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天然氣發(fā)動機(jī)的數(shù)值探究論文
高低壓EGR回路(HL)
從渦前取廢氣,經(jīng)冷卻后匯合到即將進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣中,EGR回路中較容易形成壓差。這低壓EGR回路(LP)從渦后取廢氣,經(jīng)冷卻后匯合到即將進(jìn)入種情況下改變排氣歧管壓力會改變缸內(nèi)殘余廢氣量(即內(nèi)部EGR)。該回路一般是分別從兩側(cè)歧管取廢氣,使得各缸排氣歧管的壓力相似,因?yàn)槿绻麅H從一側(cè)取氣,會使得另外一側(cè)的排氣歧管壓力較高,不利于在各缸中進(jìn)行EGR優(yōu)化。GT—Power計算模型的建立缸內(nèi)的燃燒采用Wiebe函數(shù)模型,缸內(nèi)氣體與缸壁的傳熱采用半經(jīng)驗(yàn)半理論的沃西尼(Woshni)模型,傳熱壁面的溫度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定。根據(jù)發(fā)動機(jī)工況進(jìn)行參數(shù)調(diào)整后,所建立的發(fā)動機(jī)模型缸壓計算值與實(shí)測值很接近。計算結(jié)果EGR閥關(guān)閉時回路及管徑對原機(jī)的影響表4示出2200r/min,100%負(fù)荷工況下安裝不同EGR回路后,在EGR閥關(guān)閉時,發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量和渦前流量的變化情況。可見,高壓回路對原機(jī)沒有影響,而高低壓和低壓回路的進(jìn)氣量有較大的減少,且兩者減少的幅度相同。高壓和高低壓回路是從渦前取廢氣,高低壓和低壓回路是在壓氣機(jī)前進(jìn)廢氣,由此說明,取廢氣的位置在渦前或者渦后對原機(jī)的進(jìn)氣量影響不大,但是進(jìn)廢氣的位置對原機(jī)的進(jìn)氣量影響較大。壓氣機(jī)前進(jìn)廢氣口的存在使得進(jìn)氣壓力下降,進(jìn)氣量減少。進(jìn)一步的計算表明,改變EGR管路長度或EGR閥門的位置對該狀況影響不大。因此,如果采用高低壓回路或低壓回路,需要重新考慮與增壓器的匹配。不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下EGR系統(tǒng)對原機(jī)的影響100%負(fù)荷下,采用高低壓回路后EGR閥關(guān)閉時不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣流量及渦前流量的變化情況�？梢�,發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越低,EGR系統(tǒng)對原機(jī)的影響越小。EGR閥打開對原機(jī)的影響當(dāng)EGR閥打開、糰=1時,發(fā)動機(jī)各參數(shù)的變化見表7。對于高低壓系統(tǒng)來說,EGR閥開度較大時,由EGR系統(tǒng)引起的進(jìn)氣壓力的減小以及增壓器廢氣能量的減少,使得總的空氣進(jìn)氣量減少,即模型中的增壓器與發(fā)動機(jī)不匹配,將會使輸出功減少,氣耗上升。減小閥門開度即加濃混合氣有可能提高輸出功率,但是會使得NOx的排放不能達(dá)到預(yù)期的效果,因此唯一的辦法是重新匹配增壓器。高壓系統(tǒng)在計算中獲得較好的效果,主要是因?yàn)镋GR系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)和原增壓器匹配的影響較小。從EGR流量所占總進(jìn)氣流量的比例來看,從大到小依次為HL,HP,LP,因此如果考慮用EGR代替空氣來對燃?xì)膺M(jìn)行稀釋,在增壓器匹配的情況下HL更容易實(shí)現(xiàn),因此下文將討論采用HL回路時EGR對CNG發(fā)動機(jī)性能的影響。
EGR對CNG發(fā)動機(jī)性能的影響
對3個工況點(diǎn)(2200r/min,1800r/min,1200r/min的100%負(fù)荷)進(jìn)行缸內(nèi)燃燒過程的三維計算,比較采用不同的EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)對糰=1的混合氣進(jìn)行稀釋后的燃燒情況,并與原機(jī)純空氣稀釋的情況進(jìn)行對比。仿真模型的建立在Fire中建立仿真模型,湍流模型采用壓縮修正后的k-ε雙方程,燃燒模型采用相干火焰模型(火焰面密度模型),NOx生成模型采用澤爾維奇擴(kuò)展模型�；钊W(wǎng)格模型。計算從進(jìn)氣門關(guān)閉時刻(597°曲軸轉(zhuǎn)角)開始,到排氣門開啟時刻(822°曲軸轉(zhuǎn)角)結(jié)束(壓縮上止點(diǎn)為720°曲軸轉(zhuǎn)角)。設(shè)缸內(nèi)初始狀態(tài)的壓力、溫度處處均勻。邊界條件根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定,活塞表面溫度為590K,缸蓋壁面溫度為550K,缸套壁面溫度為410K。給定進(jìn)氣門關(guān)閉時刻缸內(nèi)壓力、溫度、湍動能、渦流強(qiáng)度、EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)、空燃比及點(diǎn)火提前角�；鸹ㄈ挥诟滋渍醒�,凸出缸蓋底面5mm,火焰為直徑3mm的球形,點(diǎn)火持續(xù)時間為0.0003s,初始火焰密度200m-1。調(diào)整計算模型參數(shù),使其與實(shí)機(jī)盡可能接近計算結(jié)果2200r/min,100%負(fù)荷工況點(diǎn)圖10示出缸內(nèi)主要參數(shù)計算結(jié)果的比較。對于糰=1的混合氣來說,隨著EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,缸內(nèi)壓力、溫度、放熱率均有明顯降低,從而導(dǎo)致功率下降、氣耗上升,但是NO生成的降幅更大(圖略)。對于該工況點(diǎn)來說,當(dāng)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.32的EGR對糰=1的混合氣進(jìn)行稀釋時,其缸壓與原機(jī)用純空氣稀釋、糰=1.55的情況比較接近,而NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅度減少,只有原機(jī)的1/5~1/4,但是氣耗率有所升高。如果要使氣耗率保持原有水平,則要減小EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù),約為0.3,這時NO生成量約為原機(jī)的2/3。圖10中4種情況的燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.463%,3.934%,3.836%,3.672%,也就是說,使用EGR對混合氣進(jìn)行稀釋時,要獲得與使用純空氣稀釋的相近缸壓,需要較濃的混合氣。另外對于糰=1這種空燃比較小的情況而言,缸內(nèi)過程對EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化比較敏感,0.01的EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化都會使得缸內(nèi)的壓力和溫度產(chǎn)生較大的變化。1800r/min,100%負(fù)荷工況點(diǎn)。
結(jié)論
EGR閥關(guān)閉時,高壓(HP)回路對進(jìn)氣量沒有影響,而高低壓(HL)和低壓(LP)回路的進(jìn)氣量有較大的減少;EGR管徑越小,EGR系統(tǒng)對原機(jī)進(jìn)氣流量的影響越大;發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越低,EGR系統(tǒng)對原機(jī)的影響越小;高壓回路由于其壓差較大,因此較容易獲得較大的EGR率;綜合各項(xiàng)性能指標(biāo),各工況點(diǎn)都相應(yīng)較優(yōu)的EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù):2200r/min,100%負(fù)荷工況點(diǎn),EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3時較優(yōu);1800r/min,100%負(fù)荷工況點(diǎn),EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25時較優(yōu);1200r/min,100%負(fù)荷工況點(diǎn),EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1時較優(yōu)。
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