三维模型耦合的富氧燃烧天然气发动机数值模拟.pdf

第 6 期 总第 2 2 1期 2 0 1 5年 1 2月 车用发动机 VEH I CLE ENGI NE No ． 6 S e r i a 1 No ． 2 2 1 De c ．2 01 5 性 能研 究 基于一维／ 三维模型耦合 的富氧燃烧 天然气发动机数值模拟 姜伟 ，张玉银 ，李世 琰 ，张勇 ，张伟 1 ．上海 交通 大学机械与动力工程 学院，上海2 0 0 2 4 0 ；2 ．上海 空间电源研究所 ，上海2 0 0 2 4 5 摘 要 以 某 1 ． 0 L3缸 汽 油 机 为 基 础 ， 利 用 GT P o we r与 Co n v e r g e建 立 了天 然 气发 动机 耦 合 仿 真 模 型 ， 并 利 用 原机试验数据 对模 型进行 了验证 ， 研 究 了进 气 富氧与 E GR对 天然 气发 动机 性 能的影 响特性 ， 对 利 用进 气 富氧与 E G R改善天然气发动机的性能进行 了探 讨 。结果表明 ， 随进 气氧 气体 积分数提 高， 天 然气发动机 平均有效 压力显 著提 高， 最大可提高 2 2 ． 8 氧体积分数为 2 8 时 ； 同时缸 内温度和 N 排放 升高 ， 排 气与传 热的能量损 失增加 ， 燃 气消耗 率略有升 高。加入 E G R可 以降低 富氧燃烧 下天然 气发 动机燃 气 消耗 率 ， 随着 E G R率 增加 ， 燃气 消耗 率 主要呈先减 小后增加趋 势； 且 随进 气氧 浓度提 高 ， 各 浓度 下最低燃 气消耗率对 应的 E G R 率逐 渐提 高； NO 排放 随 E G R率增加 而逐 渐降低 ， 在进 气氧体积分 数为 2 3 ， 2 5 ， 2 7 ， 2 9 时， E G R率 分别 为 1 O ， 1 5 ， 2 O ， 2 5 即 可将 NO 排放降到原机水平 ； 利 用进 气 富氧与 E G R 可以有 效地 改善 天 然 气发 动机 动 力 不足 与 N O 排放 高的 状 况 。 关键词 天然气发动机 ；富氧燃烧 ； 废气再循环 ；数值模拟 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 2 2 2 2 ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 0 0 8 中图分类号 T K4 2 1 ． 5 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 1 2 2 2 2 2 0 1 5 0 6 0 0 3 9 0 5 天然气作为传统发动机 的替代燃料有着许多优 点 资源丰富， 价格低廉， 燃烧产生的有害排放低 ， 二 氧 化碳 排放 低 ， 辛烷 值 高 等 。但 天 然 气 发 动机 同样 存在不足， 相 比于汽油机， 天然气发动机由于容积效 率低、 缸 内火焰速度慢等因素， 其动力输 出相比同条 件下汽油机明显降低口 ] ， 而且具有较严重的 NO 排 放 问题 I 2 ] 。因此 ， 如何 改 善 天 然气 发 动 机 性 能 成 为 一 个研究 热 点 。 发动机进气富氧燃烧对于发动机减排 、 提高功 率密度 、 改善缸内燃烧质量等具有很大潜力 ， 相关研 究吸引了许多研究者的关注。P o o l a等对柴油机富 氧燃烧做 了许多研究 ， 发现富氧燃烧可 以明显降低 炭 烟生成 、 减少 HC和 C O排放 、 提 高发 动 机功 率 密 度 、 缩短滞 燃 期 ， 但 会 使 NO 排 放 增 加 ] 。C a t o n 对火 花点 火 式 发 动 机 进 行 了 富 氧燃 烧 热 力 循 环 仿 真 ， 发现进 气 氧浓度 增 加 时 相应 地 提 高 循 环 供 油量 可 以增加 发 动 机 的输 出功 率 [ 5 ] 。Z h o u等对 小 型 强 化汽油机进行富氧燃烧试验与仿真研究 ， 发现低 负 收稿 日期 基金 项 目 作者简 介 通讯作者 荷下富氧可降低油耗率， 提高燃油经 济性_ 6 ] 。张韦 等研究 了进气富氧与 E GR对直喷柴油机 NO和炭 烟排放 的影 响 ， 发 现 合 适 的 E GR 和 富 氧 比例 可 以 实 现低 于原 机 的 NO 和 炭 烟排 放 ， 同 时兼 顾 功 率 和 油耗 7 ] 。总体而言， 进气富氧燃烧对发动机性 能改 善 效果 明显 ， 但是 已有 的研究 主要 是 针 对 柴 油 机 和 汽油机 ， 对天然气发动机应用富氧燃烧 的研究 相对 较 少 ， 特 别是 缺少 进 气 富 氧燃 烧 对 改 善 天 然气 发 动 机动力性的潜力和对油耗 、 排放影响的认识 。 E GR对改善发动机油耗与降低 NO 排放有着 积极作用。C h e o l wo o n g等通过对天然气一 氢气混合 燃 料发 动机 的研究 发 现 ， 引 入 C O 。增加 了缸 内混 合 气 的 比热 容 ， 燃 烧 温度 降低 ， 从而使 No 排放 降 低 ， 但 HC排放增加 ] 。L i 等通过试验研究了 E GR对 涡 轮增压 天然 气 发 动 机 燃烧 和 NO 排 放 性 能 的影 响情 况 ， 结 果 表 明 E G R 有 助 于热 效 率 的改 善 、 NO 排放的降低_ 2 ] 。Hu等对天然气一 氢混合燃料发动机 的研究同样表明， E G R可显著降低发 动机 NO 排 2 0 1 5 0 8 2 7 ； 修 回日期 2 0 1 5 - 1 0 2 6 上海航天技术研究 院一 上海交大航天先进技术联合研究 中心资助项 目 US C AS T 2 0 1 3 - 3 2 姜伟 1 9 9 O 一 ， 男 ， 硕士 ， 主要研究方向为发动机数值模拟 ； j i a n g we i s J t u 1 6 3 ． c o rn。 张玉银 1 9 6 2 ， 男 ， 教授 ， 博士 ， 主要研究方向为喷雾燃烧 ， 发动机燃烧过程等 ； y u y i n z h a n g s j t u ． e d u ． c n 。 2 0 1 5年 1 2月 姜伟 ， 等 基于一维 ／ 三维模型耦合 的富氧燃烧天然气发动机数值模拟 转速 ／ r m i n - I 图 3 发动机外特性下扭矩试验与仿真结果对 比 2结 果分 析 2 ． 1 进 气 富氧对 天然 气发 动机 性能 的影 响 模拟 工 况 为 2 0 0 0 r ／ mi n 、 全 负 荷 工 况 ， 模 拟 的 进气富氧比例从 2 1 至 2 9 oz 空气中氧气的体积分 数 ； 在不 同的富氧 进气 下 ， 始 终 保 持 当量 比为 1 ； 点 火角 调整 为最 大扭矩 点 火角 。通过 耦合 仿真 获得 富 氧燃 烧下 天然 气发 动机 各主要 性 能的变 化规 律 。 图 4示出不同进气氧气体积分数下 ， 天然气发 动机平均有效压力的变化情况。由图可知， 随进气 富氧 比例 的增 加 ， 发 动机 的平均 有效 压力 逐渐 增大 ， 当进 气 氧 体 积 分数 为 2 8 时， 平 均 有 效 压 力 达 0 ． 9 1 5 MP a ， 比原 机 提 高 2 2 ． 8 。这 主 要 是 因 为 ， 随着进 气氧 气浓 度 增加 ， 实 际进 入 发 动 机 的 氧气 量 增 加 ， 保 证 当量 比为 1 ， 实 际 进入 缸 内 的燃 料 量也 相 应 增加 ， 如 图 4所 示 单 缸 的循 环 燃 料 量 随 氧浓 度 增 加 而逐 渐增 大 。 妻 ＼ 幽 船 留 进气氧气体积分数 ／ ％ 图 4 平均有效压力 随进气氧体积分数 变化情况 图 5示 出不 同进 气 氧 气体 积 分 数 下 ， 天 然 气 发 动机 缸 内 NO 浓 度 与 最 高 温度 的 变化 情 况 。 由图 可知 ， 随着 发 动 机 进 气 氧 浓 度 的提 高 ， 发 动 机 缸 内 No 浓度 与缸 内最 高温 度都 逐 渐增 加 ； 当氧 体 积 分 数小于 2 4 时， NO 排放迅速增加 ， 当氧体积分数 大于 2 4 时 ， NO 浓度增 长 趋势减 缓 。缸 内 富氧 燃 烧 下 ， 缸 内温度 提高 ， 促进 了热 力型 NO 的生成 。 、 赠 扣 匡 嘣 崩 图 5 缸内 NO 浓 度与最高温度随进气氧浓度变化情况 图 6 示 出燃气消耗率随进气氧气体积分数变化 关 系 。结果 表 明 ， 随着 氧 浓度 的提 高 ， 燃 气消耗 率会 略微 提高 ， 当 进气 氧气 体 积 分数 为 2 8 时 ， 有 效 的 燃气消耗率 比原机提高了约 5 。图 7示 出不同进 气 氧浓 度下 燃料 能 量 的分 布 情况 。从 图 中可 知 ， 进 气氧浓度提高在提高发 动机有效功率输出的同时 ， 会 使排 气 的热量 损失 和缸 内传 热 能 量损 失 增 加 ， 整 体效果是排气与传热造成的能量损失 占总能量的比 例逐渐增大 ， 在进气氧体积分数为 2 8 时， 排气与 传热能量损失 占比 6 6 ． 6 ， 比原 机 6 4 ． 3 ％提高 了 3 ． 5 7 。排气和传热损失促使燃气消耗 略有提高。 王 、 - ● 槲 耀 淫 蜇 进气氧气体积分数 ／ ％ 图 6 燃气消耗率随进气氧气体积分数变化情况 ～ 褂 蕞 州 图 7 不 同进气氧浓度下发动机循环能量分 布 2 ． 2 E G R对 富氧燃 烧 天然气 发 动机性 能 的影 响 单 独提 高进气 氧浓 度 会 有 不 同程 度 的 NO 排 放提高与油耗增加的现象 ， 因此本研究通过模 拟引 入 E GR来 减 少 NO 排 放 ， 同时 提 高热 效 率 。采 用 不同的进气 E G R率 0 ， 1 0 ， 2 0 ， 3 0 ， 研究 晷 量 渤 伽 莩量姗 瑚 瑚 5 4 4 3 3 2 2●l 邑 _【 、 0z 疆 2 0 1 5 年 1 2月 姜伟 ，等 基于一维／ --维模 型耦 合的富氧燃烧天然气发动机数值模拟 4 3 3 结论 本研究利用一维／ 三维模型耦合仿 真探讨 了进 气 富 氧与 E GR 对 天 然 气 发 动 机 性 能 的影 响 特 性 ， 得 到 了该 发 动 机 典 型工 况 2 0 0 0 r ／ mi n ， 节 气 门全 开 下 的性能 变化 规律 a 天然气发动机平均有效压力随进气 中氧气 体积分数 的增加 而显著提 高， 最 大可提 高 2 2 ． 8 氧体积分数为 2 8 时 ； 随进气富氧量增加， 发动机 缸内温度和 N 排放升高， 燃气消耗率略有升高； b 加入 E G R可以降低富氧燃烧下天然气发动机 燃气消耗率， 且随着 E G R率增加， 燃气消耗率主要呈先 减小后增加趋势； NO r 排放随E G R率增加而逐渐降低； c 进气富氧与 E G R匹配可 以灵 活改善天然气 发 动机性 能 ， 对 于功 率需 求大 的瞬态 加速 工况 ， 可 以 通 过提高 进气 富氧 量迅 速提高 天然 气发 动机 的动 力 输出； 在稳态运行工况下 ， 采用 E GR可 以显著降低 富氧燃 烧下 天然 气发 动机 的 NO 排 放 ， 且提 高 发 动 机 的燃 油 经济性 。 参考文献 E l i 杨靖 ， 马慧超， 王毅 ， 等． 某高速汽油机改 L N G发动机动 力性下降问题研 究[ J ] ． 车用发动机 ， 2 0 1 5 2 3 3 3 9 ． [ 2 ] L i W ， L i u Z， Wa n g z ， e t a 1 ． E x p e r i me n t a l i n v e s t i g a t i o n o f t he t he r ma l a nd di l ue nt e f f e c t s of EGR c o m p o ne nt s on c o mbus t i o n a nd NO e mi s s i o ns o f a t ur bo c ha r ge d n a t u r a l g a s S I e n g i n e [ J ] ． E n e r g y C o n v e r s i o n a n d Ma n a ge me n t ， 2 01 4， 8 8 1 0 41 10 5 0． [ 3 ] A s s a n i s D， P o o l a R， S e k a r R， e t a 1 ． S t u d y o f Us i n g O x y g e n E n r i c h e d Co mb u s t i o n Ai r f o r Lo c o mo t i v e Di e s e l E n g i n e s [ J ] ． J o u r n a 1 o f E n g i n e e r i n g f o r Ga s T u r b i n e s [ 4 ] [ 5 3 [ 6 2 1- 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 O ] [ 1 1 ] a nd Po we r ， 20 01， 1 23 1 57 16 6． Poo l a R， Se ka r R．Re du c t i on of NO a nd Pa r t i c u l a t e E mi s s i o ns by U s i n g Oxy g e n- Enr i c he d Co mbu s t i on Ai r i n a L o c o mo t i v e D i e s e l E n g i n e [ J ] ． J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g f o r Ga s Tur bi ne s a n d Powe r， 2 003， 1 2 5 52 4 5 33 ． Ca t o n J ． Th e e f f e c t s o f o x y g e n e n r i c h me n t o f c o mb u s t i o n a i r f o r s p ar k i gn i t i o n e ngi ne s u s i ng a t h e r mo dy - n a mi c c y c l e s i mu l a t i o n[ C] ／ ／ A S ME 2 0 0 5 I n t e r n a l Co m b us t i o n Eng i n e Di vi s i on Sp r i ng Te c hni c a l Con f e r e n c e ． I S ． 1 ． ] A S ME， 2 0 0 5 1 3 5 1 4 7 ． Z h o u J ， Ri c h a r d S， F o u c h e r F， e t a 1 ． E f f e c t s o f C o n t r o l l i ng Ox yge n C0 nc e nt r a t i 0 n o n t he Pe r f or ma n c e，Emi s s i on a nd Co mbus t i o n Ch ar a c t e r i s t i c s i n a Do wn s i z e d S I E n g i n e [ e 1 ． S AE P a p e r 2 0 1 3 2 4 0 0 5 6 ． 张韦， 舒歌群 ， 沈颖刚， 等． E G R与进气富氧对直喷柴油机 N O和碳烟排放的影响D] ． 内燃机学报， 2 0 1 2 ， 3 0 1 1 6 - 2 1 ． Che o l wo ong P， Sa ng ye on W ， Cha n ggi K ， e t a 1 ．Ef f e c t of mi x i n g CO2 wi t h n a t u r a l g a s h y d r o g e n b l e n d s o n c o rn b u s t i o n i n h e a v y - d u t y s p a r k i g n i t i o n e n g i n e [ J ] ．F u e l ， 20 12， 1 02 29 9 - 3 04 ． H u E， H u a ng Z， Li u B， e t a 1 ．Ex pe r i me n t a l i nv e s t i ga t i on on pe r f or ma nc e a nd e mi s s i ons o f a s pa r k i gni t i on e n g i n e f u e l l e d wi t h n a t u r a l g a s - h y d r o g e n b l e n d s c o m - b i n e d w i t h E G RI- J 2 ．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Hy d r o g e n En e r g y， 20 09， 3 4 5 28 53 9． W a n g Z， S c a r c e l l i R． So m S。 e t a 1 ． M u l t i - me mi o n a l Mo de l i n g a nd Va l i d a t i o n o f Co mbu s t i o n in a Hi g h- Ef f i c i e n c y Du a l - F u e l L i g h t - Dut y E n g i n e [ C ] ． S A E P a p e r 2 0 1 3 - 0 1 1 0 9 1 ． Ya ng S．A Pr e l i mi na r y Re s e a r c h on Tur bul e nt Fl a me Pr op a ga t i o n Co m b us t i o n M od e l i ng Us i n g a Di r e c t C h e m i c a l K i n e t i c s Mo d e l [ C ] ． S AE P a p e r 2 0 1 3 2 4 0 0 2 3 ． Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o f Ox y g e n r i c h CNG Eng i n e B a s e d o n 1 D／ 3 D Co u p l e d Mo d e l J I ANG W e i ，ZHANG Yu y i n ，LI S h i y a n ，Z HANG Yo n g ，ZHANG W e i 。 1 ．S c h o o l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g，S h a n g h a i J i a o t o n g Un i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0，Ch i n a； 2 ． S ha ng ha i I ns t i t u t e o f Spa c e Powe r Sou r c es ，Sh a ngh a i 2 0 02 45，Ch i n a Ab s t r a c t Th e c o u p l e d s i mu l a t i o n mo d e l o f C NG e n g i n e wa s b u i l t wi t h GT- P o we r a n d C o n v e r g e s o f t wa r e b a s e d o n a 1 ． 0 L g a s o l i n e e n g i ne a n d wa s c a l i b r a t e d wi t h t e s t d a t a o f o r igi n a l e n g i ne ．The n t h e i n f l u e nc e s of o x y ge n - r i c h i n t a k e a n d EGR o n CNG e n gi n e pe r f o r m a n c e we r e r e s e a r c h e d a n d t h e p e r f o r ma n c e i mp r o v e me n t s t h e r e o f we r e d i s c u s s e d ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t BMEP f o r CNG e n g i n e i n c r e a s e s o b v i ou s l y wi t h t h e i n c r e a s e o f o xy g e n v ol u me f r a c t i o n a n d i n c r e a s e s by 22 ． 8 a t mos t i n 2 8 o x y ge n c o n t e n t ．Mor e o ve r ，t he i n - c y l i n d e r t e mp e r a t u r e ，N0 e mi s s i o n， t h e e n e r g y l o s s o f e x h a u s t a n d h e a t t r a n s f e r a l l i n c r e a s e a n d B S F C s l i g h t l y i n c r e a s e s ．Th e s p e c i f i c CNG c o ns u mp t i o n u nd e r t h e c o nd i t i o n s o f r i c h o x yg e n d e c r e a s e s by i n t r od u c i n g EGR a nd s h o ws t h e t r e n d o f f i r s t d e c r e a s e a nd f ol l o wi n g i n c r e a s e wi t h t h e i nc r e a s e o f EGR r a t e ．Th e c o r r e s p on d i n g EGR r a t e of t h e l o we s t CNG c o ns umpt ion i n c r e a s e s gr a du a l l y wi t h t he i n c r e a s e o f o x y ge n c o n t e n t ．N e mi s s i o n i n c r e a s e s wi t h t he i n c r e a s e o f EGR r a t e a n d c a n r e a c h t he e mi s s i o n l e v e l o f o r i gi n a l e n g i n e wh e n t h e EGR r a t e i s 1 0 ，1 5 ，20 a n d 2 5 r e s pe c t i v e l y i n o x y ge n v o l u me f r a c t i o n o f 2 3 ，2 5 ，27 a n d 29 ．Ac c o r d i n g l y，t h e o xy ge n - r i c h i n t a k e a n d EGR c a n i mp r ov e t he p o we r a n d N0 e mi s s i o n of CNG e n g i n e e f f e c t i v e l y ． Ke y wo r d s C NG e n g i n e ； o x y g e n - r i c h c o mb u s t i o n ； E G R； n u me r i c a l s i mu l a t i o n [ 编辑 潘丽丽]