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采用分段喷射有效降低柴油机NOx排放
摘要
从节约能源和抑制全球变暖的角度来看，直喷式柴油机良好的燃油经济性和高热效率的特性一直受欢迎。尽管拥有吸引人的燃料经济性，氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）的高排放量以及未解决的权衡问题是研究人员要解决的主要挑战。发动机尺寸减小，废气稀释，喷射正时延迟等方法是广泛采用的降低NOx排放的技术。最近，多个/分段喷射策略引起研究人员的高度关注，因为它有可能有效解决氮氧化物，烟灰和活塞工作的权衡问题。研究了燃油喷射正时的变化和EGR稀释的效果，并与本文提出的使用数值实验的单缸柴油机上的分段喷射技术（25/75和75/25）进行了比较。为此，主要使用热力学第一定律和理想气体方程的推导开发了一个准维模型。使用现象学考虑预测热释放速率，传热损失，点火延迟，燃烧化学反应，NOx和烟尘形成的模型与模型耦合。观察到由于第二脉冲的预混合燃烧阶段的限制，在第一脉冲中注入少量燃料的分段喷射显着降低了NOx排放。观察到与使用EGR增加稀释速率和延迟TDC（上止点）进样时间相比，分段喷射有效地解决了NO-活塞工作平衡问题。
1.绪论
与其他发动机相比，柴油发动机固有地产生高热效率，良好的耐用性和优异的燃料经济性，从而使其成为重型，中型和轻型车辆应用中最理想的选择。由于柴油发动机的高压缩比，较高的膨胀比将较低的热能传递给排气，从而导致较低的燃料消耗和较高的功率输出[4]。然而，与其对应的火花点火（SI）发动机相比，柴油发动机产生更多的有害排放物，特别是氮的氧化物 （NOx）和颗粒物质（PM）。 从过去十年来，越来越多的生态问题加剧了柴油机污染物排放规范。这促使柴油机行业要生产更高效，更清洁的发动机。在这个过程中，柴油发动机变得更加复杂。
为了解决增加尾管排放的问题，过去二十年的许多策略已经发展并被采用，作为排气后处理技术或者缸内技术。合适的后处理技术，如选择性催化还原（SCR）之后是虽然有效地减少NOx排放，其在现有的汽车实施并需要大量排气改造导致增加总成本。由于排气流中存在过量的氧气含量，与SI发动机相比，三元催化转化器将NOx转化为氮气的效率相当低。
关于缸内技术，其中在发动机的燃烧室中实现对排放物形成的控制，并且采用不同于常规柴油机燃烧以减少排放的各种燃烧模式。现代柴油发动机通常采用低温燃烧（LTC）策略来同时减少NOx和烟尘排放[13]。LTC将燃烧温度限制在NOx和烟灰形成量较低的水平。这样的系统可以大致分为两类：（1）系统的燃烧相位很大部分从燃油喷射正时分离，并且主要由气体混合物的化学动力能支配。 HCCI [10,1,6]和PCCI[19,26]燃烧概念是这样的系统的实例，其中低温通过燃料和空气以非常稀薄的当量比强烈预混来实现。然而，由于缺乏对点火正时的适当控制，有限的操作范围和增加的CO和HC排放[8]，大规模应用这些概念是困难的。（2）与此相反，对于第二类燃料喷射与燃烧之间的较短时间妨碍燃料-空气混合物的强烈预混合，导致由于高扩散燃烧阶段导致缸内温度增加。为了在这种情况下降低燃烧温度，采用各种技术，例如低CR，延迟喷射正时以及使用EGR稀释新鲜充气。
本文介绍了后一种降低NOx和烟尘排放的燃烧温度的技术，并讨论了它们对发动机性能的影响。EGR预处理技术用高容量废气取代新鲜充气，从而降低热释放率并降低缸内温度。尽管发现EGR可显着降低NOx排放，但据报道导致NOx，烟尘和BSFC之间的折衷率[3]。 Nagai和Kawakami [18]进行的数值试验表明，降低发动机的CR仅导致NOx排放量的减少，同时发动机活塞工作减少。燃料喷射正时的延迟也被广泛用于降低NOx排放，但增加了烟尘排放并降低了特定的燃料消耗率[14.28]。
柴油机行业的倾向正在朝着广泛使用燃料喷射系统和普通轨道直喷系统（CRDI）在柴油发动机中的应用。 CRDI的引入提供了选择喷射正时，喷射脉冲数量，喷射间歇停留时间和喷射速率的灵活性，从而为发动机性能改进提供了一个空间，并降低了发动机排放。在主喷射之前注入少量燃料并具有较大停留时间的先导喷射已由许多柴油发动机研究人员通过实验和计算机研究[7,17,2,12,21]。
在先导喷射中观察到对发动机排放和发动机性能的显着影响。 Carlucci等人[5] 报告与单次喷射相比，燃烧噪音有所减少。在许多研究中也报道了每个脉冲中喷射的燃料量和喷射脉冲之间的停留时间的影响。由于燃烧预混阶段减少，因此观察到烟气排放随着先导喷射而增加，并且由于燃烧噪声的影响而增加折衷[20]。 Payri等人开展的工作[21]。表明随着单次燃烧事件的喷射增加，发动机的稳定性增加。据文献报道，多次喷射策略有可能降低NOx和烟尘排放量，而不会对发动机性能造成很大的损失。从文献中已经观察到，采用缸内技术来减少NOx排放已经导致烟尘排放的增加，反之亦然，并且对发动机性能产生交替影响。在目前的研究工作中提出了两阶段喷射策略，并且与传统的延迟喷射正时和EGR技术相比较，讨论了其对发动机排放物形成和性能的影响。为此，已经开发了一种基于热力学第一定律和理想气体方程的推导的准维计算模型。该模型与现象学模型结合以预测传热损失，燃料喷射速率，点火延迟，热释放速率，燃烧物质浓度以及NOx和烟尘形成速率。
- 方法
本模型涉及直喷式柴油机的活塞式缸内燃烧室。对所谓的闭合循环进行了分析，所有的阀都关闭。该模型考虑了从进气门关闭（IVC）到排气门开度（EVO）的那些管理/定义/估计气缸中主要过程的不同子模型。
2.1 节能
缸内压力和温度的时间变化是在每个曲轴转角步骤中使用以下数字公式计算的。 使用热力学第一定律的导数和完美的气体方程来得到下面的方程 (1)
(2)
where
(3)
and
; （4）
2.2 发动机动力学
在目前的工作中，为了计算瞬时行程，体积，体积相对于曲轴角度旋转的变化率，使用滑块曲柄机构的推导[11]。体积变化率可以写成（在时域中，曲轴转角度转换为弧度）
（5）
2.3 闭环周期分析
封闭循环分析对应于压缩，燃烧和膨胀过程的建模。 气体的压缩始于IVC条件。 在CI发动机中，只有空气（ EGR，如果有的话）被压缩，并且直到燃料喷射过程开始时，与当量比变化有关的项相对于时间变为零。当燃料喷射开始时，混合物组成变化。 然后使用方程式计算压力和温度的时间变化。 （21）和（22）。 为了解决上面提到的方程，需要模型点火延迟，热释放速率，热传递和物种确定模型的化学组合物，其在下面的章节中讨论。
2.4 燃油喷射
给出每个工作循环中喷射的液体燃料的质量，其中是喷射的液体燃料的密度，是喷嘴孔面积并且是喷射速度并且是给的。 MP是喷嘴两端的压差，是流量系数。
2.5 滞燃期
CI发动机中的点火延迟（IGD）表征了点火滞后后立即发生的突然放热量。 因此它对发动机隆隆声和污染物形成具有显着影响。 它估计每个发动机循环一次，并计算为燃料喷射（tinj）和燃料点火（tign）之间的时间.Hardenberg和Hase [9]提出的模型已被用于目前的工作中， IGD对燃料性质以及燃料喷射前气体混合物的压力和温度（P和T）以及当量比的影响。
(6)
其中P和T分别是在燃料喷射时气体混合物的压力和温度; S p是发动机的活塞速度，由2NS = 60给出; Ea是燃料的活化能。 必须注意的是，由于正在进行的压缩冲程，在点火延迟期间气体混合物的压力和温度连续变化。这些影响包括在使用公式的模型中。（7）并计算出来，直到数值达到1，表示燃烧准备完成
（7）2.6 燃烧过程中的放热率
由于内在的非均质性，柴油机中的燃烧是一个复杂的过程。 在目前的工作中，已经开发了一种现象学模型来预测使用Wiebe函数的放热率。 本模型遵循Serrano等人报道的工作[25]涉及4种不同的Wiebe函数来预测放热率：一种Wiebe函数用于再现先导注入，两种Wiebe函数用于预测预混和扩散燃烧阶段，最后是用于晚燃阶段的Wiebe函数。 Wiebe函数确定放热率的通用数学形式由下式给出 （8）
其中Ci是表示燃烧完成的参数; mi控制第i个燃烧阶段的曲线;d梳;i是第i个燃烧阶段的持续时间;h是瞬时曲轴转角度; SOCi是第i个燃烧阶段的开始; bi是第i相燃烧的燃料部分，与喷射的总燃料量相比。
|
符号 当量比（或混合物丰富度） 密度（kg/msup3;） 能量（J） 比焓（J / kg） 比热比 连杆长度（m） 曲柄半径（m） 气体常数（8314.3 J / kmol K） 体积（m 3） 燃料质量分数燃烧 瞬时曲轴转角（度） 质量（kg） 发动机转速（rpm） 压力（Pa） 热量（J） 温度（K） 时间（s） 特定的内部能量（J / kg） 工作（J） 发动机缸径（m） 普通衍生物的前一项 经过上死点后 在上死之前 |
CIDI 压缩点火直接喷射 CR 压缩率 EGR 废气再循环 HCCI 均质充量压缩点火 PCCI 预混合充气压缩点火 SOC 燃烧开始 SOI 开始注射 下角标 燃料 电动回转 comb 燃烧 cv 控制音量 cyl 圆筒 d 扩散 d 移位 e 排气 i 摄入量 P 产物 p 预混 R 反应物 ref 参考条件 sf 烟灰形成 so 烟灰被氧化（或消耗） |
2.7 传热模型
从气缸中的捕集气体混合物到周围壁的传热速率，可以从给出的位置获得Q损失，其表示管道中的湍流流动。 （9）
P和Tg是混合气体的瞬时压力和温度，用方程式计算。（21）和（22）。w是燃烧气体的特征速度，主要取决于两个因素。 首先是由于议案并且被建模为S p的函数并且第二个因素是由于由于燃烧事件而产生的气体的涡流运动。这个因子被模拟为一个函数，燃烧后的气体速度w由Woschni表示[27]如在给定的参考条件下，可以在IVC条件下评估方程中涉及的热力学状态。表1列出了不同笔划的常数C1w和C2w。
（10）
表1 C1w和C2w值
|
过程 |
C1W |
C2W |
|
气体交换 压缩 燃烧和膨胀 |
6.18 2.28 2.28 |
0 0 3.24times;10-4 |
2.8 燃烧化学
使用该模型确定通过普通碳氢燃料与空气燃烧产生的气体的平衡组成。 假定形成10种燃烧物质，并且通用燃烧方程式可以写成：
在气缸内，在任何时刻，考虑到其温度，体积，燃料燃烧质量和夹带空气质量，燃烧物质浓度可以通过应用CHON系统的质量约束条件并求解4个原子平衡方程和6个平衡方程 的燃烧。
（11）
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