应用科学学报, 2010
ISSN 1812 - 5654
copy;2010年亚洲网络科学信息
使用CFD分析喷油正时和EGR对直喷式柴油机性能和排放的影响
A. Gunabalan, P. Tamilporai and R. Ramaprabhu
Department of Mechanical Engineering, College of Engineermg,
Guincly Anna University Chennai, Chennai-600 025, Tamilnadu, India
摘要：本研究的目的是探讨提前喷射和EGR对柴油的性能与排放的影响。整个计算的研究是采用商业建模代码STAR-CD CFD。使用这个代码，提前喷射和EGR率随时间变化，以探讨它们对污染物排放的影响。喷油定时和EGR率进行了优化以达到更好的柴油的性能与排放。由于严格的排放标准，目前迫切需要解决汽车尾气排放控制的问题和相关技术问题。氮氧化物和PM是柴油机排放的主要污染物。燃油喷射系统是柴油机的核心，随着电控燃油喷射技术的发展，多次喷射、高喷射压力、延迟喷油定时、EGR率和高涡流比等都被用来提高性能和减少排放。燃料的燃烧也可以优化，从而减少操作和减少排放。每种技术都有各自的优缺点，当这些技术同时使用时，它们之间存在着很强的相互作用。
关键词：计算流体力学，氮氧化物，颗粒物，上止点，下止点。
引言
直喷式柴油机比其他所有发动机都具有更高的热效率，它既适用于轻型车辆又适用于重型车辆。然而，直喷式柴油机排放的颗粒物和氮氧化物比它们的对应物要多，因此减少这种排放是最紧迫的。因此，许多技术，如高压喷射，多次喷射(Okude et al.， 2007)延迟喷射时间，EGR, HCCI模式操作(Miyamoto et al.， 1999)和高涡流比已经被用于高效的直喷式柴油发动机，以减少污染物的排放。共轨(CR)燃油喷射系统提供非常高的喷射压力，可以减少由于喷雾雾化和空气燃料混合而产生的颗粒物质的排放(Flaig et al.， 1999)。然而，由于燃烧过程开始时的高峰值温度和富氧区域，高的喷射压力会增加氮氧化物的排放。废气再循环（EGR）和延迟喷射定时在柴油机中的应用可以显著地减少氮氧化物排放，但却增加了烟尘（Han et al., 1996）。这些技术如多次喷射和EGR等耦合，(Mingfa et al., 2009），与EGR和共轨喷射耦合（米罗et al.，2009）可提高发动机性能、减少排放但总有折衷的氮氧化物和碳烟的水平。
当应用于HSDI柴油发动机时，需要考虑喷油时刻与EGR之间的相互作用。这种喷射时间和EGR的结合可以同时降低氮氧化物和烟雾水平。
多维发动机模型或计算流体动力(CFD)模型已经发展到三维分析燃烧室内部的冷流的实际应用，作为实际发动机设计过程的一部分。描述的建模方法在本质上是相对简单的，它提供了与减少计算开销和在现有的引擎CFD中实现的易用性相关的优点(Jennings, 1992)。在之前的几项研究中，多维模型已经被证明是发动机设计和优化的一个有用工具，同时也为在汽缸燃烧过程中获得更好的物理理解(Reitz et al.， 2001 j)。多维模型提供了基于控制流方程解的流场的详细几何信息(Heywood, 1988)。多维CFD编码解决了物种质量、动量和能量守恒的全部微分方程，同时也解释了湍流的影响。这些模型最适合于更详细地分析混合形成和燃烧的各种过程(Stiesch, 2003)。在多维模型中，时间依赖、瞬时守恒方程是时间的平均值，湍流相关系数被认为与平均流的梯度成正比。内燃机燃烧的多维模型，解释了燃烧室内的流场、压力、温度、组成和湍流的时空变化(Ramos, 1989;香港et al .,1995)。
本研究利用计算流体动力学代码STAR- CD，研究了喷注时间和EGR对柴油发动机燃烧性能和污染物形成的影响。
数学公式
该模型是基于对气缸内气相的热、质量和动量输运过程的时间平均守恒方程的数值模拟。采用标准的RNG k-e模型，对近壁区域的壁面功能进行了湍流处理，得到了保护方程的解。以分散拉格朗日多相模型为模型，建立了燃料注入后气缸内燃烧过程。化学反应速率采用全球湍流控制反应动力学模型(涡破裂模型)。热氮氧化物的形成是以一种通过自由基反应的氮的氧化成一氧化氮的过程的机制为模型的。在笛卡尔张量表示法中求解一般不可压缩和可压缩流体的质量、动量和能量守恒方程表示为:
连续性方程:
动量方程:
能量方程：
燃烧模型
采用涡流破碎概念，建立了马格努森的层流湍流特征燃烧模型。该模型将燃烧速率与涡流的耗散率联系起来，并通过反应种的平均浓度、湍流动能和动能耗散率来表示反应速率。根据这个模型，燃烧率(RE)被描述为:
在这个公式里面：
为无量纲的经验系数，是湍流时间尺度。本分析采用壳式自燃模型，对名义组成CnH2n 2的RH烃燃料进行了如下假设：
在这个公式里面：
代表着从燃料中形成的自由基(R*表示自由基)。
B：代表着支化剂
Q：代表着中间物质
P：代表着由一氧化碳二氧化碳和水组成的产品
化学模型由以下一系列方程组成:
第一次反应：
主要的后续反应：
分支反应：
线性终止：
某些惰性产物
二次终止：
某些惰性产物
在终止方程中，非活性物质(惰性产物)被假定为与氮相等。上述反应的速率系数采用阿伦尼乌斯形式。
燃油喷射过程的建模是直喷式柴油机仿真的一个重要组成部分。现有的全耦合随机拉格朗日-欧拉方法在STAR-CD中得到了增强，以避免对喷雾模型的系数或其他输入进行经验优化。液体燃料(喷射速度)的速度，当它离开喷嘴进入燃烧室时，是喷雾计算中最重要的参数之一。它强烈地影响了雾化(分拆过程)、喷雾渗透、跨相转移过程和雾滴之间相互作用。在目前的分析中，有效的喷嘴模型模拟了喷嘴。该模型根据喷嘴孔口截面面积、喷嘴直径、粗糙度和流量系数等参数确定喷油速度:
在这个公式里面，表示着通过喷射器的容积流量
表示着燃料的密度
表示着喷嘴的压降
氮氧化物模型：在目前的分析中，一种通过自由基反应的氮的氧化成一氧化氮的过程的机制被用于氮氧化物预测。
在碳氢化合物燃烧过程中形成了三种不同的机制，即热氮氧化物、快速氮氧化物和燃料氮氧化物。其中，柴油机燃烧过程中重要的是热氮氧化物的估算。热氮氧化物是强烈依赖于温度的。它是由大气中的氮和氧在高温下的反应产生的。对于热一氧化氮，主要的反应通常被认为是由以下三种扩展的一种通过自由基反应的氮的氧化成一氧化氮的过程的机制提出的。
预处理与网格几何生成
预处理过程主要涉及建立基本的三维模型、网格生成和边界条件的确定。几何的创建是在一个流畅的网格生成包中进行的。在GAMBIT中部分生成的网格被导出到STAR-CD以完成网格。在此分析中，为端口和圆筒创建了一个完整的六面体结构网格。为了进行瞬态流动模拟，必须使用移动的网格来结合活塞和阀门运动。CFD软件包STAR-CD具有上述对瞬态流情况的模拟所需的能力。细胞层的添加和去除是由事件和移动网格命令控制的。在开始流动模拟之前，从网格预览(图I)中验证了整个循环周期在任意曲柄角度位置上的阀门和活塞运动。整个计算工作是在集成电路发动机模拟实验室完成的。奔腾 IV处理器计算机用于计算工作，完成整个工作需要6个月。
本文研究的发动机是直接喷射式柴油机。表一显示了引擎的配置。进气阀轴向x方向偏移18.5 毫米, y方向为2.0毫米。
表一:发动机的规格
|
规格 |
数值 |
|
气缸数 |
一 |
|
孔径 |
79.5毫米 |
|
活塞行程 |
95.5毫米 |
|
连杆长度 |
144毫米 |
|
压缩比 |
19.5：1 |
|
发动机转速 |
1000rpm |
|
喷油压力 |
270bar |
|
喷油开始 |
12°bTDC |
|
喷射时间 |
20°CA |
|
孔数 |
3 |
图一:发动机计算范围
结果与讨论
提前喷射对峰值压力和温度的影响:通过模拟实验研究了提前喷射对发动机转速1000 转每分钟的燃烧性能和排放特性的影响。研究中考虑了单步曲线。开始喷射（SOI）是上止点前12度, 16度和20度 。下面的图2显示了提前喷射对曲柄角度平均气缸压力的影响。
图3显示了平均气缸温度的变化。从图上的峰值压力和温度可以看出，随着喷油时间的增加，温度升高。当燃料注入上止点前20度和16度时，峰值压力13.8% (115 bar)和5.9% (109 bar)和峰值温度2.3% (1197 K)和1.3% (1185K)。由于燃油是在压缩冲程初期注入的，此时气缸内的温度和压力非常小。它增加了点火延迟或更确切地说是物理延迟。由于长时间的点火延迟，大部分燃料被预混合混合后燃烧(朱等人 ，2003)。它会导致峰值压力和温度的增加。还观察到在提前喷射时，峰值压力的发生。
表2:点火延迟、峰值放热率和燃烧持续时间的比较。
|
开始喷射（°） |
点火延迟（°） |
峰值放热率（J/°） |
燃烧持续时间（°） |
|
20 |
10.3 |
158.5 |
49.4 |
|
16 |
8.2 |
125.5 |
50.2 |
|
12 |
6.6 |
97.1 |
55.5 |
提前喷射对放热率的影响：图4显示了气缸平均瞬时放热率的变化。在表2中总结了不同喷油时间的点火延迟、燃烧持续时间和峰值热释放率。相比于基本情况上止点前12度，提前注入时间为上止点前20度 和1 6度 显示较高的峰值热释放率。提前的喷油时间会导致较长时间的点火延迟，导致大量蒸发的燃料在燃烧前积累。较长时间的点火延迟是由于油缸内的压力和温度的降低，而这是在喷注的初始阶段。较长的延迟点火导致快速的燃烧率和缸内压力和温度急剧上升。较长时间的点火延迟导致快速的补燃率，气缸内的压力和温度突然上升。因此，大多数燃料燃烧在预混模式中，导致较高的峰值热释放率和较短的燃烧时间。而基线情况上止点前12度的点火延迟是导致蒸发燃料相对较少的累积。较短的点火延迟是由于在燃油喷射初始阶段内气缸内的压力和温度。较短的点火延迟缩短了混合时间，导致缓慢燃烧速率和缓慢上升的压力和温度。因此，大多数燃料在扩散模式下，而不是预混模式，导致了较低的峰值热释放率，更长的燃烧时间。
提前喷射对氮氧化物和烟尘排放的影响：图5显示了不同曲柄角度的气缸平均排放量。从图中可以看出，随着提前喷射的调整，氮氧化物排放量增加。在预混燃烧过程中，早期注入的燃料量更大。它有比较高燃烧温度,从而形成率增加。
图6显示了不同曲柄角度的气缸平均烟灰排放量。从图中可以看出，在早期喷射时，煤烟的排放会降低。在提前喷射情况下，燃烧温度的增加，增加了氧化反应，从而降低了煤烟的形成。
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