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于秀敏, 商震, 张岳韬, 杜耀东. 废气再循环对直喷汽油机燃烧及排放影响的仿真.吉林大学学报:工学版, 2016, 46(4): 1109-1117
YU Xiu-min, SHANG Zheng, ZHANG Yue-tao, DU Yao-dong. Simulation of EGR on combustion and emission of gasoline direct-injection engine. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2016, 46(4): 1109-1117  
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废气再循环对直喷汽油机燃烧及排放影响的仿真
于秀敏, 商震, 张岳韬, 杜耀东
吉林大学 汽车工程学院,长春 130022

作者简介:于秀敏(1960),男,教授,博士生导师.研究方向:内燃机电子控制.E-mail:guoyn@jlu.edu.cn

基金:国家自然科学基金项目(51276079)
摘要

应用计算流体力学(CFD)软件对一台带有废气再循环(Exhaust gas recirculation,EGR)系统的均质缸内直喷(Gasoline direct-injection,GDI)汽油机进气冲程至作功冲程排气门开启时段进行了三维仿真,研究了不同EGR率和过量空气系数 λ对缸内状态及排放特性的影响,探讨了温度场、火焰面密度、NO浓度场、CO浓度场、微粒浓度场等参数的变化趋势。结果表明:EGR率为10%时,能在对燃烧过程影响不大的情况下有效降低排放质量;同时,在缸压稍有下降的情况下, λ=1.1时能有效降低排放质量; λ=1.0时能保持较高的缸压和中等的排放水平。

关键词: 动力机械工程; 汽油机; 缸内直喷; 废气再循环; 燃烧; 排放; 仿真
中图分类号:UK41 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2016)04-1109-09
Simulation of EGR on combustion and emission of gasoline direct-injection engine
YU Xiu-min, SHANG Zheng, ZHANG Yue-tao, DU Yao-dong
College of Automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130022,China
Abstract

In this paper, three-dimensional (3D) simulation was carried out for the process from intake stroke to exhaust valve opening of a Gasoline Direct-Injection (GDI) engine combined with Exhaust Gas Recirculation (EGR) system using Computational Fluid Dynamics (CFD) software. The effects of different EGR rates and excess air factor, λ, on combustion and emission performances were analyzed. The temperature field, flame surface density, NO concentration field, CO concentration field and soot concentration field were also investigated. Simulation results show that the EGR has little influence on the combustion but it can effectively reduce the emission when the EGR rate is 10%. In addition, while the cylinder pressure descends slightly, the emission can be obviously reduced when λ=1.1; while as λ=1.0, the engine has higher cylinder pressure and moderate emission.

Keyword: power machinery and engineering; gasoline engine; gasoline direct-injection(GDI); exhaust gas recirculation(EGR); combustion; emission; simulation
0 引 言

缸内直喷(Gasoline direct-injection, GDI)技术是提升燃油经济性的有效措施之一[1], 但是燃油混合时间短、局部过浓等问题会导致GDI汽油机排放的增加[2], 在目前能源危机和环境问题的双重压力下, 如何实现更清洁、更高效的燃烧则成为发展GDI汽油机的研究重点。

废气再循环(Exhaust gas recirculation, EGR)作为一种有效降低NOx的排放以及改善燃烧质量的技术而被应用到汽油机上[3]。EGR将部分排气引入进气, 降低了泵气损失。同时, 进气量的增加提高了混合气的气流运动速度, 改善了混合气不均的现象, 高温的废气也有助于燃油的雾化。另外, 引入废气的比热容提高, 可以降低缸内燃烧温度, 减少传热损失, 从而提升了燃油经济性并降低了NOx等排放[4]。然而国内对EGR的研究在预混合式汽油机上较为成熟[5, 6], 有关GDI的研究尚少。因此, 结合EGR技术进一步改善GDI汽油机燃烧过程并降低有害物排放具有重要的研究意义[7]。

本文应用AVL-FIRE软件对一台带有EGR系统的GDI汽油机自进气冲程开始至排气门打开阶段进行了数值仿真, 研究了均质燃烧条件下EGR率和EGR条件下过量空气系数 λ对缸内燃烧及排放的影响, 探讨了温度场、火焰面密度、NO浓度场、CO浓度场、微粒浓度场等的变化趋势, 为进一步优化GDI汽油机燃烧及排放提供了依据[8]。

1 仿真平台的建立

本文所用仿真模型为某四缸四冲程点燃式GDI汽油机, 该汽油机部分参数如下:缸径为82.5 mm; 行程为84.2 mm; 喷油压力为15 MPa; 压缩比为9.6∶ 1; 喷孔个数为6; 喷雾锥角为50° 。

(1)几何模型

GDI汽油机的几何模型由燃烧室和气道两部分组成, 如图1所示。

图1 几何模型Fig.1 Geometric model

(2)计算网格划分

应用FEP动网格划分工具生成的动网格如图2所示, 在进气阶段网格总数为25~60万, 到活塞运行到下止点时网格数量达到峰值(105万), 压缩和作功冲程的网格数量为27~60万。

图2 不同曲轴转角下的网格状态(截面均为Z方向)Fig.2 Status of grid under different CA(Z-direction)

(3)模型选择

根据实际工况确定各数值模型。湍流模型选择 k-ζ-f模型; 蒸发模型选择Dukowicz模型[9]; 破碎模型选择Huh-Gosman模型[10]; 碰壁模型选择Walljet模型[11]; 燃烧模型选择相关火焰模型[12]; NOx模型选择扩展的Zeldovich模型[13]; SOOT模型选择Frolov Kinetic Model模型[14]。

(4)边界条件

温度边界设定为恒温边界, 具体数值如下:进气道壁面为330 K; 气缸套内壁为450 K; 燃烧室顶面为550 K; 活塞顶面为600 K。

(5)模型有效性验证

如图3所示, 模拟的缸压值与通过发动机台架试验采集的实际缸压值符合度达标, 说明此模型为有效模型。

图3 气缸压力模拟值与实际记录值对比Fig.3 Comparison between simulation value and actual value of cylinder pressure

2 计算结果及分析

本文数值计算的设定工况为均质燃烧模式, 所以燃油在进气冲程初期喷入, 设定喷油提前角为320 ° CA BTDC; 点火提前角为23 ° CA BTDC; 转速为2000 r/min; EGR供给方式为外部EGR。

2.1 EGR率对燃烧过程的影响

分别取EGR率为0、5%、10%、15%、20%和25%, 每循环喷油量为32.7 mg, 过量空气系数为1。图4为不同EGR率对缸内各参数的影响。

图4 不同EGR率对燃烧过程各参数的影响Fig.4 Effects of different EGR rates on parameters of combustion process

如图4(a)所示, 由于喷油量和 λ保持不变, 所以进气总量会随着EGR率的升高而增加, 因此压缩阶段EGR率为25%的缸压曲线最高。点火时刻的缸内压力越高, 越有助于火核的形成和火焰传播; 但是废气的增加会阻碍燃烧的正常进行。因此EGR率不大于10%时峰值只是略有下降, 继续增大后, 峰值下降明显。

图4(b)表明EGR率越大对燃烧的阻碍作用越显著, 所以缸内温度峰值随EGR率升高而下降后移。由图4(c)可知, 燃烧等容度降低, 更多的燃料在活塞下行时燃烧, 导致燃烧后期温度随EGR率的升高而缓慢下降, 燃烧持续期延长, 放热率峰值下降且角度后移。

2.1.1 EGR率对温度场的影响

分别对上述EGR率下缸内温度场的仿真结果做截面图, 如图5所示。不同EGR率的温度场变化规律基本相似:点火初期高温区域集中在靠近燃烧室顶部火花塞附近, 随着燃烧反应的进行, 高温区域逐渐向排气门侧转移, 温度场呈现出温度梯度递减。同时缸内温度及高温分布区域随着EGR率的升高而逐渐降低。

图5显示燃烧室边缘靠近进气门侧的区域出现了一块低温区, 并随着EGR率的升高, 低温区域面积越来越大, 且温度梯度递减的越平缓, 说明燃烧持续期延长、火焰传播速度变慢, 这与图4所得结论相符合。

2.1.2 EGR率对火焰面密度的影响

火焰面密度用来表明混合气燃烧进行的剧烈程度, 数值越高燃烧越剧烈。由图6(a)~(c)可以看出:在EGR率不大于10%时, 355 ° CA出现已燃区域(即燃烧室中间的蓝色空心区域), 且随EGR率的升高逐渐缩小。EGR率为20%时, 355 ° CA还未出现已燃区域, 说明废气中的不可燃气体的阻碍作用使得火焰传播速度变慢。对应相同曲轴转角的温度场截面可知, 已燃区域即为高温区域。

图5 不同EGR率下365 ° CA的温度场变化(截面均为Z方向)Fig.5 Temperature field at 365 ° CA with different EGR rates(Z-direction)

图6 不同EGR率下355 ° CA的火焰面密度变化(截面均为X方向)Fig.6 Flame surface density at 355 ° CA with different EGR rates(X-direction)

2.2 EGR率对排放物生成质量的影响

如图7(a)所示, 生成CO的主要原因是局部缺氧[15], 而EGR会增加进气量、增强气流运动、改善燃烧环境, 同时燃烧持续期增加也会降低CO排放; 但燃烧温度会降低且废气对火焰传播产生阻碍作用, 所以总体来说, 在未达到燃烧恶化的EGR率以前, 其对CO排放几乎不产生影响。但EGR率对NO排放的抑制作用却十分明显, 如图7(b)所示, 一切导致发动机燃烧室温度升高的因素都将使NO的生成量增加[13], 所以在喷油量和 λ保持不变的条件下, NO的生成量与缸内的燃烧温度密切相关。已燃混合气停留区域的温度场总体随EGR率的升高而降低, 从而使得NO的生成质量大大减少。在仿真模拟中SOOT的生成量是与燃烧温度及混合气浓度密切相关, 如图7(c)所示, EGR率的引入会改善混合气的分布状态, 但降低了燃烧温度, 综合作用导致SOOT质量在EGR率较高但未达到燃烧恶化时逐渐降低。

图7 不同EGR率对排放物生成质量的影响Fig.7 Effects of different EGR rates on emissions

2.2.1 EGR率对NO浓度场的影响

分别提取前述EGR率下NO浓度场的仿真截面图, 如图8所示。对比温度场和火焰面密度的截面图可知, NO浓度最高的区域对应着温度场温度最高的区域, 即已燃区域。并且随着燃烧的进行, 火焰会继续传播, 火焰面的后方即高温区域逐渐扩大, NO的浓度分布也越来越大。随着EGR率的升高, 温度场总体呈下降趋势, 所以NO的浓度也相应地减少, 且减少的幅度明显。

图8 不同EGR率下370 ° CA的NO浓度场变化(截面均为Z方向)Fig.8 NO concentration field at 355 ° CA with different EGR rates(Z-direction)

2.2.2 EGR率对SOOT浓度场的影响

如图9(a)~(c)所示, 在370° CA下SOOT浓度较高的区域集中在靠近气门的两侧, 并对比火焰面密度的截面图可知, SOOT浓度分布与火焰面密度分布相似, 说明SOOT生成在火焰面前锋处。随着EGR率的升高燃烧持续期会增长, 当火焰传播过后SOOT会在已燃区域进一步发生氧化, 所以在未达到燃烧恶化的EGR率以前, SOOT浓度会随着EGR率的升高而有降低的趋势, 且大部分集中分布在靠近气门附近的低温区域。燃料的不完全燃烧也会产生SOOT, 而EGR的引入会增大进气量, 改善混合气的分布状态, 有利于降低SOOT的生成。

图9 不同EGR率下370 ° CA的SOOT浓度场变化(截面均为X方向)Fig.9 SOOT concentration field at 370 ° CA with different EGR rates(X-direction)

2.3 过量空气系数对燃烧过程的影响

由2.1、2.2节可得, EGR率为10%时, 能在对燃烧过程影响不大的情况下有效降低排放质量, 所以设定EGR率恒为10%, 在不改变转速、喷油角等设置下, 保持进气量不变而改变每循环喷油量, 使过量空气系数变为0.9、1.0、1.1和1.2四种情况, 其中2.1、2.2节中EGR率为10%的仿真结果即过量空气系数为1.0的情况。

图10(a)为缸压随λ的变化曲线,可以看出λ为0.9时接近功率混合气, 有利于燃烧, 所以缸压曲线最高。值得指出的是λ为1.2时,已经出现了燃烧恶化的情况,压力峰值明显下降。额外空气的稀释作用和废气的阻碍使得缸内温度峰值随λ的增加而下降后移;燃烧定容度下降,会减少活塞在上止点附近时的燃料燃烧,导致放热率峰值降低;燃烧持续期的增长,λ及废气中的不可燃气体对火焰传播的阻碍, 也会导致放热率峰值角度相应的后移(见图10(b)~(d))。

图10 不同过量空气系数对燃烧过程各参数的影响Fig.10 Effects of different excess air factors on parameters of combustion process

2.3.1 过量空气系数对温度场的影响

分别提取前述λ下的缸内温度场仿真截面图,如图11所示。额外空气的稀释作用和废气的阻碍使得缸内温度及高温分布区域随λ的增加而降低。缸内温度场从火花塞附近的燃烧初期区域到燃烧室四周呈梯度递减靠近气门侧的燃烧室边缘出现低温区域,且随着λ的增加低温区域分布范围越来越大、温度梯度递减越来越平缓, 说明火焰传播速度变慢、燃烧持续期增长, 这与图10所得结论一致。

图11 不同过量空气系数下365 ° CA的温度场变化(截面均为Z方向)Fig.11 Temperature field at 365 ° CA with different excess air factors(Z-direction)

2.3.2 过量空气系数对火焰面密度的影响

图12为火焰面密度变化, 可以看出:当 λ小于1.1时, 355° CA已经出现已燃区域, 但随 λ的增加已燃区域逐渐缩小; λ增大到1.2时未出现已燃区域, 说明额外空气的稀释作用以及废气的阻碍对火焰传播的影响较大, 燃烧已经开始恶化。

图12 不同过量空气系数下355 ° CA的火焰面密度变化(截面均为X方向)Fig.12 Flame surface density at 355 ° CA with different excess air factors(X-direction)

2.4 过量空气系数对排放物生成质量的影响

如图13(a)所示, CO的生成质量随λ 的变化非常明显。

图13 不同过量空气系数对排放物生成质量的影响Fig.13 Effects of different excess air factors on emissions

当 λ为0.9时混合气为浓混合气, 再加上引入EGR, 造成局部缺氧现象比较严重; 但随着 λ的继续增加, 混合气由浓到稀, 气流的运动得到增强, 改善了局部缺氧的燃烧环境, CO的生成质量大大降低。图13(b)表明: λ为0.9时的混合气接近功率混合气, 有利于燃烧, 满足高温条件但不满足富氧条件, 因此NO生成量接近中等; 当 λ为1.0时, 温度基本保持不变但氧浓度增加, 所以NO生成质量会有所上升; 再随着 λ的增加, 虽然额外空气越来越多, 但燃烧温度下降, 由于燃烧温度对NO的生成量占据主导影响因素, 所以NO生成质量反而下降。SOOT生成质量随 λ的变化如图13(c)所示, 当 λ为0.9时, 局部燃烧不完全导致SOOT的生成质量较高; 随着 λ的增加, 局部燃烧不完全现象得到了改善, 所以SOOT的生成量逐渐下降; 当 λ增加到1.2时, 加上燃烧温度降低较多的影响, SOOT的生成量基本与 λ为1.1时一样。

2.4.1 过量空气系数对NO浓度场的影响

分别对前述 λ下NO浓度场的仿真结果做截面, 如图14所示。NO浓度随 λ的变化幅度没有EGR率对其影响大, 呈先升高再降低的趋势, 与图13(b)所得结论一致。NO浓度最高的区域对应着温度场温度最高的区域, 且高温区域会随着火焰的传播向燃烧室四周扩散, NO的浓度分布也越来越大。

图14 不同过量空气系数下370 ° CA的NO浓度场变化(截面均为Z方向)Fig.14 NO concentration field at 370 ° CA with different excess air factors(Z-direction)

2.4.2 过量空气系数对SOOT浓度场的影响

如图15所示, 随着燃烧的进行, SOOT浓度较高的区域集中在靠近气门两侧, 对比火焰面密度的截面图可以发现, SOOT浓度分布与火焰面密度分布较为相似, 并且大部分出现在靠近排气门附近的低温区域, 说明了火焰向排气门方向的传播速度要快于向进气门方向的传播速度, 这是由于受到缸内气流从进气门向排气门一侧流动的影响。

图15 不同过量空气系数下370 ° CA的SOOT浓度场变化(截面均为X方向)Fig.15 SOOT concentration field at 370 ° CA with different excess air factors(X-direction)

3 结 论

(1)综合燃烧过程各参数以及排放质量, EGR率为10%时, 相比EGR率为0时, 缸内压力峰值下降1.04%、放热率峰值下降13.42%, 但NO生成质量降低26.9%, SOOT生成质量降低50.8%, 说明在对燃烧过程影响不大的情况下EGR率为10%能有效降低排放质量。

(2)综合燃烧过程各参数以及排放质量, λ =0.9时, 相比λ =1.0时, 缸内压力峰值增加6.17%、放热率峰值增加18.48%, 但CO生成质量增加了523.61%、SOOT生成质量增加了168.12%, 说明在EGR条件下 λ小于1会产生燃烧恶化的现象, 实际中应该加以避免。λ =1.1时, 相比λ =1.0时, 缸内压力峰值下降10.79%、放热率峰值下降30.11%, 但CO生成质量下降84.19%、SOOT生成质量下降41.67%, 说明在缸压稍有下降的情况下, λ =1.1能有效降低排放质量; λ =1.0时能保持较高的缸压和中等的排放水平。

The authors have declared that no competing interests exist.

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