天然气发动机EGR系统的数值研究.pdf

第6期 总第203期 2012年12月 车用发动机 V E H ICL EEN G I N E N o．6 Ser i alN o．203 D ec．2012 天 然 气 发 动 机EG R系 统 的 数 值 研 究 莫海俊1’2，黄永全3，冒晓建1，卓斌1 1．上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2．广西大学机械工程学院，广西南宁530004； 3．广西玉柴机器股份有限公司，广西玉林537005 摘要通过化学动力学软件C hem kin计算了温度、氧浓度对天然气燃烧过程中NO ，生成的影响；利用G T Power对3种不同管路布置方案的EGR 系统进行仿真比较，发现在增压器匹配情况下高低压回路系统更容易实 现用EG R代替空气来对燃气进行稀释；利用Fi re预测了不同工况下EG R 质量分数对柴油机动力性、经济性及 N O，排放的影响规律。结果表明综合各项性能指标，2 200r／m i n，100％负荷工况点，EG R 质量分数为0．3时较 优；1800r／m i n，100％负荷工况点，EG R 质量分数为0．25时较优；1 200r／rai n，100％负荷工况点，EG R 质量分数 为0．1时较优。数值研究为进一步开展试验工作奠定了基础。 关键词天然气发动机；废气再循环；仿真；燃烧；排放控制 DO I 10．3969／i．issn．10012222．2012．06．018 中图分类号TK 421．6文献标志码B文章编号10012222201206007208 天然气是一种高效、清洁、来源丰富的发动机 燃料，使用压缩天然气可以有效降低发动机CO 及 H C的排放，但NO ，排放仍居高不下。废气再循环 EGR 作为控制缸内N O，生成的技术已广泛应用 在现代柴油机及汽油机上；对于天然气发动机来说， 工质燃烧的特点与前两者有诸多不同之处，因此，本 研究以某6缸天然气发动机为研究对象，以数值模 拟的方式研究EG R在天然气发动机上的应用。首 先计算天然气燃烧过程中温度及氧浓度对N O ，生 成的影响，然后讨论不同EG R管路系统的特点，最 后预测不同工况下EG R 质量分数本研究为了保 证计算的准确性，用EG R质量分数代替EG R 率， 试验中可根据实际测量的数据将EG R率和EG R 质量分数一一对应对天然气发动机动力性、经济性 及排放的影响规律，为建立EGR 系统的控制策略 提供理论依据。 对于气体发动机来说，不考虑EGR 时，发动机 工作在稀燃状态下可以获得较好的经济性，考虑 EG R时，采用“拳。一l 的混合气EG R三效催化 转化器”可以同时兼顾经济性和排放性，因此本研究 主要针对声。1、无EG R 以及乒。1、有EG R这两 种情况来进行分析。 1温度和氧浓度对N O ，生成的影响 N O ，按其起源和生成途径可划分为热力型、快 速型及燃料型，热力型N O ，在预混高温燃烧中起主 导作用。泽尔维奇扩展模型认为N O ，是空气中的 N 和O 在高温下反应生成 N02一N ON， NO， 一N0O， NOH，N OH， 丁clENO]一KEN。][O。]专。 其中，N O 。生成速率强烈依赖于反应温度，随温度 升高呈指数关系而急剧增大，同时正比于N 浓度 和O。浓度的平方根以及停留时间。因此，控制 N O 排放主要从燃烧温度、空气燃料混合比等方面 考虑。 目前比较成熟的天然气反应模型是G IR M ech3．0，包含了300多个反应路径，其中与N O ， 生成相关的反应为38个。热力型N O ，的代表反应 路 径 为N。ON O N，N O HNO H， 其他反应加速了物质的分解，为N O ，的生成提供自 由基，同时发出大量的热，提高系统的温度，促进了 热力型N O ，的生成。 以下利用G IR-- M ech3．0对气体机中N O ，主 要为N O 生成进行。由气缸和活塞组成密闭容器， 活塞的运动速度对应于发动机2 200r／rai n的转速， 计算起始点为点火时刻，初始温度为973K ，初始压 力为2．3665M Pa，反应时间为8．181 8m s 对应于 收稿日期2012- 0703；修回日期2012 1113 作者简介莫海俊1979一 ，女，博士，研究向为发动机性能优化；cherr ym hj 163．cor n。 2012年12月莫海俊，等天然气发动机EG R系统的数值研究 108。曲轴转角，不考虑摩擦、传热等的影响。 1．1 反应温度不变时氧气浓度的影响 如表1及图1所示，在丸一1．55、EG R 质量分 数一0．06残余废气所致以及声。一1、EG R质量分 数一0．24采用了EG R两种情况下，两者反应温度 基本一致，而后者混合气中O的质量分数减少了 4．1321％，N 2的质量分数减少了5．4727％，结果 N O的生成减少了90％。可见氧浓度和氮浓度的降 低，减少了中间产物含氮基团和氧的反应，有利于减 少N O 的生成。但是浓度的降低量与N O 的减少量 并非成正比，当浓度的降低量超过某一值时，降低 NO ，的作用开始减小[ 1] 。 表1反应温度不变时的混合气组分％ 丸1．55，≠。一1． 所含气体主要成分EG R质量EG R质量 分数0．06分数0．24 C 3H sO ．1163 0．1428 C 2H 60．61320．753 l 天然气 C H。 2．74783．3746 Oz0．0140 0．0172 O z19．911815．7765 空气 Nz70．596355．9350 C Oz 0．99655．9733 EG R气体 H 200．76774．6023 Nz 4．235813．4244 叫问f，⋯、 h、 1‘{啦}砖 图1不同氧质量分下的反应温度和N O 生成量 1．2 燃料质量分数不变时空气量对反应温度和 N O 生成的影响 如表2及图2所示，在丸1．55、EG R 质量分 数0．06 残余废气所致 及声。一l 、EG R质量分 数一0．3814 采用了EGR两种情况下，燃料质量 分数一致，使用EG R稀释比使用空气稀释的最高 反应温度降低了300K ，再加上混合气中O 。的质量 分数减少了7．0705％，N减少了11．9395％，使得 N O 的摩尔分数从0．01减少到5．1910～，约为原 来的1／190。这里没有考虑引入EG R 后对混合气 加热的效果，有资料表明‘1| ，在燃烧稳定的情况下， 表2燃料质量分数相同时的混合气组分 ％ 丸一1．55，屯一1， 所含气体主要成分EG R质量EG R质量 分数0．06分数0．3814 C 3H80．11630．1162 C 2H6 0．61320．6129 天然气 C Ha2．74782．7467 O z 0．01400．0140 02 19．91l812．84l3 空气 N z 70．596345．5282 C 02 0．996511．7345 EG R气体H 20 0．76779．0410 N z 4．235817．3644 0． 010 妊008 0．006 斟0．004 7 O ．02 0 -4．02 时间f／m s ，N O 牛成量 图2不同空气量下的反应温度和N O 生成量 车用发动机2012年第6期 如果能使绝热火焰温度降低150～200K ，可能使 N O 生成量降至原来的1／10以下。 1．3屯一1时EG R质量分数的影响 如表3及图3所示，若不考虑引入EG R 后对混 合气加热的效果，庐。1时，EGR 质量分数每增加 10％，最高反应温度降低200K ，氧质量分数降低 2．08％，氮质量分数降低7．36％。N O 降幅分别为 26％和84％，这说明在较低浓度和温度情况下，进 一步降低浓度和温度更有利于降低NO 生成量。 以上分析表明，温度、氧浓度对天然气燃烧过程 中N O，生成有着极其重要的影响。通过循环废气 来降低排放从燃烧机理上说是行之有效的，因此下 面对EG R系统管路结构以及工作性能进行进一步 的仿真计算。 表3 丸1时EG R 质量分数的影响 EG R质量EG R质量EG R质量 各项指标 分数一0．15分数一0．25分数一0．35 氧质量分数／％ 17．6615．5913．5l 氮质量分数／％ 62．5655．2047．84 最高反应温度／K 276225722371 N O摩尔分数 0．001 240．0009150．00015 2 8o 2400 图3EG R质量分数对反应温度和N O 生成量的影响 2EGR 回路系统的仿真分析 2．13种不同的EGR 回路系统[ 4] 根据废气取气口和进气口位置的不同，可以把 EG R回路系统分为高压系统、低压系统及高低压 系统。 2．1．1高压EG R 回路 H P 从涡前取废气，经冷却后汇合到压缩中冷后的 进气中，这是柴油机最常用的EGR 回路见图4。 高压EG R回路优点是响应快，缺点是排气压力必 需比进气压力高，此时EG R气体才能正向流动。 图4 高压EG R 回路 2．1．2低压EG R 回路 L P 从涡后取废气，经冷却后汇合到即将进入压气 机的空气中见图5，废气的流经使得压气机的效 率下降，耐久性变差。 图5低压E G R回路 2．1．3高低压EG R回路H L 从涡前取废气，经冷却后汇合到即将进入压气机 的空气中，EGR回路中较容易形成压差见图6。这 图6高低压EG R 回路 2012年12月 莫海俊，等天然气发动机EGR 系统的数值研究 种情况下改变排气歧管压力会改变缸内残余废气量 即内部EGR 。该回路一般是分别从两侧歧管取 废气，使得各缸排气歧管的压力相似，因为如果仅从 一侧取气，会使得另外一侧的排气歧管压力较高，不 利于在各缸中进行EG R优化。 2．2 G T-- Pow er 计算模型的建立 缸内的燃烧采用W i ebe函数模型，缸内气体与 缸壁的传热采用半经验半理论的沃西尼W oshni 模型，传热壁面的温度根据经验进行设定。根据发 动机工况进行参数调整后，所建立的发动机模型缸 压计算值与实测值很接近见图7。 图7 1800 r／rai n缸压实测值与计算值的比较 2．3计算结果 2．3．1 EGR 阀关闭时回路及管径对原机的影响 表4示出2 200 r／m i n，100％负荷工况下安装 不同EG R回路后，在EG R 阀关闭时，发动机进气 流量和涡前流量的变化情况。可见，高压回路对原 机没有影响，而高低压和低压回路的进气量有较大 的减少，且两者减少的幅度相同。高压和高低压回 路是从涡前取废气，高低压和低压回路是在压气机 前进废气，由此说明，取废气的位置在涡前或者涡后 对原机的进气量影响不大，但是进废气的位置对原 机的进气量影响较大。压气机前进废气口的存在使 得进气压力下降，进气量减少。进一步的计算表明， 改变EG R管路长度或EG R阀门的位置对该状况 影响不大。因此，如果采用高低压回路或低压回路， 需要重新考虑与增压器的匹配。 表4进气流量及涡前流量 系统类型 进气流量／gs 1 涡前流量／gS_1 原机300311 H P300311 H L217226 LP218226 表5示出2200r／m i n，100％负荷工况下，H L 回路中在EG R阀关闭时管径对进气流量及涡前流 量的影响。可见，EG R管径越小，EGR 系统对原机 的影响越大，随着管径的减小，原机的进气流量呈较 大幅度的衰减。 表5EG R管径变化时的进气流量及涡前流量 EG R管径／m m进气流量／gS-1 涡前流量／gs-1 20 128 133 25174181 30217226 2．3．2 不同发动机转速下EG R系统对原机的影响 表6示出100％负荷下，采用高低压回路后 EG R阀关闭时不同发动机转速下进气流量及涡前 流量的变化情况。可见，发动机转速越低，EG R 系 统对原机的影响越小。 表6不同转速下进气流量及涡前流量的变化情况 转速／rr ain- 1进气流量降幅／％涡前流量降幅／％ 22002827 18002323 120088 2．3．3 EG R阀打开对原机的影响 当EGR阀打开、≠。一l 时，发动机各参数的变 化见表7。对于高低压系统来说，EGR 阀开度较大 时，由EG R系统引起的进气压力的减小以及增压 器废气能量的减少，使得总的空气进气量减少，即模 型中的增压器与发动机不匹配，将会使输出功减少， 气耗上升。减小阀门开度即加浓混合气有可能提高 输出功率，但是会使得N O ，的排放不能达到预期的 效果，因此唯一的办法是重新匹配增压器。高压系 统在计算中获得较好的效果，主要是因为EG R系 统对发动机和原增压器匹配的影响较小。从EG R 流量所占总进气流量的比例来看，从大到小依次为 H L，HP，LP，因此如果考虑用EG R 代替空气来对 表7EG R阀开启后发动机参数变化情况 EG R系统 E G R 有效总进气流EG R 流 类型阀开度／％功率／kW量／gS 1 量／gS_1 l O O7816883．3 83 113．6196 81．4 H L67 164．3 210 48．7 50199．422126．9 33 224．2 230 12．3 H P100299．4395118．6 L P100127．318548．6 车用发动机2012年第6期 燃气进行稀释，在增压器匹配的情况下H L更容易 实现，因此下文将讨论采用H L回路时EG R 对 C NG 发动机性能的影响。 3EG R 对C N G 发动机性能的影响 对3个工况点2 200r／m i n，1 800r ／m in， 1200r／m i n的100％负荷进行缸内燃烧过程的三 维计算，比较采用不同的EG R质量分数对声。一1的 混合气进行稀释后的燃烧情况，并与原机纯空气稀 释的情况进行对比。 3．1仿真模型的建立 在Fi re中建立仿真模型，湍流模型采用压缩修 正后的肛e双方程，燃烧模型采 用相干火焰模型 火焰面密度 模型 ，N O，生成模型采用泽 尔维奇扩展模型。活塞网格 模型见图8。计算从进气门关 闭时刻597。曲轴转角开始， 到排气门开启时刻822。曲轴 转角结束压缩上止点为 720。曲轴转角。设缸内初始 状态的压力、温度处处均匀。 图8活塞位于下止点 时的燃烧室网格 边界条件根据经验设定，活塞表面温度为 西l 55 - -D- -- EcR质量分数- -- 030．咖。 700710 720730 740750760770 曲轴转巾9／。J c放热率 590K，缸盖壁面温度为550K ，缸套壁面温度为 410K 。给定进气门关闭时刻缸内压力、温度、湍动 能、涡流强度、EGR 质量分数、空燃比及点火提前 角。火花塞位于缸套正中央，凸出缸盖底面5m m ， 火焰为直径3m m 的球形，点火持续时间为 0．0003S，初始火焰密度200m ～。调整计算模型 参数，使其与实机尽可能接近见图9。 5xJ M M／l H lH M l埘KJ m 轴转『f】口／f。} 图9 2200 r／m i n，100％负荷原机平 均缸压实测值与计算值的比较 3．2计算结果 3．2．1 2200r／m in，100％负荷工况点 图10示出缸内主要参数计算结果的比较。对 于屯一1的混合气来说，随着EG R质量分数的增 一EG R质量分数O32．西。 _。一Ef；R质量分数o．35，毋。 700 710720730740750760770 曲轴转角‘p／。 b缸内温度 720730740750760770 曲轴转镣∞}t。l dN O 质量分 图102200r／m in，100％负荷工况缸内主要参 计算结果的比较 9 8 7 6 5 4 3 ， - 孟皇＼ R ≤ 翟基 舳 ∞ ∞ 如 ∞ 舯 ∞ ∞ 如 0 2012年12月莫海俊，等天然气发动机EGR 系统的数值研究 表8 2 200r／m i n，100％负荷工况点计算结果 ≠。1．55，≯。1，≠。1，丸1， 计算指标 EG R质量分数0．07EG R质量分数一0．3EGR 质量分数0．32EG R质量分数0．35 指示功率／kW 230．4258．5243．5209．9 指示燃气消耗率／g kW “ 一1 183．5184．6190．3211 加，缸内压力、温度、放热率均有明显降低见图10a 至图10c，从而导致功率下降、气耗上升见表8， 但是NO 生成的降幅更大见图10d。对于该工况 点来说，当用质量分数为0．32的EG R对≯。一1的 混合气进行稀释时，其缸压与原机用纯空气稀释、 乒。一1．55的情况比较接近，而N 0的质量分数大幅 度减少，只有原机的]／5～]／4，但是气耗率有所升 高。如果要使气耗率保持原有水平，则要减小EG R 质量分数，约为0．3，这时N0生成量约为原机的 z／3。图10中4种情况的燃料质量分数分别为 3．463％，3．934％，3．836％，3．672％，也就是说，使 用EG R对混合气进行稀释时，要获得与使用纯空 气稀释的相近缸压，需要较浓的混合气。另外对于 乒。一1这种空燃比较小的情况而言，缸内过程对 EGR 质量分数的变化比较敏感，0．01的EGR 质量分 数变化都会使得缸内的压力和温度产生较大的变化。 3．2．2l800r／m i n，100oA 负荷工况点 对于该工况点来说，当用质量分数为0．25～ 一 曲。1．39 一D EG B质量分数0．25，咖．l 0．3的EG R对庐。一1的混合气进行稀释时，其缸压 与原机用纯空气稀释、j 5。一1．39的情况比较接近， 而N O的质量分数大幅度减少，只有原机的1／7，但 是气耗率有所升高。另外当EG R 质量分数从0．32 变化到0．35后，指示功率大幅下降，这主要是因为 缸内燃烧出现了较大的循环变动，这也说明了当 EG R质量分数达到一定值时，缸内的燃烧对EG R 气体含量变得十分敏感见图11和表9。 如果要使气耗率保持原有水平，EG R 的质量分 数应小于0．25，这时N 0生成量约为原机的1／3。 由此看来，在该工况点采用EG R比2200r ／m i n工 况点能够获得更好的降低N O 的效果。 3．2．31200r ／m in，100％负荷工况点 在1 200 r／m in工况点，对于{6。1的混合气来 说，随着EG R质量分数的增加，缸内压力、温度、放 热率及N O 生成等与2 200r／m i n，100％负荷工况 点的变化趋势相似 见图12 。对于该工况点来 说，当用质量分数为0．15的EG R对j 5。1的混合气 -一EGR质量分数O ．30，币．l _一EGB质量分数0．32，咖．l 曲轴转角‘p／ ‘ b缸内温度 ff}i轴转f 『J啦／{ ff『| 轴}々伯妒／ 。放热率d N O 质量分 图11 1800r／rai n，100％负荷工况缸内主要参 计算结果 78 车用发动机2012年第6期 表9 1800r／m i n，100％负荷工况点计算结果 ≠。1．39，≯。一1，≠。1，≯。1，≠。一1， 计算指标 EG R质量分数一0．07EG R质量分数0．25EGR 质量分数0．30EG R质量分数一0．32EG R质量分数一o．35 指示功率／kW 276．3295．8 258．4 237．7177．7 指示燃气消耗率／ 163．4165．3175．9186．3235．3 g kW h 一1 b。l 2 一D 一}；R质量分数o．20．咖。 710720730740750760 曲轴转角妒／。 a缸内压力 710 720730 740750760 曲轴转角p／。 c放热牢 一EG fl质量分数0．15．咖。 ‘eEG fl质量分数o．10．西． 30 2500 堇2000 斟 要l500 l 00 710720730740750760770 曲轴转角9／。 b缸内温度 图12 1200 r／m i n，100％负荷工况缸内主要参数计算结果 表10 1200r／m i n，100％负荷工况点计算结果 丸一l，≠。1，≠。一1， 计算指标纯空气稀释，丸1．2 EG R质量分数0．1EG R质量分数一0．15EG R质量分数0．2 指示功率／kW 277．6316．7 292．4263．8 指示燃气消耗率／gkW h“ 171．3172．1175．3182．5 进行稀释时，其缸内过程与原机用纯空气稀释、 声。一1．2的情况比较接近，而N O 的质量分数大幅 度减少，不到原机的1／2，但是气耗率有所升高见 表l O。如果要使气耗率保持原有水平，EG R 的质 量分数应小于0．1，这时N O 生成量约为原机 的80％。 总的来说，用EG R来对{6。一1的混合气进行稀 释是降低NO 排放的一个有效途径，EGR 质量分 对经济性和排放性有着重要的影响，在实际中需要 折中选取能同时满足经济性和排放性的EGR的质 量分数。从计算的结果来看，对于100％负荷的工 况点来说，转速越低，所需要的EG R质量分数 越小。 4结论 a在天然气燃烧过程中，氧浓度和燃烧温度对 NO 的生成有着非常重要的影响，因此用EGR代替 一部分空气对天然气进行稀释，能显著减少天然气 9 7 5 3 l芝＼R 兰墨追 m ∞ ，㈩ 撇茄髓 淼 一 珈珊 2012年12月 莫海俊，等天然气发动机EG R系统的数值研究 79 发动机的N O 排放； m eberkeley．edu／gri mech b EGR 阀关闭时，高压H P回路对进气量没 E4JR eppe rtTH eavy-D ut yW ast eH aul er w i th Chem ical l y 有影响，而高低压H L 和低压 LP 回路的进气量 Corr ectN at ur alG asEngi“8D il utedw i thEG R8n。u一 有较大的减少；EGR 管径越小，EG R系统对原机进 8i ng a Thr ee_wayca‘al y5‘’sub。。n‘raclR 。p。n[R ] 气流量的影响越大；发动机转速越低，EG R系统对 E5]芒R。mEiLt7BhSR。-r954。0。-。3，82N22igel,20N05‘Cl。。k，w 。yn。H i ld。b，。。d 原机的影响越小；高压回路由于其压差较大，因此较 M ．Exh。。。t0。。R。。；。。l。ti。。i。。L。。。一B。，。N 。t。ral 容易获得较大的EGR 率5 G asEngi neEc]．SA EPaD e，981395，1998． c综合各项性能指标，各工况点都相应较优的 [6] B r ia。J am 。。Kal i。。．Num er i。。1 St udy ofElf ectsof EG R质量分数2 200 r／m i n，100％负荷工况点，H i ghExhaustG asReci rculat ionandEner gyR ecovery EG R质量分数为0．3时较优；1800r／m in，100％负 Syst emO i lDies elEngi nePer ance[M ]．Iow aIo一 荷工况点，EG R 质量分数为0．25时较优； w aSt at e Uni versit y，2009 1200 r／m i n，100％负荷工况点，EG R质量分数为 [ 72 于文英EGR 对小型汽油机排放和性能影响的实验研 0．I时较优。 究LJ]小型内燃机与摩托车, 2010, 39680-83． [8]徐-g龙．利用排气再循环降低汽油机的N O。排放Lj j． 参考文献 兵工学报坦克装甲-g与发动机分册，200021922． r 9] 朱昌吉，富- K 下EG R对增压中冷CN G 发动机性能的 El i丁永航燃烧过程中N 0，的生成机理和抑制技术[ J]。 影响[J] ．汽车工程，2010，32 7 579- 581． 上海煤气，2007 4 20-23． r 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h FI R Esoft w are，theinf luences ofEG Rm assfr actionondi es elengi nedynam i cper ance，econom yandN O ，em issi on underdi fferentcondi t ionsw er epredi c t ed．TheresuIt sshowthata11theper f orm ance ar ebetterunder f ul lloadcondi t ionsof2200r／m in，1800r／m i nand l200r／ m i nw it h0．3。0．15and0．1EG Rm as sfr act ionr espect i vel y．Thenum er i cal r esear ch lays thef oundat i onforf ur therexper im ent devel opm ent ． K eyw or dsN Gengi ne；EG R；si m ul at i on；com bust i on；em i ssi on cont rol[编辑李建新