進(jìn)氣摻混H2和CO2對(duì)柴油機(jī)燃燒及排放的影響

程曉章1,趙世超1,肖萍2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥230009;2.鹽田國際集裝箱碼頭有限公司 港口發(fā)展部,廣東 深圳518081)

摘要:文章利用Fire軟件建立了ZS195柴油機(jī)缸內(nèi)工作模型,在摻氫EGR(exhaust gas recirculation)的條件下,利用CO2模擬廢氣,模擬了4種摻混比例的氣體(2%H2,2%H2+5%CO2,2%H2+10%CO2,2%H2+15%CO2)對(duì)ZS195柴油機(jī)的燃燒過程和排放的影響。模擬計(jì)算結(jié)果表明：柴油機(jī)摻氫燃燒可以在一定程度上提高熱效率；而隨著EGR率的提高,缸內(nèi)最高溫度減小,最高爆發(fā)壓力降低,著火點(diǎn)推遲。因此,可以通過選取適當(dāng)?shù)腅GR率來提高柴油機(jī)熱效率，同時(shí)減少氧化物的排放。

關(guān)鍵詞:摻氫EGR;柴油機(jī);數(shù)值模擬

收稿日期：2014-09-27；修回日期：2015-01-05

基金項(xiàng)目：國家發(fā)改委和工信部產(chǎn)業(yè)振興和技術(shù)改造資助項(xiàng)目(發(fā)改投資[2012]1938)

作者簡(jiǎn)介：程曉章 (1966-),男,安徽太湖人,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.10.002

中圖分類號(hào):U467.48

Influence of inlet mixed with H2and CO2on diesel

engine combustion and emissions

CHENG Xiao-zhang1,ZHAO Shi-chao1,XIAO Ping2

(1.School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Port Development Department, Yantian International Container Terminals Co.,Ltd., Shenzhen 518081, China)

Abstract:The ZS195 diesel engine cylinder working process model is established by Fire software, and under the condition of hydrogen combined with exhaust gas recirculation(EGR), the impact of four different mixing proportions including 2%H2, 2%H2+5%CO2, 2%H2+10%CO2, and 2%H2+15%CO2 on ZS195 diesel engine combustion and emissions is simulated by using simulated flue gas CO2. The simulation results show that under the condition of hydrogen combustion of diesel engine, the thermal efficiency is improved to a certain extent. With the improvement of EGR rate, the maximum cylinder temperature decreases, the cylinder peak pressure decreases, and the ignition point postpones. So the EGR rate should be controlled properly to control the combustion rate and emissions.

Key words:hydrogen combined with exhaust gas recirculation(EGR); diesel engine; numerical simulation

0引言

柴油機(jī)因具有熱效率高、使用壽命長、可靠性強(qiáng)、燃油經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn),處在所屬產(chǎn)業(yè)鏈核心位置。氫氣具有著火能量小、擴(kuò)散系數(shù)大、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、著火界限寬等?yōu)點(diǎn), 被認(rèn)為是內(nèi)燃機(jī)理想的代用燃料[1]。文獻(xiàn)[2]通過研究得出了摻氫燃燒能降低柴油機(jī)煙度、CO、CO2排放水平的結(jié)論,但摻氫雖然能提高柴油機(jī)熱效率,卻導(dǎo)致柴油機(jī)缸內(nèi)溫度升高,給NOx提供了有利的生成環(huán)境[3]。

EGR(exhaust gas recirculation)系統(tǒng)的作用是將部分廢氣引出排氣系統(tǒng),再進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng),使其再度燃燒。EGR通過對(duì)進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)的廢氣量進(jìn)行最佳的控制和調(diào)節(jié),能有效控制NOx的排放[4]。本文利用CO2模擬廢氣,通過改變CO2的體積分?jǐn)?shù)來改變進(jìn)氣系統(tǒng)的廢氣量,模擬不同的EGR率,對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程和排放進(jìn)行數(shù)值模擬,以實(shí)現(xiàn)在摻氫提高柴油機(jī)熱效率的同時(shí),降低NOx排放。

1缸內(nèi)工作模型的建立和驗(yàn)證

1.1缸內(nèi)工作模型的建立

在ESE-Diesel模塊中,柴油機(jī)只計(jì)算從進(jìn)氣門關(guān)到排氣門開的高壓循環(huán),因此邊界類型均可默認(rèn)為Wall,只需定義壁面溫度即可。為了保證中心網(wǎng)格是六面體,在中心處形成的面應(yīng)設(shè)置為Symmetry(對(duì)稱界面)?；钊吔鐥l件的設(shè)置如圖1所示。

圖1　活塞邊界條件的設(shè)置

瞬態(tài)計(jì)算時(shí)要正確設(shè)置初始條件。對(duì)于只計(jì)算高壓循環(huán)的柴油機(jī),初始條件決定了氣缸內(nèi)的空氣質(zhì)量和初始狀態(tài)。壓力和溫度的數(shù)值可采用試驗(yàn)值,也可用Boost計(jì)算后對(duì)應(yīng)時(shí)刻(即進(jìn)氣門關(guān))的數(shù)值。由于本文采用模擬摻氫EGR,模擬計(jì)算從進(jìn)氣門關(guān)閉開始至排氣門打開結(jié)束,需在初始條件中定義各種氣體的初始體積分?jǐn)?shù)。初始條件設(shè)置界面如圖2所示,包括進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)流場(chǎng)的初始?jí)毫Α囟群蛶讉€(gè)湍流參數(shù)[5]。

圖2　初始條件設(shè)置

1.2缸內(nèi)工作模型的驗(yàn)證

利用已經(jīng)建立好的模型對(duì)ZS195柴油機(jī)進(jìn)行燃燒模擬計(jì)算。在標(biāo)定工況下,ZS195柴油機(jī)缸內(nèi)壓力的模擬計(jì)算值和試驗(yàn)值隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線如圖3所示。

圖3　ZS195柴油機(jī)缸內(nèi)壓力的模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比

從圖3可以看出,模擬燃燒過程的燃燒始點(diǎn)、最大燃燒壓力相位與試驗(yàn)值比較接近,但模擬計(jì)算所得的最高燃燒壓力要大于試驗(yàn)值。在前期壓縮過程中,缸內(nèi)壓力的模擬值比試驗(yàn)值大；在后期排氣門開啟前,模擬缸內(nèi)壓力值要比試驗(yàn)值下降得慢。這是因?yàn)槟M計(jì)算時(shí)沒有考慮氣缸壁面和缸內(nèi)工質(zhì)之間的熱傳遞和熱輻射現(xiàn)象。因此在標(biāo)定工況下,ZS195柴油機(jī)缸內(nèi)壓力的模擬值和試驗(yàn)值的變化趨勢(shì)基本一致,說明本文建立的燃燒模型較為合理[6]。

2模擬方案

柴油機(jī)標(biāo)定工況下對(duì)4種不同比例的摻混H2和CO2進(jìn)行模擬研究，摻混方案見表1所列。

表1　摻混H 2和CO 2的方案

3模擬結(jié)果及分析

3.14種方案平均壓力和平均溫度分析

4種方案全過程的平均壓力和平均溫度如圖4所示,以最高壓力排行從上到下分別為方案A、方案B、方案C、方案D。

由圖4可以看出,方案A的最高壓力和燃燒溫度都是最高的,方案D的最高壓力和燃燒溫度都是最低的,基本規(guī)律是隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加,平均最高燃燒溫度和平均最高壓力減小,這與理論規(guī)律相符合,CO2抑制燃燒,導(dǎo)致燃燒溫度和壓力降低[7]。相同H2含量時(shí),隨著EGR率的增加,最高燃燒溫度和壓力在降低。

對(duì)高溫、高壓區(qū)(燃燒溫度T>1 600 K、壓力P>6 MPa的時(shí)間段)曲軸轉(zhuǎn)角的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2所列。

從表2可以看出,CO2比例的增加,導(dǎo)致高溫、高壓區(qū)曲軸轉(zhuǎn)過的角度減小,即高溫、高壓的持續(xù)時(shí)間減短,而高溫、高壓是導(dǎo)致NOx增加的主要原因,故NOx的排放減少。

圖4　4種方案全過程的平均壓力和平均溫度

方案T>1600K曲軸轉(zhuǎn)角/(°)曲軸轉(zhuǎn)過角度/(°)P>6MPa曲軸轉(zhuǎn)角/(°)曲軸轉(zhuǎn)過角度/(°)A717~79073717~74124B724~79066725~74116C730~79060729~74112D732~79058732~7419

對(duì)4種方案的最高溫度值、最高壓力值及其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角的統(tǒng)計(jì),見表3所列。

表3　最高溫度、最高壓力值及其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角

由表3可以看出,隨著進(jìn)氣中CO2比例的增加,最高溫度的曲軸轉(zhuǎn)角提前;而隨著CO2比例的增加,最大壓力出現(xiàn)的曲軸角度延后,這是由于CO2抑制燃燒導(dǎo)致的。

3.24種方案的溫度場(chǎng)和壓力分布

4種方案的著火點(diǎn)、最高壓力、最高溫度的溫度場(chǎng)分布如圖5所示。

縱向比較圖5中最高平均溫度對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布可以看出,隨著CO2比例的增加,火焰分布明顯變差,燃燒狀況變差。這是由于H2易燃、熱值較高,摻氫使得缸內(nèi)整體燃燒溫度有所提高,但加入CO2使得局部高溫區(qū)被抑制,缸內(nèi)燃燒較為均勻,減少了因高溫生成NOx的機(jī)會(huì),可見EGR率提高會(huì)抑制燃燒的進(jìn)行,從而降低NOx的排放,但同時(shí)會(huì)使碳煙排放增大[8]。

4種方案著火點(diǎn)、平均最高壓力、平均最高溫度時(shí)的壓力分布如圖6所示。

由圖6可以看出,隨著CO2比例的增加,在缸內(nèi)相同點(diǎn)壓力減小,壓力分布更加集中,缸內(nèi)最高燃燒壓力呈下降趨勢(shì)。這和EGR燃燒趨勢(shì)是一致的,即EGR率的增加,導(dǎo)致缸內(nèi)廢氣量即CO2和水蒸氣的量增加,對(duì)缸內(nèi)燃燒過程起一定抑制的作用,使缸內(nèi)最高壓力下降,同時(shí)缸內(nèi)混合氣比熱增大,平均溫度也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖5　4種方案著火點(diǎn)、平均最高壓力、平均最高溫度對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布圖( y軸、 z軸視角)

圖6　4種方案著火點(diǎn)、平均最高壓力、平均最高溫度對(duì)應(yīng)的壓力分布圖( y軸、 z軸視角)

3.3排放分析

方案A、B、C、D全過程的平均NO排放如圖7所示。圖7中平均NO的排放量從大到小排列分別為方案A、方案B、方案C、方案D。隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的升高,柴油機(jī)的著火時(shí)刻推遲,同時(shí)NO的排放量也依次減少。由于柴油機(jī)排放的NOx的主要成分是NO,可以認(rèn)為隨著CO2的增加,NOx的排放量在減少。其主要原因是CO2的加入使燃燒的平均溫度降低,有利于在燃燒過程中抑制NO的生成,使得NO的生成量減少。

圖7　平均NO排放圖

4結(jié)論

本文以ZS195柴油機(jī)為模型,利用Fire軟件進(jìn)行了摻氫EGR的數(shù)值模擬,研究了摻氫混合氣(H2、CO2)對(duì)缸內(nèi)燃燒以及排放的影響。

通過試驗(yàn)得出以下結(jié)論:

(1) 隨著EGR率增加,缸內(nèi)整體火焰分布明顯變差,局部高溫區(qū)受到了抑制使得高溫區(qū)域減小,同時(shí)高壓、高溫工況的持續(xù)時(shí)間減短,NOx生成量減小。故而適當(dāng)調(diào)配EGR率,能控制缸內(nèi)溫度和壓力,從而達(dá)到改善燃燒與排放的效果。

(2) 在相同工況下,隨著CO2體積分?jǐn)?shù)(EGR率)的升高,缸內(nèi)最高溫度減小,最高缸內(nèi)爆發(fā)壓力降低,著火點(diǎn)推遲。方案D(2%H2+15%CO2)與方案A(2%H2)相比,缸內(nèi)最高溫度減小了2.7%,缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力降低了18%,著火曲軸轉(zhuǎn)角推遲了14°。

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(責(zé)任編輯胡亞敏)