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中高转速下不同EGR率对氢发动机性能的影响研究

2020-02-25秦智超杨振中孙永生

汽车实用技术 2020年2期
关键词:缸内转角内燃机

秦智超 杨振中 孙永生

摘 要:文章通过对中高转速(4500rpm)氢发动机进行CFD模拟,研究不同EGR率对燃烧性能及排放性能的影响。结果表明:相同负荷下EGR率增加对缸内燃烧进程影响明显,最高压力、温度减小,发动机动力性能降低,NOx排放降低显著,进一步增加EGR率会导致反应期滞后严重,甚至无法完全燃烧,严重影响发动机的功率输出,因此在不同工况下对EGR率的选取十分重要。关键词:数值模拟;氢燃料发动机;废气再循环;燃烧排放性能中图分类号:U464  文献标识码:A  文章编号:1671-7988(2020)02-49-03

Abstract: In this paper, the CFD simulation of a medium and high speed (4500rpm) hydrogen engine is carried out to study the effects of different EGR rates on combustion performance and emission performance. The results show that the increase of EGR rate under the same load has obvious influence on the in-cylinder combustion process, the maximum pressure and temperature decrease, the engine power performance reduces, and the NOx emission decreases significantly. Further increase of EGR rate will lead to lag in the reaction period or even incomplete combustion seriously. what's more, the power output of the engine is reduced seriously, so the selection of the EGR rate is very important under different working conditions.Keywords: Numerical simulation; Hydrogen-fueled engine; EGR; Combustion emission performanceCLC NO.: U464  Document Code: A  Article ID: 1671-7988(2020)02-49-03

前言

由于化石燃料不斷损耗所造成的能源危机和环境污染问题已经尤为突出[1],车辆保有量的逐年提升[2],内燃机对传统燃料的依赖性不断增强,一直以来,节能减排是发动机发展的方向。

氢燃料完全燃烧产物只有水,是一种理想的替代燃料。但是由于氢的燃烧反应温度较高导致在高温环境下将空气中的N2氧化成NOx,且在较高负荷下NOx生成量较多,无法满足排放法规的要求。

针对上述问题,Pranav V. Kherdekar等人[3]利用数值模拟开发了NO生成模型,表明NO浓度不仅取决于缸内温度峰值,还取决于缸内温度的时间变化。Sharma R等人[4]研究了超稀薄条件下NO的生成规律,发现在超稀薄燃烧条件能够确保燃烧温度足够低,NOx生成速度足够慢,能够有效降低NOx排放。

废气再循环(exhaust gas recirculation;EGR)技术的出现,有效地改善了内燃机的性能,尤其是降低柴油机中的NOx排放以及减少汽油机中的爆震现象[5][6]。Amr Ibrahim 等人[7]利用EGR系统改善天然气发动机的性能,发现冷却的EGR可以在高压缩比条件下显着降低NO排放。

在氢内燃机中使用EGR系统,能够有效地降低燃烧温度,对NOx排放以及氢内燃机异常燃烧有明显的作用,因此本文通过AVL-Fire软件对单缸氢发动机进行模拟,研究不同EGR率对氢发动机性能的影响。

1 模型选取及方案设定

1.1 发动机模型网格划分

对一台单缸发动机进行建模和网格划分,其主要结构参数为:缸径94mm、行程85mm、压缩比9.7、连杆长度137mm,利用对称性建立三维模型减少计算量,模型及网格划分如图1所示。

1.2 初始边界条件选取

选取合适的初始条件和边界条件能够有效地提升模拟计算的准确性,本模型根据经验值及预模拟设置的初始条件为:进气道温度293K、压力0.1Mpa;排气道温度900K、压力0.106Mpa;边界条件设置为:进气道温度300K、压力0.1Mpa;排气道温度600K、压力0.106MPa,活塞温度600K。

1.3 计算模型及试验方案

本文模拟计算一个循环,曲轴转角为351~1071°CA,其中压缩上止点为720°CA,具体范围如表1所示。通过模拟计算4500rpm、中高负荷下不同EGR率对氢发动机性能的影响,点火时刻为702°CA,EGR率设为0、0.05、0.1、0.15、0.20五组进行对比研究。

2 模拟结果及数据分析

2.1 对燃烧放热的影响

图2为不同EGR率对最大放热率和实际当量比的影响。图3表示EGR率对燃烧进程的影响。纵坐标表示燃烧进程,定义从0.1到0.9为主燃烧阶段,可以发现增加EGR率导致主燃烧期对应的曲轴转角的不断增加和推迟。无EGR时主燃烧从704°CA开始,持续期仅为12°CA,此时最高放热率为62J/deg;当EGR率增加到0.2时燃烧从718°CA持续到780°CA,放热缓慢,最高放热率仅为8.7J/deg,对发动机的功率输出影响严重。EGR率对放热影响明显,而燃烧过程又是放热率的具体体现,EGR率依次增加到0.15时,最大放热率接近线性减小;继续增加至0.2后,燃烧极度恶化。主要原因燃料浓度对氢燃料燃烧速度影响明显,增加EGR后改变了缸内混合气的成分,随着EGR率的不断增加,燃料稀释度增加,同时缸内新鲜空气量减少导致氧气浓度降低,燃烧速度降低。

2.2 对温度压力的影响

图4和图5表示不同EGR率下缸内平均压力和平均温度随曲轴转角的变换趋势。EGR的增加使得缸内最高压力和温度逐渐降低,且降低趋势逐渐增加;同时各EGR率下最高温度和最高压力所在的曲轴转角也不一致,整体趋势随着EGR率的增加,最高点出现的曲轴转角逐渐增加,这与主燃烧阶段的增加和推迟相关。无EGR时缸内最高压力为60bar,EGR率为0.15时,最高压力降为38bar。而EGR为0.2时最高缸内压力为28bar,此时曲线与纯压缩曲线接近。无EGR时最高温度为2770K,EGR率为0.15时,最高温度为2230K。在EGR率为0.2时,最高温度出现在790°CA,表明在该EGR率下燃烧阶段已经严重推迟,缸内温度下降明显且在做功后期温度较高,后燃现象明显。

2.3 对NO排放的影响

图6表示EGR率对氢发动机NO排放的影响。可以发现此时增加EGR对NO的排放改善明显。

一方面,增加EGR后对缸内新鲜充量进行稀释,另一方面,由于EGR的引入而导致氧气量的减少,尤其是在EGR率为0.15时,此时NO排放接近为0,其主要原因在于大量EGR的引入导致此时缸内的氧气浓度较低,此时当量比、温度较高,但氧气不足,造成NOx降低;增加到更高的EGR

率(0.2)时由于温度和氧气量均不高,尽管燃烧能够达到NO生成的温度,但H2反应活性高,此时氧气主要与H2反应,排放几乎为零。

3 结论

氢燃料能够在较宽的浓度范围内进行燃烧,有利于EGR的引入。在4500rpm、中高负荷下进行氢内燃机试验表明,氢内燃机的主要排放污染物为NO,且在中高负荷时排放量较高,EGR是降低NO排放的有效方式,提高EGR率能够显著的减少NO排放。

尽管在排放方面的效果明显,但随EGR率的增加,降低了氫燃料的燃烧速度,导致主燃烧期的延长和推迟;EGR也增加了缸内的稀释效应和比热容效应,导致放热率降低;缸内温度和压力降低趋势明显,导致功率输出不足。因此需要结合发动机的动力性、排放性和经济性,在不同的工况下选取合适的EGR率来优化整机性能。

参考文献

[1] BP世界能源统计年鉴2017.[EB/OL].https://www.bp.com/zh_cn/ china/reports-and-publications/_bp_2017-_.html.

[2] 2017年中国机动车污染防治年报.[EB/OL]. https://www.zhb.gov. cn/gkml/hbb/qt/201706/t20170603_415265.html.

[3] Kherdekar P V, Bhatia D. Simulation of a spark ignited hydrogen engine for minimization of NOx emissions[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2016:S0360319916330920.

[4] Sharma R, Dennis P, Manzie C, et al. Real time model predictive idle speed control of ultra-lean burn engines: Experimental results[J]. 2011.

[5] Maiboom A,Tauzia X , Jean-Fran?ois Hétet. Experimental study of various effects of exhaust gas recirculation (EGR) on combustion and emissions of an automotive direct injection diesel engine[J]. Energy, 2008, 33(1):22-34.

[6] Fontana G, Galloni E. Experimental analysis of a spark-ignition engine using exhaust gas recycle at WOT operation[J]. Applied Energy, 2010, 87(7):2187-2193.

[7] Ibrahim A, Bari S. Optimization of a natural gas SI engine employing EGR strategy using a two-zone combustion model[J]. Fuel, 2008, 87(10-11):1824-1834.

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