration by adding CO2. The engine obtained maximum cylinder explosion pressure,maximum heat release rate,minimum combustion delay period and longest combustion duration by adding N2. Compared with EGR,the·OH free radical,which is formed first,reached the highest peak with the single inlet of N2,whereas the peaks of H2O2,CH2O·and CO free radicals were reduced slightly and formations were moved forward. When CO2 was introduced into the engine,the formation of key intermediate components such as·OH,H2O2,CH2O·and CO was contrary to the N2. When exhaust gas was introduced into the engine,the combustion characteristic parameters,the critical intermediate component generation and generation time of the diesel engine were between N2 and CO2. With the increase of EGR exhaust temperature,the maximum cylinder explosion pressure decreased,the heat release rate curve developed from a single peak to double peak,the peak value of heat release rate decreased greatly,the ignition delay period was shortened,the combustion duration was prolonged,the peak values of·OH,H2O2,CH2O·,free radical and CO were decreased and the range of the generated region was shortened. The influence of CO2 on the combustion process and the key intermediate products was greater than N2. Because CO2 is the main component of the gas combustion reaction,the combustion process of diesel engines can be improved effectively and the working range of EGR can be widened by controlling the composition and temperature of EGR exhaust gas.
Keywords: exhaust gas recirculation    diesel engine    combustion    temperature    gas compositio    

废气再循环技术(exhaust gas recirculation,EGR)是柴油机空气预处理的重要手段,也是满足未来柴油机排放法规要求的关键技术. EGR具有稀释可燃混合气,降低燃烧温度的作用,无论是传统燃烧模式,还是新型高效清洁燃烧模式下,EGR技术都是改善柴油机性能,降低NOx排放的关键技术[1-2]. 采用EGR技术后,将燃烧废气引入气缸,改变了进气成分,稀释了缸内混合气的氧气浓度,提高了进气温度,达到了改善燃烧过程的作用.

国内外学者针对EGR技术在柴油机上的应用,开展了大量理论和试验研究,主要集中在EGR与缸内压力、放热率等燃烧特性参数[3-4],以及EGR与NOx、PM等排放污染物的影响机制[5-6]. Jain等[7]研究表明进气中氧气的稀释对发动机功率和热效率影响较小,但对缸内温度峰值、压力和放热率的影响较大. Ladommatos等[8]研究了EGR废气中CO2和水蒸气的稀释、化学和热效应,认为稀释效应是EGR影响燃烧过程的主要原因. Hountalasa等[9]研究结果表明,降低EGR温度能够提高柴油机燃油经济性,减少碳烟和NOx排放,低EGR温度对改善柴油机性能和排放指标具有明显效果. Maiboom等[10]研究了由于应用EGR技术引起的进气温度升高、燃烧放热率(ROHR)延迟和燃空当量比(AFR)降低等现象对柴油机燃烧和排放的影响,发现在较低平均指示压力条件下,定压增压系统中使用高的EGR率可以大幅度的降低NOx和PM排放量.

为进一步优化柴油机燃烧过程,减少燃烧污染物排放. 该文研究了EGR废气组分和废气温度等系统参数对柴油机燃烧特征的影响,采用试验与模拟相结合方法,分别研究了废气成分和废气温度对柴油机燃烧过程的影响,分析了缸内压力、放热率、滞燃期等燃烧特征参数的变化规律,探讨了·OH、H2O2、CH2O·等燃烧关键中间产物的生成规律. 以期为揭示EGR对柴油机燃烧过程的影响机理,拓宽EGR工况使用范围提供相关基础数据和理论依据.

1 试验设备与方案

由于原机没有采用EGR技术,试验采用外部EGR方法对原机进行改装. 外部EGR系统主要包括单向阀、冷却器、EGR阀等. 再循环废气通过EGR阀进入EGR冷却器,之后通过单向阀进入进气管并和新鲜空气一起进入气缸,试验系统如图 1所示.

图 1 试验装置 Fig.1 Schematic diagram of test apparatus

试验中采用的EGR阀为耐高温球阀,通过调节EGR阀开度,采用气体分析仪分别测量进气和排气中的CO2浓度,以计算EGR率. 采用管壳式EGR冷却器对EGR废气温度进行控制. EGR废气中主要包含N2、CO2和少量水蒸气以及不完全燃烧产物等,该文重点研究EGR废气中N2和CO2两种气体的比例对燃烧过程的影响,试验过程中,通过调节惰性气罐阀门开度,控制进入气缸中N2和CO2的流量,利用稳压箱减缓惰性气罐中的高速、高压气体对进气管路内压力的影响. 试验工况为柴油机最大扭矩工况点,即转速2 000 r/min,平均指示压力0.73 MPa,EGR率为30%,分别考察了EGR废气成分和EGR废气温度对缸内压力、放热率等燃烧特征参数的影响.

2 计算模型与验证 2.1 模型建立与边界条件

根据燃烧室的几何形状以及相应的几何位置等特征,建立柴油机燃烧室的三维几何模型,采用Hypermesh软件进行燃烧室三维网格划分,使用AVL FIRE软件的动网格生成工具,建立燃烧室和气缸工作容积的总体动网格,如图 2所示. 为了减少计算量,计算网格采用了整个燃烧室的1/4,网格单元22 225个,网格节点25 012个. 气体湍流模型选用了标准k-ε气体湍流模型及Enable湍流扩散模型;燃油喷雾模型中选用了Schmidt-O′Rouke粒子相互作用模型、Walljet1液滴碰壁模型、KH-RT液滴破碎模型及Multi-Component液滴蒸发模型;湍流燃烧模型选用ECFM-3Z燃烧模型[11-13],该模型自带点火模块,选用Table着火模型;采用Simple/Piso算法进行计算. 进气门关闭时刻的计算初始条件参照实际柴油机台架试验数据.

图 2 燃烧室计算网格 Fig.2 Combustion chamber calculation grid

计算始点为进气门关闭时刻,即136℃A BTDC,终点为排气门开启时刻,即126℃A ATDC,计算步长为0.5℃A/步,通过设定气缸盖、气缸壁和燃烧室顶面平均温度作为温度边界条件,气缸盖、气缸壁和燃烧室顶面平均温度分别设定为543、453、563 K. 初始涡流比为1.8,喷射正时为10℃A,喷油压力为80 MPa,喷雾锥角为148℃A,喷孔数和喷孔孔径为4×0.22 mm.

2.2 模型验证

通过比较示功图仿真结果与实际测量结果的压力数据,验证计算模型的准确性,参照现有台架试验结果,采用建立的1/4燃烧室模型,计算了柴油机转速2 000 r/min,EGR率为30%,平均指示压力0.73 MPa时的缸内压力变化情况,并与台架试验的实际测量结果进行比较,如图 3所示. 由图 3可以看出,在其他工况参数相同的条件下,计算得到的柴油机缸内压力数据均略低于台架试验数据,但压力变化趋势与台架试验数值吻合度良好,说明所建立的计算模型能够较为准确的反映柴油机燃烧情况.

图 3 缸内压力计算值与试验值对比 Fig.3 Comparison of calculated and experimental values of cylinder pressure
3 结果与讨论 3.1 气体成分对压力和放热率的影响

柴油机EGR率为30%,平均指示压力0.73 MPa时,分别通入废气、N2和CO2 3种气体,测量了柴油机缸内压力和放热率的变化情况,图 4(a)为分别通入3种气体时柴油机的缸内压力变化情况. 可以看出,通入N2气体时,柴油机的最高爆发压力最高,可达12.3 MPa. 通入CO2气体时,柴油机的最高爆发压力最低,仅为11.4 MPa. 通入废气时的缸内压力介于N2和CO2之间. 这是由于,CO2的比热容值较高,能够较多的吸收缸内热量,降低缸内燃烧温度,其缸内最大爆发压力最低,在实际废气中,绝大部分气体成分是N2,因此通入废气和N2时柴油机的最高燃烧压力较为接近. 图 4(b)为分别通入3种气体时柴油机的放热率变化情况,可以看出,通入N2时柴油机的放热率峰值最高,约为95.8 J/deg,通入CO2时柴油机的放热率峰值最低,仅为84.4 J/deg. 原因在于,由于CO2的比热容值较高,导致喷油时刻缸内混合气温度较低,在进气压力不变条件下,CO2对进气氧浓度起到一定的稀释作用,在高热容、低氧浓度的缸内氛围条件下,滞燃期延长,着火时刻推后,并且远离上止点,造成缸内最高爆发压力急剧降低,放热率峰值降低,峰值对应的曲轴转角推迟.

图 4 气体成分对缸内压力和放热率影响 Fig.4 Comparison of cylinder pressure and heat release rate in different indicated mean effective pressure
3.2 气体成分对燃烧持续期和滞燃期的影响

柴油机EGR率为30%,平均指示压力0.73 MPa时,分别通入废气、N2和CO2 3种气体,测量了柴油机滞燃期的变化情况. 图 5为气体成分对燃烧持续期和滞燃期的影响规律, 由图 5可以看出,通入CO2气体时,柴油机的滞燃期最长,约为17.2℃A,燃烧持续期最短,约为28.2℃A,通入废气时,柴油机滞燃期最短,仅为15.1℃A,通入N2时柴油机滞燃期约为15.6℃A,并且通入废气和N2时,柴油机的燃烧持续期比较接近,约为32℃A. 原因在于,CO2对进气氧浓度产生的稀释效应,氧浓度降低,缸内燃油和新鲜空气的混合速率降低,达到着火要求需要更长的混合时间,导致滞燃期增加,着火时刻推后,混合气变浓,燃料不能完全燃烧,燃烧结束较早,导致燃烧持续期缩短. 而N2的比热容值较小,仅起到对进气氧浓度的稀释作用,着火前的缸内温度较高,对燃烧持续期的影响较小.

图 5 气体成分对滞燃期和燃烧持续期的影响 Fig.5 The influence of gas composition on the duration of combustion delay and combustion duration
3.3 废气温度对燃烧持续期和滞燃期的影响

EGR废气温度不仅会对进气温度产生影响,也会间接影响柴油机的循环进气量,进而对柴油机缸内的雾化、混合、着火等整个燃烧过程产生影响[14-15]. 同时,喷油时刻缸内温度对于混合气着火难易程度和滞燃期具有很大影响[16-21],为进一步分析废气温度对燃烧持续期、滞燃期等特征参数的影响,按照式(1)~(3)计算了EGR温度分别为298、323、373和423 K时的喷油时刻缸内温度,计算过程中假设柴油机的压缩过程为绝热过程.

${P_1}{V_1} = nR{T_1}$ (1)
${P_2}{V_2} = nR{T_2}$ (2)
${T_2} = ({V_1}/{V_2}){k^{ - 1}}\cdot{T_1}$ (3)

式中:P1为进气门关闭时刻的气缸压力,MPa;T1为进气门关闭时刻缸内温度,K;V1为进气门关闭时刻气缸容积,L;n为气体物质的量,mol;P2为喷油时刻气缸的气缸压力,MPa;T2为喷油时刻缸内温度,K;V2为喷油时刻气缸容积,L;R为通用气体常数,8.314 J/(mol·K);k为绝热常数(>1),主要与气体温度和气体种类有关,取值1.373. V1/V2为气缸容积比,12.3. 通过计算表明,进气温度的增加会放大喷油时刻约2.5倍,导致缸内温度升高.

通过调节EGR中冷器温度,控制引入气缸的EGR废气温度分别为423、373、323和298 K. 在柴油机循环喷油量、喷油时刻固定的情况下,考察了柴油机转速为2 000 r/min、平均指示压力为0.73 MPa、EGR率为30%时,EGR废气温度对燃烧持续期和滞燃期的影响. 测量结果见图 6所示. 可以看出,柴油机燃烧持续期呈随废气温度的升高而增加的趋势,当废气温度为298 K时,燃烧持续期为29.5℃A,当废气温度为423 K时,燃烧持续期为31.8℃A,柴油机滞燃期呈随废气温度的升高而降低的趋势,当废气温度为298 K时,滞燃期为16.2℃A,当废气温度为423 K时,滞燃期为15.2℃A. 原因在于,随着废气温度增加,废气对进气的热节流作用增加,气缸内的氧浓度降低,燃烧速率降低,并且喷油时刻缸内温度较高,混合气达到自燃温度时的相位提前,由于废气温度升高导致着火时刻提前,预混燃烧比例减少,扩散燃烧比例增大,预混期内油气混合质量变差,喷油时刻缸内温度升高削弱了进气热节流作用,导致滞燃期缩短,混合气变稀,燃烧结束时刻推后,燃烧持续期延长.

图 6 废气温度对滞燃期和燃烧持续期的影响 Fig.6 Influence of EGR temperature on the ignition delay period and combustion duration
3.4 气体成分对燃烧中间产物的影响

在柴油机EGR率为30%,平均指示压力0.73 MPa的条件下,分别通入废气、N2和CO2 3种气体,考察了气体成分对燃烧中间产物的影响,重点分析了通入3种气体时柴油机缸内·OH、H2O2、CH2O·、CO的生成规律. 测量结果见图 7所示,从图 7(a)可以看出,与通入废气时相比,通入N2时,·OH的峰值最高,形成时刻最早;通入CO2时,·OH的峰值明显降低,形成时刻最晚. 从图 7(b)图 7(c)中可以看出,与通入废气时相比,通入N2时,H2O2以及CH2O·的峰值均有所降低且形成时刻有所提前;通入CO2时,峰值均有明显升高且形成时刻推迟. 与N2相比,通入CO2后,在CO2高热容值以及对进气氧浓度稀释作用下,使缸内燃烧温度有较大幅度降低,对产生·OH的反应H2O2+M→OH+OH+M阻滞作用较强,同时导致CO的生成时刻也有所推迟[22-25]〔见图 7(d)〕. 但由于引入CO2后,一方面燃烧温度降低,不利于CO氧化转化成CO2;另一方面,燃烧过程中在高温作用下,CO2会与C产生反应,生成大量CO;在两者共同作用下,导致与通入废气相比,只通入CO2时CO峰值有较大幅度增加. 综上所述,EGR废气成分中,CO2对燃烧关键中间产物的影响最大,是阻滞燃烧的主要气体成分.

图 7 气体成分对燃烧关键中间产物的影响 Fig.7 Effect of EGR gas composition on the key intermediate products of combustion
3.5 废气温度对燃烧中间产物的影响

燃烧过程中一些关键中间产物的形成过程对温度的敏感性较高,柴油机采用EGR技术后,除了将柴油机燃烧产生的CO2、N2等气体成分再次引入气缸,还会对进气产生加热效果,改变燃烧过程中关键中间产物的生成条件[26-29]. 图 8为EGR废气温度对燃烧中间产物的影响. 可以看出,由于废气温度增加,达到柴油、H2O2等分解所需温度的时间较短,低温反应时间提前,反应速率加快,使·OH、H2O2、CH2O·以及CO生成时刻均有所提前,但随着EGR废气温度增加,对进气的热节流作用增大,导致缸内氧气含量下降,并起到主导作用,导致柴油脱氢、加氧反应以及H2O2的分解反应受阻,使·OH、H2O2、CH2O·以及CO的峰值均有所降低,生成的区域范围缩小.

废气温度/K:1—298; 2—323; 3—373; 4—423. 图 8 废气温度对燃烧关键中间产物的影响 Fig.8 Effect of EGR temperature on the key intermediate products of combustion
4 结论

a) 通入N2气体时,柴油机的最高爆发压力最高,可达12.3 MPa. 通入CO2气体时,柴油机的最高爆发压力最低,仅为11.4 MPa,CO2的比热容值较高,能够较多的吸收缸内热量,降低缸内燃烧温度和最大爆发压力,通入N2时柴油机的放热率峰值最高,约为95.8 J/deg.

b) 通入CO2气体时,柴油机的滞燃期最长,约为17.2℃A,燃烧持续期最短,约为28.2℃A,CO2对进气氧浓度产生的稀释效应,氧浓度降低,缸内燃油和新鲜空气的混合速率降低,达到着火要求需要更长的混合时间. 随着废气温度增加,废气对进气的热节流作用增加,缸内燃烧速率降低,混合气达到自燃温度时的相位提前,导致滞燃期缩短,混合气变稀,燃烧结束时刻推后,燃烧持续期延长.

c) 通入N2时,·OH的峰值最高,形成时刻最早;通入CO2时,·OH的峰值明显降低,形成时刻最晚,在CO2高热容值以及对进气氧浓度稀释作用下,缸内燃烧温度有较大幅度降低,CO2对燃烧关键中间产物的影响最大,是阻滞燃烧的主要气体成分. 随着EGR废气温度增加,导致柴油脱氢、加氧反应以及H2O2的分解反应受阻,使·OH、H2O2、CH2O·以及CO的峰值均有所降低,生成的区域范围缩小.

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