淺談進(jìn)氣成分對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒影響
2016-04-29 13:37:05 安裝信息網(wǎng)
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論文摘要：通過改變進(jìn)氣成分(向進(jìn)氣管噴入CO 、N 和EGR)對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放影響的對(duì)比，從試驗(yàn)和模擬兩方面研究了進(jìn)氣成分對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒性能和排放特性的影響。結(jié)果表明，進(jìn)氣中CO 比例較大時(shí)，碳煙大幅降低的主要原因是CO 的熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)；而CO 和N 的稀釋效應(yīng)對(duì)降低NOx排放的效果相當(dāng)，即氧濃度降低是NO 排放降低的主要原因。數(shù)值模擬結(jié)果表明，進(jìn)氣中加入N 時(shí)，氧濃度在13%時(shí)缸內(nèi)Φ-T分布仍不能完全避開碳煙或NO 生成區(qū)；而進(jìn)氣中加入CO ，氧濃度降至15%時(shí)就同時(shí)避開了NO 和碳煙生成區(qū)域。且CO 比例較大時(shí)，滯燃期延長(zhǎng)使缸內(nèi)溫度分布更加均勻。同時(shí)，進(jìn)氣成分對(duì)燃燒路徑有較大的影響。
論文關(guān)鍵詞：進(jìn)氣成分,惰性氣體,模擬,低溫燃燒,廢氣再循環(huán)
引言
柴油機(jī)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(shí)實(shí)現(xiàn)極低的NO和碳煙排放。隨著人們對(duì)柴油機(jī)燃燒基礎(chǔ)理論研究的深入，近年來，人們對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒特性有了較清楚的認(rèn)識(shí)，其特征可以概括為：EGR與噴油策略控制的大比例預(yù)混合的低溫燃燒過程。但是，人們對(duì)低溫燃燒的機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍有待于進(jìn)一步的深入。
傳統(tǒng)柴油機(jī)進(jìn)氣是新鮮空氣，即主要由N和O組成。在柴油機(jī)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(jìn)氣的熱容比從而延長(zhǎng)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(shí)際上是改變了N、O和CO的比例。CO的加入會(huì)造成以下三種效應(yīng)：進(jìn)氣氧濃度降低（稀釋效應(yīng)）、進(jìn)氣比熱容改變（熱效應(yīng)）和CO參與燃燒（化學(xué)效應(yīng)），N比較穩(wěn)定，比熱容接近新鮮空氣，主要產(chǎn)生稀釋效應(yīng)。本文通過試驗(yàn)和模擬計(jì)算，研究了進(jìn)氣成分N和CO對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放性能的影響，從而揭示EGR對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒影響的機(jī)理。
1試驗(yàn)裝置及研究方法
本研究在一臺(tái)六缸增壓、水冷柴油機(jī)上進(jìn)行。對(duì)對(duì)第六缸進(jìn)行了改造，獨(dú)立出其進(jìn)、排氣系統(tǒng)和噴油油系統(tǒng)，其余五缸保持不變。發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1。
表1發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)
Table1Theparameteroftheengine
圖1是試驗(yàn)裝置示意圖，在進(jìn)氣管中安裝了氧濃度傳感器，向進(jìn)氣管中噴入CO或N時(shí)，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(shí)現(xiàn)循環(huán)廢氣量的改變，從而達(dá)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(shí)刻、軌壓等參數(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(shí)時(shí)處理系統(tǒng)完成，氣體測(cè)量采用了HoribaMEXA-7100DEGR排氣分析儀，煙度測(cè)量采用了AVL415煙度計(jì)。
1-壓氣機(jī)；2-三通閥；3-流量計(jì)；4-穩(wěn)壓罐；5-廢氣中冷器；6-煙度計(jì)；7-排氣分析儀；8-壓力傳感器；9-噴油器；10-測(cè)功機(jī)；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(yàn)裝置示意圖
Fig.1Experimentalsystem
本試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在1400r/min，循環(huán)噴油量為25mg和50mg，進(jìn)氣壓力恒定0.1MPa。主要選取了七個(gè)氧濃度，即21%、19%、17%、15%、14%和13%。圖2(a)和(b)分別是向進(jìn)氣管噴入CO和N時(shí)，在不同氧濃度下比熱容隨溫度的變化關(guān)系。圖2(a)表明，進(jìn)氣中CO比例增加時(shí)，進(jìn)氣比熱容相對(duì)空氣大幅升高；而圖2(b)
a)噴入CO時(shí)進(jìn)氣比熱容
b)噴入N時(shí)進(jìn)氣比熱容
圖2進(jìn)氣成分對(duì)比熱容的影響對(duì)比
Fig.2Thespecificheatcapacityoftheintake
表明，進(jìn)氣中N比例增加時(shí)，進(jìn)氣比熱容相對(duì)空氣卻略有降低。
為了進(jìn)一步揭示進(jìn)氣成分對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒和排放影響的作用機(jī)理，本文采用修改的KIVA-3V程序進(jìn)行了模擬研究。計(jì)算模型主要采用KH-RT噴霧模型、shell點(diǎn)火模型、Zeldovich的NO生成模型，soot的計(jì)算為Hiroyasu生成模型加NSC氧化模型�？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是8孔噴油器，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，計(jì)算域僅選燃燒室和氣缸組成的1/8圓周。與實(shí)驗(yàn)研究中一致，研究工況的噴油壓力和進(jìn)氣壓力同樣分別為160MPa和0.1MPa，噴油時(shí)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(shí)，不同進(jìn)氣成分對(duì)缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)平均溫度和瞬時(shí)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(shí)滯燃期最長(zhǎng)，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(shí)際EGR廢氣成分中，CO比例相對(duì)較小，絕大部分是N，因此EGR和進(jìn)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(shí)，放熱峰值較低，燃燒持續(xù)期較長(zhǎng)；而在50mg/cyc時(shí)，放熱峰值則較高。這是因?yàn)樵谳^小負(fù)荷時(shí)，噴入CO后滯燃期較長(zhǎng)，但主燃
燒發(fā)生在膨脹沖程，燃燒速率較慢；而在較大負(fù)荷時(shí)，滯燃期仍較長(zhǎng)，但燃燒發(fā)生在上止點(diǎn)附近，燃油和進(jìn)氣混合較充分，因而燃燒速率較快。
圖4(a)-(c)分別是循環(huán)噴油量50mg、噴油時(shí)刻分別為上止點(diǎn)前16度、6度和1度時(shí)，N、CO和EGR在不同氧濃度下的滯燃期對(duì)比。
圖中表明，隨氧濃度降低，滯燃期增幅最大
a)缸內(nèi)壓力對(duì)比
b)缸內(nèi)平均溫度對(duì)比
c)瞬時(shí)放熱率對(duì)比
圖3不同噴油量時(shí)缸壓、缸內(nèi)平均溫度和瞬時(shí)放熱率對(duì)比
Fig.3Thecomparisonofpressure,in-cylindertemperatureandheatrelease
的就是向進(jìn)氣管噴入CO氣體。噴油時(shí)刻為上止點(diǎn)前16度時(shí)，進(jìn)氣管中噴入N的滯燃期和EGR的滯燃期幾乎沒有差別。而隨著噴油時(shí)刻推遲，
a)噴油時(shí)刻：-16deg.ATDC
b)噴油時(shí)刻：-6deg.ATDC
c)噴油時(shí)刻：-6deg.ATDC
圖4進(jìn)氣成分對(duì)滯燃期的影響
Fig.4Theeffectofintakeonignitiondelay
這種差別越來越明顯，特別是氧濃度較低時(shí)。圖中也表明，隨噴油時(shí)刻的推遲，在相同的氧濃度下，三種不同進(jìn)氣成分所對(duì)應(yīng)的滯燃期差別就越大。即進(jìn)氣比熱容對(duì)滯燃期的影響和噴油時(shí)刻有關(guān)，噴油越晚，比熱容對(duì)滯燃期的影響就越大。
4排放特性分析
圖5(a)是噴油量50mg/cyc、噴油壓力160MPa、進(jìn)氣壓力為0.1MPa時(shí)不同進(jìn)氣成分時(shí)的碳煙排放對(duì)比，圖5(b)是不同氧濃度下噴入CO后缸內(nèi)平均溫度。圖中表明，噴入N和EGR時(shí)，隨氧濃度降低，煙度排放一直增大，但噴入CO時(shí)，煙度排放一直很低。這是由于，如前文所述,相同氧濃度條件下CO的滯燃期最長(zhǎng)，燃
a)碳煙排放對(duì)比
b)不同氧濃度時(shí)缸內(nèi)最高平均溫度
圖5碳煙排放對(duì)比和最高平均溫度
Fig.5Thein-cylindertemperatureandcomparisonofsmoke
油與空氣充分混合降低了碳煙排放，同時(shí)較低的燃燒溫度也抑制了碳煙的生成。前文研究表明，N的滯燃期盡管與EGR相近，但N的比熱容比EGR小，導(dǎo)致缸內(nèi)平均溫度比EGR高，因此在低氧濃度時(shí)，N的碳煙排放也比EGR明顯要高；此外，CO的化學(xué)效應(yīng)也會(huì)影響碳煙排放。CO在高溫下的分解反應(yīng)，會(huì)降低煙度排放，Lida證實(shí)了CO化學(xué)效應(yīng)的存在。NLadommatos認(rèn)為，噴入
CO后煙度大幅降低的原因之一可能是水煤氣的平衡移動(dòng)。即CO+HàCO+OH，而生成的OH氧化了形成碳煙的誘導(dǎo)物。但作者認(rèn)為，CO在進(jìn)氣中比例增加時(shí)碳煙降低的另一原因可能是CO直接參與了反應(yīng)，即CO+Cà2CO。由吉布斯函數(shù)（吉布斯自由能）可算知，和C+HOàCO+H相比，CO+Cà2CO反應(yīng)反生的溫度更低。在形成碳
煙之前，會(huì)生成大量的單質(zhì)碳粒，CO的加入，可能把這些碳粒直接消耗掉，因而造成煙度的降低。且CO濃度和水蒸氣濃度相比，要大的多,又由于CO隨新鮮空氣一起進(jìn)入氣缸，因而分布更均勻,所以CO+Cà2CO反應(yīng)更容易反生。由圖5(b)可知，最高平均溫度都在2100K之上，局部溫度會(huì)更高，完全具備CO氣體和碳粒發(fā)生反應(yīng)的溫度條件。
因此，進(jìn)氣中CO比例較大時(shí)碳煙大幅降低的原因主要是CO的熱效率（比熱容較大，延長(zhǎng)了滯燃期）和CO的化學(xué)效應(yīng)（直接和生成的單質(zhì)碳粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)）。
圖6(a)是循環(huán)噴油量50mg時(shí)不同進(jìn)氣成分
a)CO排放對(duì)比
b)缸內(nèi)平均溫度
圖6CO排放對(duì)比和缸內(nèi)平均溫度
Fig.6ThetemperatureandcomparisonofCO
時(shí)的CO排放對(duì)比，圖6(b)是氧濃度為12%時(shí)，噴入N和EGR缸內(nèi)平均溫度對(duì)比。從圖中可以看出，基本上有兩個(gè)明顯的規(guī)律：一是氧濃度較高時(shí)，雖然三種成分的CO排放較接近，但進(jìn)氣管中噴CO時(shí)CO排放較高些，而進(jìn)氣管中噴N時(shí)CO排放較低些；二是在較低氧濃度時(shí)，由于CO比熱容較大，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)“失火”，進(jìn)氣管噴入
CO不能向更低的氧濃度擴(kuò)展，但和EGR相比，進(jìn)氣管中噴N時(shí)CO排放明顯較高。氧濃度較高時(shí)，進(jìn)氣管噴CO時(shí)CO排放較高的主要原因是缸內(nèi)溫度較低，導(dǎo)致CO排放有所升高。而氧濃度較低時(shí)，圖6(b)表明，壓縮沖程及燃燒初期，EGR溫度較低，但燃燒后期溫度則較高。這是因?yàn)镋GR滯燃期相對(duì)較長(zhǎng)，燃燒速率較快，同時(shí)在溫度達(dá)到峰值后開始降低，CO由于比熱容較大，放出較多熱量，溫度降低速率減慢，因而能氧化更多的CO。
圖7(a)和(b)是噴油量分別為25mg和50mg時(shí)，進(jìn)氣成分對(duì)THC排放影響的對(duì)比。圖中表明，循環(huán)油量為25mg時(shí)，進(jìn)氣管噴N時(shí)THC排放最低，而進(jìn)氣管噴CO時(shí)THC排放最高。而在循環(huán)油量為50mg、低氧濃度條件下，進(jìn)氣管噴N時(shí)THC排放反比EGR的明顯增大。噴油量為50mg時(shí)，THC排放趨勢(shì)與圖6(a)中的CO排放趨勢(shì)是相近的，主要是因?yàn)榈脱鯘舛葧r(shí)缸內(nèi)燃燒后期溫度較高，THC被進(jìn)一步氧化。 而在較小循環(huán)噴油量下，滯燃期較長(zhǎng)生成的THC較多，而燃燒后期較低的溫度不能進(jìn)一步氧化THC。
不過圖6和圖7表明，氧濃度較低時(shí)，CO和THC排放較高，這也是柴油機(jī)低溫燃燒所面臨的問題之一。
a)25mg/cyc
a)50mg/cyc
圖7不同噴油時(shí)THC排放對(duì)比
Fig.7ThecomparisonofTHCwithdifferentinjectionmass
5模擬計(jì)算結(jié)果
圖8是向進(jìn)氣管噴入N時(shí)不同氧濃度條件下，燃燒進(jìn)行到CA50時(shí)缸內(nèi)Φ-T分布，圖9是向進(jìn)氣管噴入CO時(shí)不同氧濃度條件下，燃燒進(jìn)行到CA50時(shí)缸內(nèi)Φ-T分布。圖中表明，當(dāng)向進(jìn)氣管噴入N時(shí)，當(dāng)氧濃度降到13%時(shí)，CA50時(shí)刻仍有部分混合氣進(jìn)入碳煙和NO生成區(qū)域。而當(dāng)向進(jìn)氣管中噴入CO氣體時(shí)，當(dāng)氧濃度降至19%時(shí)，CA50時(shí)刻避開了碳煙生成區(qū)；當(dāng)氧濃度降到15%時(shí)，同時(shí)避開了NO和碳煙生成區(qū)，實(shí)現(xiàn)了較低的碳煙和NO排放。這主要是因?yàn)镃O比熱容較大，降低了缸內(nèi)溫度，這說明提高進(jìn)氣的比熱容或降低壓縮終了溫度是實(shí)現(xiàn)同時(shí)降低碳煙和NO的重要途徑。在氧濃度為19%時(shí)，由于低溫便有部分燃油進(jìn)入U(xiǎn)HC/CO生成區(qū)。雖然這些CO和HC在隨后的燃燒中會(huì)被進(jìn)一步氧化，但由于燃燒后期相對(duì)溫度也較低，因而最后CO和THC排放會(huì)高些，這也與前文結(jié)果一致。從圖8和圖9可知，進(jìn)氣成分對(duì)燃燒路徑影響很大，要實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，實(shí)質(zhì)上也是改變?nèi)紵窂健?br> 圖10是向進(jìn)氣管噴入N時(shí)，CA50時(shí)不同氧濃度下的缸內(nèi)溫度分布，圖11是向進(jìn)氣管噴入CO時(shí)，CA50時(shí)不同氧濃度下的缸內(nèi)溫度分布。圖中表明，在相同的氧濃度下，向進(jìn)氣管噴入N時(shí)，局部高溫區(qū)較多，局部低溫區(qū)也較多。氧濃度為19%時(shí)，局部最高溫度約為2700K，而當(dāng)氧濃度為13%時(shí)，局部最高溫度仍約為2000Ｋ，即隨氧濃度降低，局部最高溫度并沒有大幅降低，這就為NO和碳煙的同時(shí)生成提供了條件之一。氧濃度降低后，NO排放會(huì)減少，但碳煙生成條件完全具備，因而碳煙排放升高，這也與試驗(yàn)結(jié)果一致。和向進(jìn)氣管噴入CO時(shí)相比，缸內(nèi)溫度分布更加不均勻，在低氧濃度下這種現(xiàn)象更加明顯。這主要還是和滯燃期有關(guān)，CO比例較大時(shí)，滯燃期較長(zhǎng)，燃油與空氣混合充分，因而缸內(nèi)溫度分布相對(duì)更加均勻。由于局部過濃區(qū)較少，因而碳煙排放降低，而溫度分布較均勻，又達(dá)不到NO生成溫度，因而NO排放也較低。
a)21%b)19%c)17%
d)15%e)14%f)13%
圖8不同氧濃度時(shí)Φ-T分布（N）
Fig.8Φ-Tdistributionswithdifferentoxygenconcentrations(N)
a)21%b)19%c)17%
d)15%e)14%f)13%
圖9不同氧濃度時(shí)Φ-T分布（CO）
Fig.9Φ-Tdistributionswithdifferentoxygenconcentrations(CO)
從圖10和圖11對(duì)比也可發(fā)現(xiàn)，在相同氧濃度下，雖然進(jìn)氣中CO比例較大時(shí)缸內(nèi)溫度分布更加均勻，但局部最高溫度仍和進(jìn)氣中N比例較大的工況差別不大。由于NO排放主要受氧濃度和局部最高溫度的影響，也就是說，N和CO的稀釋效應(yīng)對(duì)降低NO排放的效果是相當(dāng)?shù)�，即氧濃度是降低NO排放的主要原因。從圖12三者的NO排放對(duì)比看，在相同氧濃度下，進(jìn)氣中CO比例較大時(shí)，NO并沒有大幅降低。
圖12NO排放對(duì)比
Fig.12ThecomparisonofNOemissions
6結(jié)論
(1)EGR中的N主要起稀釋效應(yīng)，而CO
包括稀釋效應(yīng)、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)等作用。N和CO的稀釋作用對(duì)降低NO排放的效果相當(dāng)，即氧濃度降低是NO降低的主要原因。
(2)在相同氧濃度條件下，進(jìn)氣成分對(duì)燃燒
過程的影響的主要因素是比熱容的影響，CO降低碳煙排放的主要原因是其比熱容較大，延長(zhǎng)了滯燃期，燃油與空氣充分混合并降低燃燒溫度避免了局部過濃區(qū)和高溫區(qū)，從而抑制了碳煙生成。CO與燃燒中生成的碳煙直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)也可能是碳煙排放降低的一個(gè)原因。
(3)數(shù)值模擬結(jié)果表明，進(jìn)氣中加入N
時(shí)，氧濃度在13%時(shí)缸內(nèi)Φ-T分布仍不能完全避開碳煙和NO生成區(qū)；而進(jìn)氣中加入CO，氧濃度降至15%時(shí)就同時(shí)避開了NO和碳煙生成區(qū)域。進(jìn)氣成分對(duì)燃燒路徑影響較大，且CO比例較高時(shí)，滯燃期延長(zhǎng)使缸內(nèi)溫度分布更加均勻。
(4)降低氧濃度和壓縮終了缸內(nèi)溫度，延長(zhǎng)
滯燃期，使燃油與空氣充分混合是實(shí)現(xiàn)同時(shí)降低NO和碳煙排放的重要技術(shù)途徑。
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引言
柴油機(jī)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(shí)實(shí)現(xiàn)極低的NO和碳煙排放。隨著人們對(duì)柴油機(jī)燃燒基礎(chǔ)理論研究的深入，近年來，人們對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒特性有了較清楚的認(rèn)識(shí)，其特征可以概括為：EGR與噴油策略控制的大比例預(yù)混合的低溫燃燒過程。但是，人們對(duì)低溫燃燒的機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍有待于進(jìn)一步的深入。
傳統(tǒng)柴油機(jī)進(jìn)氣是新鮮空氣，即主要由N和O組成。在柴油機(jī)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(jìn)氣的熱容比從而延長(zhǎng)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(shí)際上是改變了N、O和CO的比例。CO的加入會(huì)造成以下三種效應(yīng)：進(jìn)氣氧濃度降低（稀釋效應(yīng)）、進(jìn)氣比熱容改變（熱效應(yīng)）和CO參與燃燒（化學(xué)效應(yīng)），N比較穩(wěn)定，比熱容接近新鮮空氣，主要產(chǎn)生稀釋效應(yīng)。本文通過試驗(yàn)和模擬計(jì)算，研究了進(jìn)氣成分N和CO對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放性能的影響，從而揭示EGR對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒影響的機(jī)理。
1試驗(yàn)裝置及研究方法
本研究在一臺(tái)六缸增壓、水冷柴油機(jī)上進(jìn)行。對(duì)對(duì)第六缸進(jìn)行了改造，獨(dú)立出其進(jìn)、排氣系統(tǒng)和噴油油系統(tǒng)，其余五缸保持不變。發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1。
表1發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)
Table1Theparameteroftheengine
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缸徑 |
105mm |
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沖程 |
125mm |
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連桿長(zhǎng)度 |
210mm |
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壓縮比 |
17.5:1 |
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排量 |
1081.8cm |
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進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻 |
-137 deg ATDC |
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噴孔數(shù) |
7 |
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噴孔直徑 |
0.17 mm |
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噴束夾角 |
155 deg |
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噴射系統(tǒng) |
Common Rail |
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軌壓 |
1600bar |
圖1是試驗(yàn)裝置示意圖，在進(jìn)氣管中安裝了氧濃度傳感器，向進(jìn)氣管中噴入CO或N時(shí)，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(shí)現(xiàn)循環(huán)廢氣量的改變，從而達(dá)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(shí)刻、軌壓等參數(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(shí)時(shí)處理系統(tǒng)完成，氣體測(cè)量采用了HoribaMEXA-7100DEGR排氣分析儀，煙度測(cè)量采用了AVL415煙度計(jì)。
1-壓氣機(jī)；2-三通閥；3-流量計(jì)；4-穩(wěn)壓罐；5-廢氣中冷器；6-煙度計(jì)；7-排氣分析儀；8-壓力傳感器；9-噴油器；10-測(cè)功機(jī)；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(yàn)裝置示意圖
Fig.1Experimentalsystem
本試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在1400r/min，循環(huán)噴油量為25mg和50mg，進(jìn)氣壓力恒定0.1MPa。主要選取了七個(gè)氧濃度，即21%、19%、17%、15%、14%和13%。圖2(a)和(b)分別是向進(jìn)氣管噴入CO和N時(shí)，在不同氧濃度下比熱容隨溫度的變化關(guān)系。圖2(a)表明，進(jìn)氣中CO比例增加時(shí)，進(jìn)氣比熱容相對(duì)空氣大幅升高；而圖2(b)
a)噴入CO時(shí)進(jìn)氣比熱容
b)噴入N時(shí)進(jìn)氣比熱容
圖2進(jìn)氣成分對(duì)比熱容的影響對(duì)比
Fig.2Thespecificheatcapacityoftheintake
表明，進(jìn)氣中N比例增加時(shí)，進(jìn)氣比熱容相對(duì)空氣卻略有降低。
為了進(jìn)一步揭示進(jìn)氣成分對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒和排放影響的作用機(jī)理，本文采用修改的KIVA-3V程序進(jìn)行了模擬研究。計(jì)算模型主要采用KH-RT噴霧模型、shell點(diǎn)火模型、Zeldovich的NO生成模型，soot的計(jì)算為Hiroyasu生成模型加NSC氧化模型�？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是8孔噴油器，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，計(jì)算域僅選燃燒室和氣缸組成的1/8圓周。與實(shí)驗(yàn)研究中一致，研究工況的噴油壓力和進(jìn)氣壓力同樣分別為160MPa和0.1MPa，噴油時(shí)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(shí)，不同進(jìn)氣成分對(duì)缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)平均溫度和瞬時(shí)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(shí)滯燃期最長(zhǎng)，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(shí)際EGR廢氣成分中，CO比例相對(duì)較小，絕大部分是N，因此EGR和進(jìn)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(shí)，放熱峰值較低，燃燒持續(xù)期較長(zhǎng)；而在50mg/cyc時(shí)，放熱峰值則較高。這是因?yàn)樵谳^小負(fù)荷時(shí)，噴入CO后滯燃期較長(zhǎng)，但主燃
燒發(fā)生在膨脹沖程，燃燒速率較慢；而在較大負(fù)荷時(shí)，滯燃期仍較長(zhǎng)，但燃燒發(fā)生在上止點(diǎn)附近，燃油和進(jìn)氣混合較充分，因而燃燒速率較快。
圖4(a)-(c)分別是循環(huán)噴油量50mg、噴油時(shí)刻分別為上止點(diǎn)前16度、6度和1度時(shí)，N、CO和EGR在不同氧濃度下的滯燃期對(duì)比。
圖中表明，隨氧濃度降低，滯燃期增幅最大
a)缸內(nèi)壓力對(duì)比
b)缸內(nèi)平均溫度對(duì)比
c)瞬時(shí)放熱率對(duì)比
圖3不同噴油量時(shí)缸壓、缸內(nèi)平均溫度和瞬時(shí)放熱率對(duì)比
Fig.3Thecomparisonofpressure,in-cylindertemperatureandheatrelease
的就是向進(jìn)氣管噴入CO氣體。噴油時(shí)刻為上止點(diǎn)前16度時(shí)，進(jìn)氣管中噴入N的滯燃期和EGR的滯燃期幾乎沒有差別。而隨著噴油時(shí)刻推遲，
a)噴油時(shí)刻：-16deg.ATDC
b)噴油時(shí)刻：-6deg.ATDC
c)噴油時(shí)刻：-6deg.ATDC
圖4進(jìn)氣成分對(duì)滯燃期的影響
Fig.4Theeffectofintakeonignitiondelay
這種差別越來越明顯，特別是氧濃度較低時(shí)。圖中也表明，隨噴油時(shí)刻的推遲，在相同的氧濃度下，三種不同進(jìn)氣成分所對(duì)應(yīng)的滯燃期差別就越大。即進(jìn)氣比熱容對(duì)滯燃期的影響和噴油時(shí)刻有關(guān)，噴油越晚，比熱容對(duì)滯燃期的影響就越大。
4排放特性分析
圖5(a)是噴油量50mg/cyc、噴油壓力160MPa、進(jìn)氣壓力為0.1MPa時(shí)不同進(jìn)氣成分時(shí)的碳煙排放對(duì)比，圖5(b)是不同氧濃度下噴入CO后缸內(nèi)平均溫度。圖中表明，噴入N和EGR時(shí)，隨氧濃度降低，煙度排放一直增大，但噴入CO時(shí)，煙度排放一直很低。這是由于，如前文所述,相同氧濃度條件下CO的滯燃期最長(zhǎng)，燃
a)碳煙排放對(duì)比
b)不同氧濃度時(shí)缸內(nèi)最高平均溫度
圖5碳煙排放對(duì)比和最高平均溫度
Fig.5Thein-cylindertemperatureandcomparisonofsmoke
油與空氣充分混合降低了碳煙排放，同時(shí)較低的燃燒溫度也抑制了碳煙的生成。前文研究表明，N的滯燃期盡管與EGR相近，但N的比熱容比EGR小，導(dǎo)致缸內(nèi)平均溫度比EGR高，因此在低氧濃度時(shí)，N的碳煙排放也比EGR明顯要高；此外，CO的化學(xué)效應(yīng)也會(huì)影響碳煙排放。CO在高溫下的分解反應(yīng)，會(huì)降低煙度排放，Lida證實(shí)了CO化學(xué)效應(yīng)的存在。NLadommatos認(rèn)為，噴入
CO后煙度大幅降低的原因之一可能是水煤氣的平衡移動(dòng)。即CO+HàCO+OH，而生成的OH氧化了形成碳煙的誘導(dǎo)物。但作者認(rèn)為，CO在進(jìn)氣中比例增加時(shí)碳煙降低的另一原因可能是CO直接參與了反應(yīng)，即CO+Cà2CO。由吉布斯函數(shù)（吉布斯自由能）可算知，和C+HOàCO+H相比，CO+Cà2CO反應(yīng)反生的溫度更低。在形成碳
煙之前，會(huì)生成大量的單質(zhì)碳粒，CO的加入，可能把這些碳粒直接消耗掉，因而造成煙度的降低。且CO濃度和水蒸氣濃度相比，要大的多,又由于CO隨新鮮空氣一起進(jìn)入氣缸，因而分布更均勻,所以CO+Cà2CO反應(yīng)更容易反生。由圖5(b)可知，最高平均溫度都在2100K之上，局部溫度會(huì)更高，完全具備CO氣體和碳粒發(fā)生反應(yīng)的溫度條件。
因此，進(jìn)氣中CO比例較大時(shí)碳煙大幅降低的原因主要是CO的熱效率（比熱容較大，延長(zhǎng)了滯燃期）和CO的化學(xué)效應(yīng)（直接和生成的單質(zhì)碳粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)）。
圖6(a)是循環(huán)噴油量50mg時(shí)不同進(jìn)氣成分
a)CO排放對(duì)比
b)缸內(nèi)平均溫度
圖6CO排放對(duì)比和缸內(nèi)平均溫度
Fig.6ThetemperatureandcomparisonofCO
時(shí)的CO排放對(duì)比，圖6(b)是氧濃度為12%時(shí)，噴入N和EGR缸內(nèi)平均溫度對(duì)比。從圖中可以看出，基本上有兩個(gè)明顯的規(guī)律：一是氧濃度較高時(shí)，雖然三種成分的CO排放較接近，但進(jìn)氣管中噴CO時(shí)CO排放較高些，而進(jìn)氣管中噴N時(shí)CO排放較低些；二是在較低氧濃度時(shí)，由于CO比熱容較大，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)“失火”，進(jìn)氣管噴入
CO不能向更低的氧濃度擴(kuò)展，但和EGR相比，進(jìn)氣管中噴N時(shí)CO排放明顯較高。氧濃度較高時(shí)，進(jìn)氣管噴CO時(shí)CO排放較高的主要原因是缸內(nèi)溫度較低，導(dǎo)致CO排放有所升高。而氧濃度較低時(shí)，圖6(b)表明，壓縮沖程及燃燒初期，EGR溫度較低，但燃燒后期溫度則較高。這是因?yàn)镋GR滯燃期相對(duì)較長(zhǎng)，燃燒速率較快，同時(shí)在溫度達(dá)到峰值后開始降低，CO由于比熱容較大，放出較多熱量，溫度降低速率減慢，因而能氧化更多的CO。
圖7(a)和(b)是噴油量分別為25mg和50mg時(shí)，進(jìn)氣成分對(duì)THC排放影響的對(duì)比。圖中表明，循環(huán)油量為25mg時(shí)，進(jìn)氣管噴N時(shí)THC排放最低，而進(jìn)氣管噴CO時(shí)THC排放最高。而在循環(huán)油量為50mg、低氧濃度條件下，進(jìn)氣管噴N時(shí)THC排放反比EGR的明顯增大。噴油量為50mg時(shí)，THC排放趨勢(shì)與圖6(a)中的CO排放趨勢(shì)是相近的，主要是因?yàn)榈脱鯘舛葧r(shí)缸內(nèi)燃燒后期溫度較高，THC被進(jìn)一步氧化。 而在較小循環(huán)噴油量下，滯燃期較長(zhǎng)生成的THC較多，而燃燒后期較低的溫度不能進(jìn)一步氧化THC。
不過圖6和圖7表明，氧濃度較低時(shí)，CO和THC排放較高，這也是柴油機(jī)低溫燃燒所面臨的問題之一。
a)25mg/cyc
a)50mg/cyc
圖7不同噴油時(shí)THC排放對(duì)比
Fig.7ThecomparisonofTHCwithdifferentinjectionmass
5模擬計(jì)算結(jié)果
圖8是向進(jìn)氣管噴入N時(shí)不同氧濃度條件下，燃燒進(jìn)行到CA50時(shí)缸內(nèi)Φ-T分布，圖9是向進(jìn)氣管噴入CO時(shí)不同氧濃度條件下，燃燒進(jìn)行到CA50時(shí)缸內(nèi)Φ-T分布。圖中表明，當(dāng)向進(jìn)氣管噴入N時(shí)，當(dāng)氧濃度降到13%時(shí)，CA50時(shí)刻仍有部分混合氣進(jìn)入碳煙和NO生成區(qū)域。而當(dāng)向進(jìn)氣管中噴入CO氣體時(shí)，當(dāng)氧濃度降至19%時(shí)，CA50時(shí)刻避開了碳煙生成區(qū)；當(dāng)氧濃度降到15%時(shí)，同時(shí)避開了NO和碳煙生成區(qū)，實(shí)現(xiàn)了較低的碳煙和NO排放。這主要是因?yàn)镃O比熱容較大，降低了缸內(nèi)溫度，這說明提高進(jìn)氣的比熱容或降低壓縮終了溫度是實(shí)現(xiàn)同時(shí)降低碳煙和NO的重要途徑。在氧濃度為19%時(shí)，由于低溫便有部分燃油進(jìn)入U(xiǎn)HC/CO生成區(qū)。雖然這些CO和HC在隨后的燃燒中會(huì)被進(jìn)一步氧化，但由于燃燒后期相對(duì)溫度也較低，因而最后CO和THC排放會(huì)高些，這也與前文結(jié)果一致。從圖8和圖9可知，進(jìn)氣成分對(duì)燃燒路徑影響很大，要實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，實(shí)質(zhì)上也是改變?nèi)紵窂健?br> 圖10是向進(jìn)氣管噴入N時(shí)，CA50時(shí)不同氧濃度下的缸內(nèi)溫度分布，圖11是向進(jìn)氣管噴入CO時(shí)，CA50時(shí)不同氧濃度下的缸內(nèi)溫度分布。圖中表明，在相同的氧濃度下，向進(jìn)氣管噴入N時(shí)，局部高溫區(qū)較多，局部低溫區(qū)也較多。氧濃度為19%時(shí)，局部最高溫度約為2700K，而當(dāng)氧濃度為13%時(shí)，局部最高溫度仍約為2000Ｋ，即隨氧濃度降低，局部最高溫度并沒有大幅降低，這就為NO和碳煙的同時(shí)生成提供了條件之一。氧濃度降低后，NO排放會(huì)減少，但碳煙生成條件完全具備，因而碳煙排放升高，這也與試驗(yàn)結(jié)果一致。和向進(jìn)氣管噴入CO時(shí)相比，缸內(nèi)溫度分布更加不均勻，在低氧濃度下這種現(xiàn)象更加明顯。這主要還是和滯燃期有關(guān)，CO比例較大時(shí)，滯燃期較長(zhǎng)，燃油與空氣混合充分，因而缸內(nèi)溫度分布相對(duì)更加均勻。由于局部過濃區(qū)較少，因而碳煙排放降低，而溫度分布較均勻，又達(dá)不到NO生成溫度，因而NO排放也較低。
a)21%b)19%c)17%
d)15%e)14%f)13%
圖8不同氧濃度時(shí)Φ-T分布（N）
Fig.8Φ-Tdistributionswithdifferentoxygenconcentrations(N)
a)21%b)19%c)17%
d)15%e)14%f)13%
圖9不同氧濃度時(shí)Φ-T分布（CO）
Fig.9Φ-Tdistributionswithdifferentoxygenconcentrations(CO)
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圖10不同氧濃度條件下時(shí)缸內(nèi)溫度分布(N ) Fig.10 The in-cylinder temperature distributions with different oxygen concentrations (N ) |
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圖11不同氧濃度條件下CA50時(shí)缸內(nèi)溫度分布(CO ) Fig.11 The in-cylinder temperature distributions with different oxygen concentrations (CO ) |
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從圖10和圖11對(duì)比也可發(fā)現(xiàn)，在相同氧濃度下，雖然進(jìn)氣中CO比例較大時(shí)缸內(nèi)溫度分布更加均勻，但局部最高溫度仍和進(jìn)氣中N比例較大的工況差別不大。由于NO排放主要受氧濃度和局部最高溫度的影響，也就是說，N和CO的稀釋效應(yīng)對(duì)降低NO排放的效果是相當(dāng)?shù)�，即氧濃度是降低NO排放的主要原因。從圖12三者的NO排放對(duì)比看，在相同氧濃度下，進(jìn)氣中CO比例較大時(shí)，NO并沒有大幅降低。
圖12NO排放對(duì)比
Fig.12ThecomparisonofNOemissions
6結(jié)論
(1)EGR中的N主要起稀釋效應(yīng)，而CO
包括稀釋效應(yīng)、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)等作用。N和CO的稀釋作用對(duì)降低NO排放的效果相當(dāng)，即氧濃度降低是NO降低的主要原因。
(2)在相同氧濃度條件下，進(jìn)氣成分對(duì)燃燒
過程的影響的主要因素是比熱容的影響，CO降低碳煙排放的主要原因是其比熱容較大，延長(zhǎng)了滯燃期，燃油與空氣充分混合并降低燃燒溫度避免了局部過濃區(qū)和高溫區(qū)，從而抑制了碳煙生成。CO與燃燒中生成的碳煙直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)也可能是碳煙排放降低的一個(gè)原因。
(3)數(shù)值模擬結(jié)果表明，進(jìn)氣中加入N
時(shí)，氧濃度在13%時(shí)缸內(nèi)Φ-T分布仍不能完全避開碳煙和NO生成區(qū)；而進(jìn)氣中加入CO，氧濃度降至15%時(shí)就同時(shí)避開了NO和碳煙生成區(qū)域。進(jìn)氣成分對(duì)燃燒路徑影響較大，且CO比例較高時(shí)，滯燃期延長(zhǎng)使缸內(nèi)溫度分布更加均勻。
(4)降低氧濃度和壓縮終了缸內(nèi)溫度，延長(zhǎng)
滯燃期，使燃油與空氣充分混合是實(shí)現(xiàn)同時(shí)降低NO和碳煙排放的重要技術(shù)途徑。
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