进气成分对柴油机低温燃烧影响的试验和模拟研究

1、第 进气成分对柴油机低温燃烧影响的试验和模拟研究引言 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

2、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

3、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

4、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%

5、、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、Zeld

6、ovich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

7、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E

8、GR在不同氧浓度下的滞燃期对比。 a)缸内压力对比 b)缸内平均温度对比 c)瞬时放热率对比 图3不同喷油量时缸压、缸内平均温度和瞬时放热率对比 Fig.3Thecomparisonofpressure,in-cylindertemperatureandheatrelease 的就是向进气管喷入CO气体。喷油时刻为上止点前16度时，进气管中喷入N的滞燃期和EGR的滞燃期几乎没有差别。而随着喷油时刻推迟， a)喷油时刻：-16deg.ATDC b)喷油时刻：-6deg.ATDC c)喷油时刻：-6deg.ATDC 图4进气成分对滞燃期的影响 Fig.4Theeffectofintakeonign

9、itiondelay 这种差别越来越明显，特别是氧浓度较低时。图中也表明，随喷油时刻的推迟，在相同的氧浓度下，三种不同进气成分所对应的滞燃期差别就越大。即进气比热容对滞燃期的影响和喷油时刻有关，喷油越晚，比热容对滞燃期的影响就越大。 4排放特性分析 图5(a)是喷油量50mg/cyc、喷油压力160MPa、进气压力为0.1MPa时不同进气成分时的碳烟排放对比，图5(b)是不同氧浓度下喷入CO后缸内平均温度。图中表明，喷入N和EGR时，随氧浓度降低，烟度排放一直增大，但喷入CO时，烟度排放一直很低。这是由于，如前文所述,相同氧浓度条件下CO的滞燃期最长，燃 a)碳烟排放对比 b)不同氧浓度时缸内

10、最高平均温度 图5碳烟排放对比和最高平均温度 Fig.5Thein-cylindertemperatureandcomparisonofsmoke 油与空气充分混合降低了碳烟排放，同时较低的燃烧温度也抑制了碳烟的生成。前文研究表明，N的滞燃期尽管与EGR相近，但N的比热容比EGR小，导致缸内平均温度比EGR高，因此在低氧浓度时，N的碳烟排放也比EGR明显要高；此外，CO的化学效应也会影响碳烟排放。CO在高温下的分解反应，会降低烟度排放，Lida证实了CO化学效应的存在。NLadommatos认为，喷入 CO后烟度大幅降低的原因之一可能是水煤气的平衡移动。即CO+HCO+OH，而生成的OH氧化了

11、形成碳烟的诱导物。但作者认为，CO在进气中比例增加时碳烟降低的另一原因可能是CO直接参与了反应，即CO+C2CO。由吉布斯函数（吉布斯自由能）可算知，和C+HOCO+H相比，CO+C2CO反应反生的温度更低。在形成碳 烟之前，会生成大量的单质碳粒，CO的加入，可能把这些碳粒直接消耗掉，因而造成烟度的降低。且CO浓度和水蒸气浓度相比，要大的多,又由于CO随新鲜空气一起进入气缸，因而分布更均匀,所以CO+C2CO反应更容易反生。由图5(b)可知，最高平均温度都在2100K之上，局部温度会更高，完全具备CO气体和碳粒发生反应的温度条件。 因此，进气中CO比例较大时碳烟大幅降低的原因主要是CO的热效率

12、（比热容较大，延长了滞燃期）和CO的化学效应（直接和生成的单质碳粒发生化学反应）。 图6(a)是循环喷油量50mg时不同进气成分 a)CO排放对比 b)缸内平均温度 图6CO排放对比和缸内平均温度 Fig.6ThetemperatureandcomparisonofCO 时的CO排放对比，图6(b)是氧浓度为12%时，喷入N和EGR缸内平均温度对比。从图中可以看出，基本上有两个明显的规律：一是氧浓度较高时，虽然三种成分的CO排放较接近，但进气管中喷CO时CO排放较高些，而进气管中喷N时CO排放较低些；二是在较低氧浓度时，由于CO比热容较大，发动机出现失火，进气管喷入 CO不能向更低的氧浓度扩展

13、，但和EGR相比，进气管中喷N时CO排放明显较高。氧浓度较高时，进气管喷CO时CO排放较高的主要原因是缸内温度较低，导致CO排放有所升高。而氧浓度较低时，图6(b)表明，压缩冲程及燃烧初期，EGR温度较低，但燃烧后期温度则较高。这是因为EGR滞燃期相对较长，燃烧速率较快，同时在温度达到峰值后开始降低，CO由于比热容较大，放出较多热量，温度降低速率减慢，因而能氧化更多的CO。 图7(a)和(b)是喷油量分别为25mg和50mg时，进气成分对THC排放影响的对比。图中表明，循环油量为25mg时，进气管喷N时THC排放最低，而进气管喷CO时THC排放最高。而在循环油量为50mg、低氧浓度条件下，进气

14、管喷N时THC排放反比EGR的明显增大。喷油量为50mg时，THC排放趋势与图6(a)中的CO排放趋势是相近的，主要是因为低氧浓度时缸内燃烧后期温度较高，THC被进一步氧化。而在较小循环喷油量下，滞燃期较长生成的THC较多，而燃烧后期较低的温度不能进一步氧化THC。 不过图6和图7表明，氧浓度较低时，CO和THC排放较高，这也是柴油机低温燃烧所面临的问题之一。 a)25mg/cyc a)50mg/cyc 图7不同喷油时THC排放对比 Fig.7ThecomparisonofTHCwithdifferentinjectionmass 5模拟计算结果 图8是向进气管喷入N时不同氧浓度条件下，燃烧进

15、行到CA50时缸内-T分布，图9是向进气管喷入CO时不同氧浓度条件下，燃烧进行到CA50时缸内-T分布。图中表明，当向进气管喷入N时，当氧浓度降到13%时，CA50时刻仍有部分混合气进入碳烟和NO生成区域。而当向进气管中喷入CO气体时，当氧浓度降至19%时，CA50时刻避开了碳烟生成区；当氧浓度降到15%时，同时避开了NO和碳烟生成区，实现了较低的碳烟和NO排放。这主要是因为CO比热容较大，降低了缸内温度，这说明提高进气的比热容或降低压缩终了温度是实现同时降低碳烟和NO的重要途径。在氧浓度为19%时，由于低温便有部分燃油进入UHC/CO生成区。虽然这些CO和HC在随后的燃烧中会被进一步氧化，但

16、由于燃烧后期相对温度也较低，因而最后CO和THC排放会高些，这也与前文结果一致。从图8和图9可知，进气成分对燃烧路径影响很大，要实现低温燃烧，实质上也是改变燃烧路径。 图10是向进气管喷入N时，CA50时不同氧浓度下的缸内温度分布，图11是向进气管喷入CO时，CA50时不同氧浓度下的缸内温度分布。图中表明，在相同的氧浓度下，向进气管喷入N时，局部高温区较多，局部低温区也较多。氧浓度为19%时，局部最高温度约为2700K，而当氧浓度为13%时，局部最高温度仍约为2022，即随氧浓度降低，局部最高温度并没有大幅降低，这就为NO和碳烟的同时生成提供了条件之一。氧浓度降低后，NO排放会减少，但碳烟生成

17、条件完全具备，因而碳烟排放升高，这也与试验结果一致。和向进气管喷入CO时相比，缸内温度分布更加不均匀，在低氧浓度下这种现象更加明显。这主要还是和滞燃期有关，CO比例较大时，滞燃期较长，燃油与空气混合充分，因而缸内温度分布相对更加均匀。由于局部过浓区较少，因而碳烟排放降低，而温度分布较均匀，又达不到NO生成温度，因而NO排放也较低。 a)21%b)19%c)17% d)15%e)14%f)13% 图8不同氧浓度时-T分布（N） Fig.8-Tdistributionswithdifferentoxygenconcentrations(N) a)21%b)19%c)17% d)15%e)14%f)

18、13% 图9不同氧浓度时-T分布（CO） Fig.9-Tdistributionswithdifferentoxygenconcentrations(CO) 图10不同氧浓度条件下时缸内温度分布(N) Fig.10Thein-cylindertemperaturedistributionswithdifferentoxygenconcentrations(N) 图11不同氧浓度条件下CA50时缸内温度分布(CO) Fig.11Thein-cylindertemperaturedistributionswithdifferentoxygenconcentrations(CO) 从图10和图11对

19、比也可发现，在相同氧浓度下，虽然进气中CO比例较大时缸内温度分布更加均匀，但局部最高温度仍和进气中N比例较大的工况差别不大。由于NO排放主要受氧浓度和局部最高温度的影响，也就是说，N和CO的稀释效应对降低NO排放的效果是相当的，即氧浓度是降低NO排放的主要原因。从图12三者的NO排放对比看，在相同氧浓度下，进气中CO比例较大时，NO并没有大幅降低。 图12NO排放对比 Fig.12ThecomparisonofNOemissions 6结论 (1)EGR中的N主要起稀释效应，而CO 包括稀释效应、热效应和化学效应等作用。N和CO的稀释作用对降低NO排放的效果相当，即氧浓度降低是NO降低的主要原

20、因。 (2)在相同氧浓度条件下，进气成分对燃烧 过程的影响的主要因素是比热容的影响，CO降低碳烟排放的主要原因是其比热容较大，延长了滞燃期，燃油与空气充分混合并降低燃烧温度避免了局部过浓区和高温区，从而抑制了碳烟生成。CO与燃烧中生成的碳烟直接发生化学反应也可能是碳烟排放降低的一个原因。 (3)数值模拟结果表明，进气中加入N 时，氧浓度在13%时缸内-T分布仍不能完全避开碳烟和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。进气成分对燃烧路径影响较大，且CO比例较高时，滞燃期延长使缸内温度分布更加均匀。 (4)降低氧浓度和压缩终了缸内温度，延长 滞燃期，使燃油与

21、空气充分混合是实现同时降低NO和碳烟排放的重要技术途径。 参考文献1CarloBeatrice,GiovanniAvolio,NicolaDelGiacomo.TheEffectofCleanandColdEGRontheImprovementofLowTemperatureCombustionPerformanceinaSingleCylinderResearchdieselEngine.SAEPaper2022-01-0650,2022.2Ogawa,H.Miyamoto,N.Shimizu,H.Kido,S.,CharacteristicsofDieselCombustioninLowO

22、xygenMixtureswithUltra-HighEGR.SAEPaper2022-01-1147,20223Kook,S.Bae,C.Miles,P.C.Choi,D.Pickett,L.M.,TheInfluenceofChargeDilutionandInjectionTimingonLow-TemperatureDieselCombustionandEmissions.SAEPaper,2022-01-3837,2022.4ARCOUMANISC,BEAC,NAGWANEYA.,EffectofEGRoncombustiondevelopmentina1.9LDIdieselopticalengineR.SAEPaper,950850,1995.5Akihama,K.,etal.,MechanismoftheSmokelessRichDieselCombustionbyReduced