進氣門晚關對柴油HCCI燃燒和排放影響的數(shù)值模擬

1、 · 204· 內 燃 機 學 報 第 28 卷第 3 期 于進氣壓力為 0. 18 MPa 的情況， 延遲著火對混合過程 發(fā)揮了更為重要的作用。 由于 LIVC 可提供充足的混 合時間， 形成更稀薄的混合氣， 從而有效地降低了碳煙 的排放。因此， 當系統(tǒng)采用 LIVC 時， 增加進氣壓力對 降低碳煙排放顯得尤為重要。 由圖 9 可見， 當進氣壓力由 0. 15 MPa 增至 0. 18 MPa 時， NO x 的排放未受到顯著 對于相同的 IVC 定時， 的影響。雖然增加進氣壓力增加了缸內混合氣的質 降低了最高燃燒溫度， 從而有利于減少 NO x 排放， 量， 但是其同樣

2、會增加缸內的氧氣含量， 進而加快 NO x 的 生成速率。 最 終 導 致 增 加 進 氣 壓 力 由 0. 15 MPa 至 0. 18 MPa 時， NO x 排放并未受到顯著影響， 該結論與 的試驗結果一致。 圖 9 顯示出相似的 HC 和 CO 變化趨勢， 即增加進 氣壓力有助于降低 HC 和 CO 排放。 這主要是因為在 低進氣壓力的情況下， 大量燃油碰撞在燃燒室壁面上， 致使混合變差， 在發(fā)動機燃燒和膨脹過程中液體燃油 的持續(xù)蒸發(fā)最終導致了 HC 和 CO 排放的升高。 盡管 良好的燃油和空氣 增加進氣壓力可使燃燒溫度降低， 混合對降低 HC 和 CO 排放起了主導作用。 上述結果

3、表明， 通過推遲 IVC 定時和增加進氣壓 圖 11 給出了進一步 力可同時降低 NO x 和碳煙排放， 的解釋。圖中顯示了在燃燒過程中， 兩個算例 （ IVC = 220°CA、 p in = 0. 15 MPa 和 IVC = 260° CA、 p in = 0. 18 MPa） 缸內混合氣的當量比和溫度在 T 映射圖中的 分布。通過增加進氣壓力獲得當量比低于 2. 5 的稀薄 混合氣， 有利于碳煙排放的大幅降低； 同時通過 LIVC 可使最高燃燒溫度低于 2 200 K， 進而避免 NO x 的生 p in = 0. 18 MPa 可同時 成。因此， 通過 IVC =

4、 260° CA、 繞開 NO x 和碳煙的生成區(qū)域， 實現(xiàn)清潔燃燒。 Nevin 等人 3 EGR 量， 可同樣保持較低的 NO x 排放。因為降低 EGR CO 和碳 率可提高缸內的氧氣含量， 有利于未燃 HC 、 煙的氧化。為研究 EGR 和 IVC 的相互作用， 及其對降 低發(fā)動機排放的影響， 在改變 IVC 定時的同時， 測試 45 和 50 ） 。 計算 比較了 3 種不同的 EGR 率 （ 40 、 中 EGR 的成分為氧氣、 氮氣、 二氧化碳和水， 具體的質 量分數(shù)根據(jù)上一循環(huán)的排氣成分確定 。 圖 12 顯示了改變 EGR 率和 IVC 定時對 NO x 和碳 NO

5、 x 少量增加 EGR 量由 40 至 45 時， 煙排放的影響， 排放水平顯著下降。 高 EGR 量增加了混合氣的比熱 容， 從而降低最高燃燒溫度， 這是 NO x 排放降低的主 NO x 均隨 IVC 延遲而下 要原因。對于不同的 EGR 率， 40 降， 特別是對于低 EGR 的工況。然而， 應該注意， EGR 和 IVC 為 280° CA 的算例比 45 EGR 和 IVC 為 220°CA 的算例生成更多量的 NO x 排放。 這意味著高 EGR 依然是降低 NO x 排放的關鍵因素， 即使系統(tǒng)中采 用了 LIVC 。當 EGR 率由 45 變化至 50 時，

6、同樣可以 觀察到相似的結果。 圖 12 LIVC 和 EGR 率對 NO x 和碳煙排放的影響 （ p in = 0. 18 MPa， SOI = 20° CA BTDC） Effect of late IVC and EGR rate on NO x and soot emissions Fig. 12 由圖 12 可知， 碳煙排放隨 EGR 率的增加而有所 增加。這是因為在低 EGR 率下， 燃燒溫度和氧氣含量 升高加速了碳煙的氧化速率。 雖然當采用高 EGR 率 時， 著火點延遲， 增加了混合時間， 有利于形成均勻混 但是在 SOI 接近于上止點 （ 固定于 20°

7、CA BT合氣， DC ） ， 高 EGR 率增加混合時間并未對碳煙排放產生較 大的影響。 圖 11 在 360°CA 時 缸內 和 T 在 T 映射圖中的分布 Fig. 11 and T conditions at 360°CA on a calculated T map 對于所有 EGR 率的情況， 當 IVC 由 220°CA 推遲 碳煙排放均有所增加， 這是缸內燃燒溫 至 240°CA 時， 度下降和氧氣含量降低的緣故。 當 IVC 定時在 240° CA 以后時， 由于缸內混合時間的增長， 由圖 12 可見， LIVC 對 碳煙排放持

8、續(xù)降低。 當 EGR 率低于 45 時， 降低碳煙排放的效果更為突出， 當 IVC 定時為280°CA 2. 3 EGR 的影響 當使用 LIVC 時， 缸內的燃燒溫度下降， 即使降低 2010 年 5 月 賈 明等： 進氣門晚關對柴油 HCCI 燃燒和排放影響的數(shù)值模擬 · 205· 時， 幾乎可以得到近零碳煙排放的燃燒 。 上述結果表明充分推遲 IVC 在各種 EGR 率下均 有利于 NO x 和碳煙的降低。 應該注意， 即使系統(tǒng)已使 用 LIVC 策略， 為實現(xiàn)超低 NO x 排放的燃燒， 系統(tǒng)中依 然需要加入足量的 EGR。 但同時高 EGR 率會引起碳

9、煙排放的增加。 2. 3 噴油定時的影響 SOI 可強烈影響柴油 HCCI 發(fā)動機的排放特性。 較早的 SOI 有助于形成均勻混合氣， 但同時會導致過 早著火， 從而增加 NO x 排放。 由于 LIVC 可同時增加 混合時間和降低燃燒溫度， 通過調整 SOI 和 IVC 可進 一步優(yōu)化燃燒過程達到降低排放的目的 。 圖 13 顯示了碳煙和 NO x 排放隨 SOI 和 IVC 的變 NO x 排放逐漸降低。 化， 隨 SOI 的滯后， 燃燒溫度下降， SOI ， 對于保持 不變的情況 推后 IVC 可降低 NO x 排 放。值得注意的是， 當推遲 IVC 晚于 260°CA 時，

10、滯后 SOI 降低 NO x 排放的優(yōu)勢消失。 對于 IVC 為 260° CA 3 種噴油定時所得到的 NO x 的排 和 280°CA 的情況， 放水平幾乎相同。 這是由于 LIVC 可降低燃燒溫度， 增加混合時 間， 從 而 可 以 忽 略 SOI 對 NO x 生 成 的 影 碳煙排放顯示出非常復雜的變化 響。隨 SOI 的改變， 趨勢。碳煙排放量由缸內混合氣的溫度和當量比的分 布決定， 噴油目標位置、 壁面油膜厚度、 混合時間和著 火點等因素均對其有直接影響。 混合氣的均勻度對碳煙排放起決定性因素 。 但是， 對于 IVC 晚關的情況， 缸內的溫度對碳煙 排放起了

11、決定性作用， 由圖 14b 可見， 當 SOI = 30° CA BTDC 時， 由于燃燒溫度較低， 僅少量的碳煙粒子會被 進一步氧化。 對于 IVC 為 280° CA 的情況， 燃油早噴 可引起大量燃油附著在燃燒室壁面上， 從而導致參與 燃燒的燃油量減少， 另一方面早噴引起缸內的混合氣 更為稀 薄， 最 終 致 使 燃 燒 溫 度 下 降。 雖 然 在 SOI = 10° CA BTDC 時， 缸內混合氣的不均勻度增加， 但較高 的燃燒溫度加快了碳煙的氧化速率 ， 使排氣門開啟時， 缸內殘余碳煙量很少。 a） IVC 為 220°CA b） IVC

12、為 280°CA 圖 14 SOI 對碳煙發(fā)展的影響（ p in = 0. 18 MPa， EGR = 50 ） Fig. 14 Effect of SOI timing on the evolution of soot emissions 圖 13 LIVC 和 SOI 對 NO x 和碳煙排放的影響 （ p in = 0. 18 MPa， EGR = 50 ） ig. 13 Effect of late IVC and SOI on NO x and soot emissions 因此， 為獲得柴油 HCCI 發(fā)動機的超低碳煙排放， 需要針對不同的 IVC 情況， 對 SOI 進

13、行優(yōu)化設計。 如 在 IVC 為 220° CA 情況下， 較早的 SOI 可提高混合氣 的均勻度， 有利于降低碳煙排放； 在晚 IVC 時， 則應該 同時考慮燃油與空氣的混合過程和燃燒溫度來優(yōu)化 SOI， 以達到減少碳煙排放的目的。 通常來說， 較早的 SOI 有利于形成均質混合氣， 因 此在正常的 IVC （ 220°CA） 時有利于碳煙的降低， 如圖 14a 所示。在 IVC 為 220°CA 時， 由 3 種不同 SOI 下碳 煙的發(fā)展歷程可以看到， 使用 SOI 為 30° CA BTDC 可 提供更稀薄的混合氣， 因此生成較少量的碳煙。 由于

14、 因此 此時缸內溫度足夠高可以氧化生成的碳煙粒子 ， 3 結 （ 1） 論 通過調節(jié) IVC 定時可有效地控制著火點， · 206· 內 燃 機 學 報 第 28 卷第 3 期 LIVC 可保持缸內最高燃燒溫度低于 2 200 K， 從而避 免 NO x 的生成， 但同時由于缸內燃燒溫度的降低和缺 HC 和 CO 排放增加。 少足夠的氧氣含量而導致碳煙、 （ 2 ） 增加進氣壓力可增加缸內混合氣的均勻度 和氧氣含量， 從而有利于降低 HC 和 CO 排放。當使用 LIVC 時， 增加進氣壓力對降低碳煙排放顯得尤為重 要。通過延遲 IVC 至 260°CA 和增加進

15、氣壓力至 0. 18 MPa， 可同時繞開 NO x 和碳煙的生成區(qū)域。 即使系統(tǒng)中使用 LIVC 策略， 為實現(xiàn)超低 NO x 燃燒依然需要足夠的 EGR 量。 但是， 高 EGR 率 會導致碳煙排放的增加。 （ 4 ） 在不同的 IVC 時刻， SOI 需要針對具體情況 進行優(yōu)化。 當 IVC 為 220° CA 時， 應采用較早的 SOI SOI 需 以提高缸內混合氣的均勻度； 對于較晚的 IVC ， 以降低碳 要綜合考慮缸內混合氣的混合和燃燒溫度 ， 。 煙的排放 參考文獻： 1 Zhao F，Asmus T W，Assanis D N，et al. Homogeneous

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