進氣成分對柴油機低溫燃燒影響的試驗和模擬研究

1、論文摘要：通過改變進氣成分(向進氣管噴入CO 、N 和EGR)對柴油機燃燒和排放影響的對比，從試驗和模擬兩方面研究了進氣成分對柴油機低溫燃燒性能和排放特性的影響。結果表明，進氣中CO比例較大時，碳煙大幅降低的主要原因是CO 的熱效應和化學效應；而CO 和N 的稀釋效應對降低NOx排放的效果相當，即氧濃度降低是NO 排放降低的主要原因。數(shù)值模擬結果表明，進氣中加入N時，氧濃度在13%時缸內(nèi)-T分布仍不能完全避開碳煙或NO 生成區(qū)；而進氣中加入CO ，氧濃度降至15%時就同時避開了NO 和碳煙生成區(qū)域。且CO 比例較大時，滯燃期延長使缸內(nèi)溫度分布更加均勻。同時，進氣成分對燃燒路徑有較大的影響。論文

2、關鍵詞：進氣成分,惰性氣體,模擬,低溫燃燒,廢氣再循環(huán)引言柴油機低溫燃燒是一種新型的燃燒方式，通過降低燃燒溫度，可以同時實現(xiàn)極低的NO和碳煙排放。隨著人們對柴油機燃燒基礎理論研究的深入，近年來，人們對柴油機低溫燃燒特性有了較清楚的認識，其特征可以概括為：EGR與噴油策略控制的大比例預混合的低溫燃燒過程。但是，人們對低溫燃燒的機理的認識仍有待于進一步的深入。傳統(tǒng)柴油機進氣是新鮮空氣，即主要由N和O組成。在柴油機低溫燃燒中，廢氣再循環(huán)(EGR)是重要的控制手段，通過EGR提高進氣的熱容比從而延長滯燃期，使燃油與空氣混合更加充分。另一方面，EGR降低氧濃度，降低燃燒溫度，從而降低有害排放。EGR的廢

3、氣中主要包括剩余的空氣（主要是N和O）、完全燃燒產(chǎn)物（CO和HO）以及少量的其它中間產(chǎn)物，其中主要是完全燃燒產(chǎn)物，EGR率的改變實際上是改變了N、O和CO的比例。CO的加入會造成以下三種效應：進氣氧濃度降低（稀釋效應）、進氣比熱容改變（熱效應）和CO參與燃燒（化學效應），N比較穩(wěn)定，比熱容接近新鮮空氣，主要產(chǎn)生稀釋效應。本文通過試驗和模擬計算，研究了進氣成分N和CO對柴油機燃燒和排放性能的影響，從而揭示EGR對柴油機低溫燃燒影響的機理。1試驗裝置及研究方法本研究在一臺六缸增壓、水冷柴油機上進行。對對第六缸進行了改造，獨立出其進、排氣系統(tǒng)和噴油油系統(tǒng)，其余五缸保持不變。發(fā)動機參數(shù)如表1。表1發(fā)動

4、機參數(shù)Table1Theparameteroftheengine 缸徑 105mm 沖程 125mm 連桿長度 210mm 壓縮比 17.5:1 排量 1081.8cm 進氣門關閉時刻 -137 deg ATDC 噴孔數(shù) 7 噴孔直徑 0.17 mm 噴束夾角 155 deg 噴射系統(tǒng)Common Rail 軌壓 1600bar 圖1是試驗裝置示意圖，在進氣管中安裝了氧濃度傳感器，向進氣管中噴入CO或N時，通過改變惰性氣體罐的閥門開度，可以改變CO或N的流量，而在EGR中，通過調(diào)節(jié)背壓閥開度，實現(xiàn)循環(huán)廢氣量的改變，從而達到需求的氧濃度。噴油由一套電控系統(tǒng)控制，可靈活調(diào)節(jié)噴油量、噴油時刻、軌壓等

5、參數(shù)。缸內(nèi)壓力采集采用了自行開發(fā)的缸壓采集及放熱率實時處理系統(tǒng)完成，氣體測量采用了HoribaMEXA-7100DEGR排氣分析儀，煙度測量采用了AVL415煙度計。1-壓氣機；2-三通閥；3-流量計；4-穩(wěn)壓罐；5-廢氣中冷器；6-煙度計；7-排氣分析儀；8-壓力傳感器；9-噴油器；10-測功機；11-光電編碼器；12-電荷放大器；13-背壓閥；14-惰性氣體罐；15-調(diào)壓閥；16-氧傳感器圖1試驗裝置示意圖Fig.1Experimentalsystem本試驗發(fā)動機轉速固定在1400r/min，循環(huán)噴油量為25mg和50mg，進氣壓力恒定0.1MPa。主要選取了七個氧濃度，即21%、19%、

6、17%、15%、14%和13%。圖2(a)和(b)分別是向進氣管噴入CO和N時，在不同氧濃度下比熱容隨溫度的變化關系。圖2(a)表明，進氣中CO比例增加時，進氣比熱容相對空氣大幅升高；而圖2(b)a)噴入CO時進氣比熱容b)噴入N時進氣比熱容圖2進氣成分對比熱容的影響對比Fig.2Thespecificheatcapacityoftheintake表明，進氣中N比例增加時，進氣比熱容相對空氣卻略有降低。為了進一步揭示進氣成分對柴油機低溫燃燒和排放影響的作用機理，本文采用修改的KIVA-3V程序進行了模擬研究。計算模型主要采用KH-RT噴霧模型、shell點火模型、Zeldovich的NO生成模

7、型，soot的計算為Hiroyasu生成模型加NSC氧化模型?？紤]到發(fā)動機采用的是8孔噴油器，為了節(jié)省計算時間，計算域僅選燃燒室和氣缸組成的1/8圓周。與實驗研究中一致，研究工況的噴油壓力和進氣壓力同樣分別為160MPa和0.1MPa，噴油時刻為-16ATDC，循環(huán)噴油量為50mg。3燃燒特性分析圖3(a)、(b)、(c)分別是循環(huán)噴油量為25mg和50mg、氧濃度為16%時，不同進氣成分對缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)平均溫度和瞬時放熱率的影響。圖中表明，在相同氧濃度條件下，惰性氣體為CO時滯燃期最長，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和平均溫度最低，EGR則介于N和CO之間。在實際EGR廢氣成分中，CO比例相對較小，絕大部分是N，因此EGR和進氣管內(nèi)噴入N的特性比較接近。從放熱率上可看出，兩者放熱率非常接近，只是噴入N的放熱率峰值稍微高些，這主要是N比熱容較小，缸內(nèi)峰值壓力較高的原因。噴入CO的放熱率和前兩者差別較大，在25mg/cyc時，放熱峰值較低，燃燒持續(xù)期較長；而在50mg/cyc時，放熱峰值則較高。這是因為在較小負荷時，噴入CO后滯燃期較長，但主燃燒發(fā)生在膨脹沖程，燃燒速率較慢；而在較大負荷時，滯燃期仍較長，但燃燒