EGR对高压共轨柴油机晚喷燃烧特性的影响

付哲，崔向佩

（中原工学院 工业训练中心，河南 郑州 451191）

引言

柴油机以其动力性、经济性和可靠性等优点被广泛应用于商用车和乘用车中。然而，传统柴油机的扩散燃烧方式决定了NOx与烟尘排放之间的权衡关系，同时降低这两种排放存在困难。为满足日益严格的排放法规要求，近年来国内外广泛开展新型燃烧方式的研究[1-5]，如均质充量压缩点火燃烧（HCCI)、预混合燃烧（PCCI）、MK燃烧和低温燃烧（LTC）等。其中MK燃烧是一种比较典型的晚喷燃烧方式[1-2]，其喷油始点在-7oATDC～3oATDC之间变化。与其他燃烧方式相比，MK燃烧的燃烧相位控制相对容易，这是因为推迟喷油可以使燃烧与喷油不完全分开，从而实现燃烧相位的有效控制。与其他新型燃烧方式一样，MK燃烧采用了大量的EGR。EGR降低了氧浓度和缸内温度，使NOx排放大量降低。在柴油机晚喷燃烧方式中，EGR是关键技术之一。为了更好的理解柴油的晚喷燃烧特性，本文将KIVA-3V三维仿真平台应用于某6缸高压共轨柴油机，研究了EGR对其燃烧和排放特性的影响。

1 计算模型及模型验证

本文以一台某型 6缸高压共轨柴油机发动机为研究对象，其基本参数如表1所示，研究工况的喷油始点为2oCA，属于晚喷燃烧范畴。该发动机有对称结构的燃烧室，采用中间对称布置的8孔喷油器，工程中的计算域通常取1/8气缸作，计算网格中方法采用的采用狭隙填充容积法，充分与实际压缩比一致性[3]。网格采用 KIVA-3V的网格生成工具K3PREP生成。下止点时刻和上止点时刻的网格单元数分别为27020和5900。模拟计算时，仅改变EGR率，保证其他参数不变，EGR为0%～60%。

表1 某型柴油机发动机基本参数

本文对柴油机进行缸内数值模拟采用KIVA-3V程序[4]，利用RNG κ-ε模型对中湍流模型进行求解，采用KH-RT模型仿真雾化模型，采用shell模型建立点火模型，采用特征时间燃烧模型（CTC）求解湍流燃烧模型，采用 Han和 Reitz的温度壁面函数计算传热模型，分别采用扩展的 Zeldovich机理和 Hiroyasu&Nagle模型[5]对 NOx和碳烟进行预测。以进气门关闭时刻（-143°CA ATDC）为计算始点，计算初始缸内压力和温度在试验数据的基础上计算得到[6]，分别为0.1284MPa和349K。

图1 EGR=0%时的缸内压力和放热率对比

图2 EGR=20%时的缸内压力和放热率对比

图1和图2分别为不同EGR率工况缸内平均压力和放热率计算值与试验值的对比。可以看出，缸内平均压力和放热率的计算值都与试验值吻合良好。缸内平均压力、放热率与试验值值吻合较好，表明计算模型是合理的，可用于后期三维仿真研究。

2 EGR对缸内混合气分布的影响

EGR技术致使发动机缸新鲜内的O2浓度降低，延长了缸内混合气达到点火条件所需的时间；因为EGR中含有大量的CO2和H2O，会引起缸内工质的比热容增加，燃油喷射时期的缸内温度显著降低。

图3 CA50时刻EGR对缸内当量比分布的影响

发动机点火延迟的增加使得油气混合时间增加，会改善点火过程中缸内油气混合的状况。图3分别为CA50时刻EGR（分别为0%、30%、50%和60%）对缸内当量比分布的影响，从图可以看出，ERG的引入会使点火中滞燃期增加，使空气与燃油的混合时间延长，但如前文所述，EGR技术会使缸内混合气体中的O2浓度降低。两项技术相互作用后，呈现燃油分布更加均匀，点火时缸内当量比随随着EGR率的增加而降低。

3 EGR对燃烧特性的影响

在晚喷条件下，EGR对燃烧过程的影响主要体现在两个方面：（1）引用EGR技术后，出现工质的比热容升高而缸内平均温度降低的现象，由理想气体状态方程可知，温度越低，压力越低。（2）晚喷使得燃烧过程通常发生在上止点之后，加入EGR后，滞燃期增加，点火时刻推迟，使得燃烧过程更加远离上止点，从而导致缸内压力降低。图4为EGR率对缸内平均压力的影响，随着EGR率的增加缸内平均压力逐渐降低，发动机动力性能显著降低。

图4 EGR对缸内平均压力的影响

图5 EGR对缸内平均温度的影响

引入EGR后，缸内工质比热容的增大和燃烧过程的恶化还会导致缸内温度的降低。图5为EGR对缸内平均温度的影响，可以看出，随着EGR率的增加，燃烧过程的缸内平均温度显著降低。图6为CA50时刻EGR率对缸内温度分布的影响。可以看出，随着EGR率的增加，缸内高温区域明显减少，并且缸内温度分布的差异由于缸内燃油分布状况的改善而明显减小。当 EGR为 60%时，缸内燃烧区域的温度基本都在1900K以下。

图6 CA50时刻EGR对缸内温度分布的影响

4 EGR对NOx排放特性的影响

研究结果显示，热NO在柴油机的燃烧中占主导地位，它是在高温富氧条件下产生的，为减少有效NOx排放可以从降低缸内温度和新鲜充量的氧浓度两方面入手[7]。图7为对NOx排放与EGR率的影响，从下图中可知，随着EGR率的增加NOx排放急剧降低。随着EGR率从0%逐渐增加到40%时，NOx排放从1440×10-6降低到27×10-6，降低了98%，并且进一步增加EGR率对降低NOx排放的效果不明显。

图7 EGR对NOx排放的影响

图8 CA50时刻EGR对NOx排放质量分数分布的影响

图8 为CA50时刻EGR对NOx排放质量分数分布的影响。与CA50时刻的缸内温度分布图对比（图6）可知，NOx排放主要分布在缸内的高温区域，缸内局部温度越高则NOx排放越高。据研究发现，当缸内局部温度大于1900K时就会生成NOx排放，而低于1900K的区域则几乎没有NOx排放的生成[8]。从图中可以看出，随着EGR率的增加，缸内高温区域和最高温度都逐渐降低，从而导致NOx排放逐渐降低。当EGR率等于0时，缸内最高温度高达2600K左右，并且该高温区域所占面积比较大，从而导致 NOx排放的大量生成。当 EGR率为 60%时，缸内温度分布均匀且基本都低于1900K，因此，其NOx排放的生成量非常低。

5 结论

利用KIVA-3V三维仿真平台，研究了晚喷下EGR对高压共轨柴油机油气混合过程、燃烧特性和排放特性的影响。随着EGR率的增加，滞燃期增大，点火燃烧时的缸内当量比降低，并且燃油分布更加均匀。缸内平均当量比逐渐增加，燃烧过程逐渐恶化，缸内平均压力、缸内平均温度和发动机动力性能降低。另外，缸内油气混合状况的改善使缸内高温区域和缸内温度分布差异明显减小。随着 EGR率的增加，NOx排放显著降低。