（动力机械及工程专业论文）降低稀燃汽油机nox排放的数值模拟与试验研究.pdf

摘要 随着能源危机的日益加剧、环境问题的不断恶化，节能与环保己成为现代内 燃机发展的主题。稀薄燃烧技术可以提高汽油机热效率、减小节流损失，有助于 汽油机燃油经济性与排放性的改善，日益受到人们的关注。计算机数值模拟，可 以缩短试验时间、斛氏工作强度，为试验方案的制定提供理论指导。本文在一台 国产c a 3 g a 2 汽油机上，进行了汽油机稀薄燃烧的相关模拟与试验研究。 首先，利用a v l b o o s t 软件建立了c a 3 g a 2 汽油机的一维数值模型，并在该 模型上进行稀燃模拟的相关研究，包括：汽油机稀燃的经济性模拟、排放性模拟、 涡流强度影响模拟、e g r 对n o x 排放影响模拟。模拟结果表明：发动机的比油 耗，随着空燃比的增加而呈下降趋势，当空燃比大于1 8 后，模拟比油耗下降幅 度减缓，并在空燃比2 1 时，达到了最低油耗点；c o 排放随空燃比的增大持续 下降，h c 排放随空燃比的增大表现为先减小后增大的趋势，n o x 排放则随着空 燃比的增大呈现出先增大后减小的趋势；发动机的燃油消耗率随着涡流比的增大 呈现先减小后增大的趋势，n o x 的排放则随涡流比的增大表现为先增大后减小 的趋势，综合考虑经济性与排放性，涡流比应选择在0 8 1 2 之间。 其次，利用a v l f i r e 软件建立了c a 3 g a 2 汽油机的三维数值模型，并在该 模型上进行稀燃模拟的相关研究，包括：涡流对流速场影响模拟、平均压力模拟、 湍动能场模拟、e g r 对温度场影响模拟。模拟结果表明：随着单边气道截面积 的不断减小，涡旋中心强度并不是一直加强，而是在挡板a 2 位置时达到最大； 进气初期，湍动能主要集中在气门的右侧区域，随着曲轴转角的增大，湍动能在 缸内的分布最终趋于平均化：当e g r 率为0 、8 、1 5 、2 4 时，对应的燃烧 温度分别为2 0 2 0 k 、1 8 0 0 k 、1 6 0 0 k 、1 4 7 0 k ，温度下降梯度约为1 0 左右。 最后，试验研究了不同涡流强度及不同e g r 率对稀燃汽油机燃油经济性与 排放性的影响，试验结果表明：挡板位置a 2 与a 0 时相比，h c 、n o x 排放及燃 油消耗率均有明显下降，c o 排放基本不变，也即一定强度的涡流运动，能够改 善稀燃发动机的燃油经济性与排放性：e g r 对n o x 排放的降低有很明显的效果， 但e g r 率过大时，会使得发动机h c 排放值上升、燃油消耗率恶化。 关键词：稀薄燃烧数值模拟空燃比涡流比n o x 排放e g r a b s t r a c t a st h ec r i s i si ne n e r g yg r o w sa n dc l i m a t ep o l l u t i o nm o u n t su p ，f u e le f f i c i e n c y a n de m i s s i o nr e d u c t i o n sa r et h et w oc o n s i s t e n td r i v e r sf o ri n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e d e v e l o p m e n t l e a n b u mt e c h n o l o g yc a ni m p r o v et h et h e r m a le f f i c i e n c y ，r e d u c e p u m p i n gl o s s e s ，a n dh e l pi m p r o v eg a s o l i n ee n g i n e f u e le c o n o m ya n de m i s s i o n s ， w h i c hh a sa t t r a c t e de v e r - g r o w i n gi n t e r e s t c o m p u t e rt e c h n o l o g yc o n t i n u e st od e v e l o p a n di to f f e r sf a c i l i t i e sf o rt h ee n g i n ec o m b u s t i o np r o c e s ss i m u l a t i o n w i t ht h eh e l po f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i tn o to n l yc a ng r e a t l yr e d u c et e s tt i m ea n dl a b o ri n t e n s i t y ，b u t a l s oh e l p st ou n d e r s t a n dt h ec y l i n d e rc o m b u s t i o np r o c e s sa n dp r o p o s et h em e t h o df o r i m p r o v i n gt h ec o m b u s t i o np r o c e s s ，p r o v i d i n gg u i d a n c ef o rt h ee n g i n ed e s i g na n d t h e d e v e l o p m e n to fe x p e r i m e n t a lp r o g r a m s t h i s a r t i c l ep r e s e n t ss t u d yw o r ko ft h e l e a n b u r ng a s o l i n e r e l a t e d s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t ，w h i c h i sc o n d u c t e do n d o m e s t i ce n g i n ec a 3 g a 2 f i r s to fa l l ，ao n e d i m e n s i o n a lm o d e lf o rc a 3 g a 2g a s o l i n ee n g i n e i sp r e s e n t e d i nt h i sp a p e rb yu s i n gt 1 1 ea v l b o o s ts o f t w a r e f u r t h e r m o r e ，al e a n - b u r ns i m u l a t i o n r e s e a r c hi sc o n d u c t e d ，p r o v i d i n gt h es i m u l a t i o np r o b l e m so f f u e le c o n o m y ，e m i s s i o n s ， v o r t e xi n t e n s i t ya n di n f l u e n c ef r o me g ro nn o xe m i s s i o n s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s i 1 1 d i c a t et h a t ：a st h ea i r f u e lr a t i oi n c r e a s e s ，t h ee n g i n ef u e lc o n s u m p t i o nd e c r e a s e s a n dw h e nt h ea i r - f u e lr a t i oi sl a r g e rt h a n18 ，t h ed o w n w a r dt r e n db e c o m e sw e a k ；t h e f u e lc o n s u m p t i o nr e a c h e si t sm i n i m u ma ta f = 21 t h ec oe m i s s i o n sc o n t i n u et o d e c l i n ea st h ea i r - 如e lr a t i oi n c r e a s e s ；h ce m i s s i o n si n c r e a s ea f t e rd e c r e a s ew i t ht h e a i r f u e lr a t i oi n c r e a s i n g ；n o xe m i s s i o n sd e c r e a s ea f t e ri n c r e a s ea st h ea i r f u e lr a t i o i n c r e a s e s a st h es w i r lr a t i oi n c r e a s e s ，t h e r e i sat e n d e n c yo fi n c r e a s i n ga f t e r d e c r e a s i n gi ne n g i n ef u e lc o n s u m p t i o nr a t ea n dt h es w i r lr a t i os h o u l db es e l e c t e d i n t h er a n g eo f0 8 1 2f o rl o w e rf u e lc o n s u m p t i o nr a t e s e c o n d l v a3 - d i m e n s i o n a lm o d e lf o rc a 3 g a 2g a s o l i n ee n g i n ei sp r e s e n t e db y u s i n gt h ea v l f i r es o f t w a r e r e l a t e ds i m u l a t i o nr e s e a r c h i sc o n d u c t e di n c l u d i n g s e v e r a la s p e c t s ：i n f l u e n c ef r o mt u r b u l e n c eo nv e l o c i t yf i e l d ，m e a np r e s s u r e ，t u r b u l e n t k i n e t i ce n e r g yf i e l da n di n f l u e n c ef r o me g ro nt e m p e r a t u r ef i e l d t h es i m u l a t i o n r e s u i t ss h o wt h a t ：v a r y i n gt h ec r o s s s e c t i o n a la r e ao fs i n g l es i d ee x e r t sa l li n f l u e n c e o nt h ei n t e n s i t yo ft h ev o r t e xw h i c hr e a c h e st h em a x i m u m v a l u ea tt h eb a f f l ep o s i t i o n o fa 2 a tt h ei n i t i ns t a g eo fi n t a k es t r o k e ，t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yi sc e n t r n i z e di n t h er i g h tr e g i o n ；a st h ec r a n k s h a f tr o t a t e s ，t u r b u l e n tk i n e t i c e n e r g ye v e n t u a l l y b e c o m e se v e n t h et e m p e r a t u r eo ft h ec o m b u s t i o np r o c e s sa to ，8 ，15 a n d2 4 o fe g ri s2 0 2 0 k 、18 0 0 k 、16 0 0 ka n d1 4 7 0 kr e s p e c t i v e l y , d o w ng r a d i e n to fa b o u t 1 0 a tt h ee n do ft h ep a p e r , i ti ss t u d i e di nt h ee x p e r i m e n tt h a th o wd i f f e r e n tv o r t e x i n t e n s i t ya n dd i f f e r e n te g r r a t eh a v eh a dd i f f e r e n ti m p a c t su p o nl e a nb u r ng a s o l i n e e n g i n ef u e le c o n o m y a n de m i s s i o n s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ：t h ep e r f o r m a n c e a tb a f f l ep o s i t i o no fa 2i sb e a e rt h a nt h a ta ta o ，r e d u c i n gt h eh c ，n o xe m i s s i o n sa n d s p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n ，n a m e l y , v o r t e xf l o w sw i t hc e r t a i ns t r e n g t hh e l p si m p r o v e s t h ef u e le c o n o m ya n de m i s s i o n so fl e a n b u r ne n g i n e n o xe m i s s i o n sc o u l db eg r e a t l y d e c r e a s e dt h r o u g hu s i n ge g r w i t ht h ee g rr a t ec o n t i n u e dt o i n c r e a s e ，n o x e m i s s i o n sd e c r e a s ec o n t i n u o u s l y h o w e v e r ，i ft h er a t eo fe g ri se x c e s s i v e ，i tw o u l d g i v er i s et oas i g n i f i c a n ti n c r e a s ei nh ce m i s s i o n sa n df u e le c o n o m yd e t e r i o r a t i o n ， e t c ，s oi ti si m p o r t a n tt os e l e c tr e a s o n a b l ee g r r a t ec o n s i d e r i n gt h ee m i s s i o n so ft h e e n g i n ea n df u e le c o n o m y k e yw o r d s ：l e a n b u r n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a fr a t i o ，s w i r lr a t i o ，n o x e m i s s i o n s ，e g r 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早瑁了匕 内燃机自1 9 世纪8 0 年代问世以来，在这一百多年间，经过：不断的技术创新 与完善，已发展为当今热效率最高的热力发动机。同时由于它的环境适应性、使 用耐久性、操作方便等特点，被广泛用于生产生活各个领域。 然而内燃机的广泛应用，也使得世界的能源安全面临威胁，国际能源机构研 究表明：2 0 0 1 年，交通领域行业消耗的石油资源占到了全世界所产石油总量的 5 7 ，预计到2 0 3 0 年时，交通领域行业的石油需求量将超过8 0 。我国是一个 能源进口大国，能源危机对我国的经济发展将造成重大的彤响。根据国务院所发 布的统计数据，研究计算表明：2 0 1 0 年，我国所消耗的石油资源中5 0 要依赖 进口，且预计到2 0 2 0 年，这一数字将超过6 0 ，面对如此严峻的能源问题，我 国政府也不断出台相关的政策，如提出了发动机节能减排计划，发展高效节能汽 油机计划等。降低发动机的燃油消耗率、控制发动机的尾气排放，对环境保护和 节约能源都具有重大的意义，同时也是我国汽车工业发展所面临的两个挑战。 环境问题多种多样，归结起来大致可分为两类 2 ，即全球性污染和区域性 污染。其中区域性污染是指：由于人类排放的有害有毒气体对人类的身心健康造 成损害，如：汽车尾气中的c o 、h c 、n o x 排放及颗粒物排放，化工生产工程 中产生的苯，甲醛等有毒物。全球性污染是指：由于大量使用矿物燃料( 如煤、 石油) 所燃烧产生了大量的c 0 2 等温室气体，导致全球气候变暖，随着气候变 暖气温升高，危害了自然界的生态系统平衡，威胁了人类的居住环境，同时由丁 排放的废气中含有s 0 2 和氮氧化物等酸性物质，造成酸性降雨，导致植被死亡、 生态系统破坏，危害地球生物生存。 随着环境问题的不断恶化，人们逐步认识到了环保的重要性，人们的环保意 识也在不断加强。特别是近年来，随着汽车行业的迅速发展，每年汽车尾气排放 了大量的c 0 2 ，导致空气中c 0 2 浓度逐年增加，全球气候变暖现象加重，并已威 胁到了人类的居住环境。发动机尾气排放是c o ：增加的主要来源，针对尾气排 放问题，各国政府在政策上制定了愈来愈严格的排放法规，以此加强对环境的保 护，实现可持续发展。 在发动机尾气排放控制过程中，美国实施了低排放汽车、超低排放机动车、 高超低排放车辆等阶段性尾气排放法规【3 。2 0 0 0 年，欧洲开始使用欧三排放法规， 第一章绪论 2 0 0 5 年，欧洲又使用了欧四排放法规4 1 。日本的汽车企业不断研发新的发动机， 以满足日益严格的排放法规要求，其中还包括零排放机动车的研究5 1 。欧洲的排 放法规发展情况【6 1 详见表1 1 。 表i - 1 欧洲车辆排放标准 欧i i欧i i i欧 车型 排放物( g k m ) ( 1 9 9 6 )( 2 0 0 0 )( 2 0 0 5 ) c 02 22 31 0 h c + n o x0 5 汽油发动机汽车 h c0 20 1 n o x0 1 50 0 8 c 01 o0 6 4o 5 直喷型柴油机汽h c + n o x0 90 5 60 3 奎 n o x0 50 2 5 p m0 1o 0 50 0 2 5 c o1 00 6 40 5 非直喷型柴油机h c + n o xo 7o 5 6 0 3 汽车 n o x0 50 2 5 p m0 0 80 0 50 0 2 5 从新中国成立到现在，我国的汽车工业已有6 0 年的发展历史，虽然取得了 很大的成果，但与欧美等国家相比，仍存在技术水平落后、汽车尾气排放过高等 问题。基于我国的国情，参照欧美等国家的排放法规标准，我国政府也制定了适 合于本国国情的阶段性排放法规。2 0 0 0 年，我国开始执行欧一排放法规，2 0 0 5 年开始实行欧二排放法规，2 0 0 8 年开始实施国三排放法规，目前我国局部地区 并已开始实行国四排放法规，随着我国大气污染的日益严重，对发动机技术的革 新要求、对有害物排放的控制要求也日益强烈，制造出满足更高排放标准的机动 车，已成为制约我国汽车行业发展的主要因素。 作为，名内燃机专业的学生，我们有责任和义务去开发出更加高效节能的内 燃机。生产生活中，所使用的内燃机主要分为汽油机和柴油机两类，针对汽油机、 柴油机所存在排放性与经济性问题，我们需要不断的进行改进研究，争取开发出 高热效率、零排放发动机。 汽油机本质上热效率低下，且在部分负荷时节流损失大，以至于燃油消耗率 恶化，造成燃油经济性较差。为了提高汽油机的热效率，改善汽油机的燃油经济 第一章绪论 性，内燃机工作者不断开拓创新，尝试并发展各种新技术。其中汽油机稀薄燃烧 技术，具有燃料利用率高、节流损失小，能够改善发动机的排放性、降低发动机 燃油消耗率等优势，愈来愈受到人们的关注。但要实现稀燃汽油机量产化，还需 要大量的研究工作，包括：改进发动机的稀燃过程，组织缸内的气流运动以形 成好的混合气分层效果，扩大其应用范围；加强对有害物排放的控制，尤其是 发动机稀燃后n o x 的有效控制。针对上述情况，本文在c a 3 g a 2 四气门电控燃 油喷射汽油机上进行了相关的数值模拟与试验研究。 1 2 汽油机稀薄燃烧技术概述 1 2 1 稀薄燃烧技术的实现 早在2 0 世纪7 0 年代，由于排放法规的限制和石油危机的影响，欧美等国 家就开始了稀薄燃烧技术方面的研究，进而来提高发动机的燃油经济性和排放 性，尤其是改善汽油机部分负荷时的特性。早期稀薄燃烧系统可分两种：预燃室 式和统一式燃烧室。舯f o r d 公司的程序燃烧p r o c o ( p r o g r a m m e dc o n t r o l l e d ) 系统和t e x a c o 石油公司的t c p 燃烧系统是统一式燃烧室的代表；而日本本田公 司的c v c c ( c o m p o u n dv o r t e xc o n t r o l l e dc o m b u s t i o ns y s t e m ) ：分层燃烧系统则 是预燃室式的燃烧系统；由于早期的稀薄燃烧系统技术有限，又加上难以解决稀 燃时的汽车尾气排放过高的问题，尤其是n o x 排放，所以早期生产的稀燃发动 机很少 7 】。 随着能源问题的日益严峻，人们对发动机的燃油经济性要求也愈来愈高，稀 薄燃烧技术也就更加受到了内燃机工作者的关注。当今的稀薄燃烧系统大都用于 电控燃油喷射多气门汽油机上，可分为进气道喷射和缸内直喷稀薄燃烧系统两大 类。 研究发现【8 】，汽油机采用缸内燃油直接喷射时，燃油以细微油滴状的薄雾方 式进入气缸，所以当燃油薄雾变为可燃蒸汽时，需要吸收缸内热量，进而起到了 冷却气缸的目的，降低了发动机对辛烷的要求，所以可以适当的增大其压缩比， 提高了发动机的动力性与经济性。同时缸内直喷汽油机也有很多缺点1 1 ，如： 由于采用燃油缸内喷射，喷油器安装在气缸内部，工作环境恶劣，易造成喷油器 喷嘴积碳现象；发动机运行在i 每负荷时，缸内处于浓混合气状态，缸内燃油分布 不均匀，在喷嘴附近区域易生成碳烟；为了在缸内形成良好的分层，需要对燃烧 室精心设计，生产成本较高。鉴于缸内直喷发动机结构复杂，价格昂贵，所以要 想大量投入生产，还需要一段时问。我国轿车所用汽油机多为气道喷射，在气道 第一章绪论 喷射汽油机上采用稀薄燃烧技术，可以在较小的改制下实现稀燃，基于我国国情， 研究稀薄燃烧技术在气道喷射汽油机上的应用更具有前景。 1 2 2 稀薄燃烧技术的优点 稀薄燃烧技术能够改善发动机的燃油经济性与排放性，提高发动机的热效 率，实现发动机的高效节能燃烧，具体表现为： ( 1 ) 改善发动机的经济性：随着发动机空燃比的不断增加，其热效率也会不断 增大，在极限空燃比时，热效率达到理论最大值 1 2 。发动机稀燃时，0 2 和n 2 是缸内气体的主要成分，这两种气体的绝热指数k 较高，绝热指数和指示热效 率成正比关系，所以当发动机稀燃时，其热效率与理论空燃比下燃烧时相比，可 提高8 以上；同时，发动机稀燃时，缸内混合气的燃烧温度较低，减小了传热 损失和燃料离解损失，进一步提高了发动机的热效率；稀薄燃烧时，发动机节气 门开度大，泵气损失减小，加上稀燃发动机工作在高负荷时，爆震燃烧极限对其 限制较小，可以采用较高的压缩比，也使发动机热效率1 3 【1 4 1 进一步提高。 ( 2 ) 改善发动机的排放性：与理论空燃比相比，发动机处于稀燃时的缸内燃烧 温度有明显的下降，有效的抑制了n o x 产生所需要的高温条件，有利于n o x 排 放的降低；同时，稀燃时由于缸内有充分的0 2 ，有利于h c 和c o 的氧化燃烧， 使得h c 和c o 的排放降低；然而，随着空燃比的不断增加，燃烧速度会持续下 降，造成发动机的h c 排放值又有所上升，设计出合理的燃烧室形状，组织缸内 气流运动、缩短燃烧时间，那么三种有害物排污均可以大大降低。 ( 3 ) 改善发动机的部分负荷性能：燃油气道喷射汽油机，其负荷的改变是通过 调节节气门的开度来实现，节气门的存在，造成了节流损失，使得燃料消耗率有 所增加；当发动机采用稀薄燃烧技术，并工作在部分负荷时，可以不用节气门调 节，而采用变质调节，进而提高部分负荷时的热效率。 1 2 3 稀薄燃烧存在的问题 发动机采用稀薄燃烧技术，一方面能提高其燃油经济性，另一面对其排放性 也有较明显的改善，但在实际应用中，仍存在许多问题匝代解决：发动机工作 在稀燃状态时，随着空燃比的不断增大，缸内混合气不断变稀，导致着火延迟时 间加长，燃料燃烧速度、火焰传播速度变慢，造成不完全燃烧：缸内混合气变 稀时，可燃混合气难以在火花塞附近形成浓区，导致火核难以形成，所需最小点 火能量增人，增加了点火难度，延长了滞燃期和火焰传播时间，降低了燃烧效率， 增大了缸内燃烧循环变动，影响汽车驾驶舒适性与稳定性；发动机稀薄燃烧时， 第一章绪论 由于缸内混合气分层作用，在火花塞附近将形成过浓混合气或过大的浓混合气区 域，这些区域又处于高温区域，使得这些地方的n o x 生成增大；对于稀燃发 动机，精确控制其喷油时刻、点火时刻十分重要，采用可变的进气运动结合喷油 策略，在缸内形成更好的混合气分层1 5 ，可以进一步提高发动机的稀燃极限：同 时为了改善发动机的排放性，还要采用e g r 1 6 1 、稀燃催化技术 1 7 1 等。 1 2 4 分层稀薄燃烧技术 对于稀燃发动机，其缸内的混合气处于较稀的状态，如果不能在火花塞附近 形成浓的可燃混合气区域，发动机将不能正常点火和火焰传播。为了保证稀燃发 动机可靠点火，维持发动机正常燃烧，在火花塞附近需要较浓的混合气以保证点 火，这就需要混合气在燃烧室内按照一定的浓度梯度分布，通过组织合理的进气 运动、结合精确的喷油控制策略可实现缸内混合气的良好分层效果，目前分层稀 薄燃烧系统可分为：涡流轴向分层和滚流横向分层两种。 1 2 4 1 涡流分层稀薄燃烧系统 对于涡流分层燃烧系统，其喷油时刻的精确控制十分重要，这是因为缸内的 燃油分布情况随着喷油时刻的变化而改变，而燃烧过程的稳定性 1 8 1 9 1 又受到燃 油分布均匀性的影响。所以组织好的进气涡流运动，并结合适时的喷油策略，就 能很容易在发动机缸内的轴向上形成分层混合气。 传统的燃油气道喷射汽油机，通过可变涡流进气结构等装置，在对发动机进 行较小的改制情况下，就能在进气过程中，产生较强的涡流运动。燃油在气门升 程接近全开时喷入气道，燃油喷射结束时进气门接近关闭状态，结合较强的涡流 运动，混合气便能在气缸轴向方向形成良好的分层效果。对于涡流分层稀薄燃烧 系统，在二气门发动机上，q u a d e r 和p e t e r s 2 0 - 2 3 进行了大量的研究，研究表明： 合理的进气运动、精确的喷油控制策略影响轴向分层的效果，其中进气涡流用来 维持混合气分层，喷油时刻决定混合气在缸内的分布状态。马i 刍达稀燃系统【2 4 】 和现代公司的h m c 稀燃系统 1 8 , 2 5 就是典型的涡流分层燃烧系统。随着多气门进 气结构普遍应用于近代的稀燃汽油机，现在汽油机的进气运动不再是单纯的涡流 或滚流运动，即使是以进气涡流为主的汽油机，当发动机工作在低负荷工况下采 用涡流：在中高负荷工况下采用涡流控制阀( s c v ) 形成斜轴涡流，以获得良好 的混合气分层，改善缸内燃烧过程。丰田公司的第三代气道喷射稀燃系统【2 6 以及 马自达公司的稀燃系统【27 j 都是通过使用s c v 来实现涡流轴向分层燃烧，而本田 公司的v t e c e 系统【2 副是采用可变气门正时和可变气门升程来实现涡流分层燃 烧。 第一章绪论 对于气道喷射稀燃发动机，为了保证其燃烧的稳定性和驾驶的舒适性，都应 该将其进气运动和喷油策略结合起来，以形成良好的缸内混合气分层，保证火花 塞附近有易于燃烧的浓混合气，维持点火和后续的火焰传播，改善燃烧过程。因 此，对稀燃发动机来说，组织合理的进气运动、精确控制喷油时刻和点火时刻， 是实现稀薄燃烧的关键。 丰田d 4 缸内直喷发动机 29 】采用的也是涡流分层燃烧系统，它的进气道一侧 为直气道，另一侧为螺旋气道，发动机在中小负荷工况下，关闭直进气道，仅打 开螺旋气道，利用气道的特殊性产生强的涡流运动，当燃油在压缩行程后期喷入 燃烧室时，便能在火花塞附近形成易燃的浓混合气，在缸内形成良好的混合气分 层效果，可燃烧稀燃极限5 0 的混合气。 1 2 4 2 滚流分层稀薄燃烧系统 滚流一般是利用直气道形成，绕垂直于气缸轴线旋转，是一种宏观的、有组 织的大尺度涡流。在压缩过程中，滚流的动量衰减较慢，并可持续到压缩行程的 末期。随着活塞的上行，滚流会被不断的挤压，当活塞接近上止点时，滚流将破 碎成众多小尺度的微涡，产生较强的湍流，增加缸内的湍动能，进而提高发动机 的燃烧速度和火焰传播速度，改善发动机的性能。由于良好的缸内分层效果，加 上滚流破碎后增加了缸内的湍动能，使得发动机在大的空燃比条件下，仍能够实 现稳定燃烧【3 0 1 。 1 9 9 1 年，在一台三气门发动机上，实现了滚流分层稀薄燃烧 3 ，也即是后 来的三气门m v v ( m i t s u b i s h iv e r t i c a lv o r t e x ) 稀燃系统，该系统由三菱汽车公司 所研制开发。该系统的特点是：燃油和空气分别从不同的进气道进入缸内，导致 缸内的气流运动在发动机的水平方向上速度分量将大大减小，有利于缸内混合气 形成好的分层效果，如图1 1 所示。在三气门m v v 稀燃系统中，其火花塞安装 在进入燃油的气门下游，虽然可以利用进气运动在火花塞附近形成浓的可燃混合 气，提高发动机的稀燃极限，但同时也增加了火焰传播的距离，因此在四气门发 动机上，这种火花塞布置方案不合理。为了在四气门发动机上实现滚流分层稀薄 燃烧，三菱公司又开发出了四气门m v v 稀燃系统 3 2 ，如图1 2 所示。在四气门 m v v 稀燃系统，其缸内燃油分布情况是中问浓、两边稀，且火焰传播距离也由 于火花塞的中心布置而大大缩短。此外，三菱公司还重新设计了四气门m v v 系 统的活塞形状，使其更能组织合理的进气运动，进一步提高了发动机的稀燃极限， 改善了发动机的经济性与排放性。 第一章绪论 图1 - 1 三气门m v v 稀燃系统图l 一2 四气门m v v 稀燃系统 日本丰田公司【3 3 1 ，通过对一台四气门稀燃发动机的研究发现，该发动机进气 道分为直气道和螺旋气道两部分且带有涡流控制阀，斜轴涡流能够进一步提高发 动机的性能。研究还表明，当发动机的空气流动速度一定时，角动能随着斜轴涡 流的涡流倾斜角变大而减小，且当该角度为3 0 4 5 。左右时，湍流强度达到最 大值，所以该角度下，缸内的混合气分层效果最好，缸内燃烧也比较完全，燃烧 稳定性也较好，有利于稀燃发动机的燃油经济性和排放性改善，对稀燃也最有利。 1 3 汽油机稀薄燃烧数值模拟 发动机性能的好坏主要取决于缸内燃烧状况，缸内燃烧过程又受到许多因素 的影响，如发动机缸径、行程、压缩比等。再加上技术上的限制，目前我们对发 动机缸内燃烧情况还多集中于试验研究。对于稀燃汽油机，如何组织合理的进气 运动、精确的控制发动机的喷油时刻与点火时刻、形成良好的缸内混合气分层， 是保证其燃烧过程完整性与稳定性，进一步提高发动机稀燃极限，改善发动机燃 油经济性和排放性的关键。仅仅通过试验研究来开发控制策略，所需研发周期将 大大加长，且需要耗费大量的人力、物力和财力，试验过程中还易造成误差，也 难以研究单一参数的性能影响。 计算机技术的不断发展，使得对缸内燃烧过程的研究不再局限于试验方面， 数值模拟成为研究缸内燃烧过程的另一措施。通过计算机数值模拟，可以大大缩 短试验时间、阿氐工作强度，研究具体参数改变对发动机性能的影响。对缸内的 燃烧过程，也可通过数值模拟结果，更加直观的分析研究，进而提出改善方法、 帅1 一， ，一一 万一一 l、一隧 第一章绪论 优化发动机结构，为试验方案的制定提供理论指导。 燃烧数值模型根据研究对象的不同，按照维数可分为三种3 4 3 5 】：零维燃烧 模型、准维燃烧模型、多维燃烧模型；剽1 零维燃烧模型在进行燃烧数值模拟时， 通常忽略中间的物理、化学反应过程，认为燃烧是一种向缸内不断加入能量的过 程，并假定工质均匀分布于气缸内部，使用几个简单的特征参数来表达缸内的燃 烧过程，通过分析大量燃烧放热数据，找出其中的规律性，而后使用曲线拟合的 方法生成经验公式，用于后续的模拟研究；使用零维模型进行模拟分析时，能够 模拟计算出缸内燃料的放热率，计算预测各参数的改变对发动机性能的影响，但 同时在使用零维模拟模型计算时，由于忽略了燃料的中间物理、化学反应过程， 导致零维燃烧模型不能够把握缸内燃烧过程的物理化学反应机理，诵皂准确预测 h c 、c o 、n o x 等排放物的生成。 缸内的温度分布、浓度分布等，对发动机的燃烧稳定性以及h c 、c o 、n o x 等排放物的生成有很大的影响，相对于零维燃烧模型，准维燃烧模型在模拟燃烧 过程中，考虑了缸内各个区域的温度和浓度具体分布状况，并将整个燃烧室做分 区处理，分别计算各区内的温度和浓度，能够较准确的预测h c 、c o 、n o x 等 排放物的生成。 多维模型是一种较复杂的热力学系统，该模型内部包含许多相关物理、化学 过程子模型，且计算基于多个守恒方程，如质量守恒方程、动量守恒方程、能量 守恒方程以及组分守恒方程等，计算时还需结合相应的边界条件和初始条件，使 用数值方法求解，能够更为准确的模拟缸内的燃烧过程、预测发动机排放物的生 成。早期由于计算机技术的限制，多维模拟主要集中于二维模型模拟，随着计算 机技术的日益成熟，计算数值方法的不断完善，多维数值模拟也得到了较快的发 展，但由于多维模型的建立过程要综合多种学科知识，要走向广泛应用还需相当 长的时间 3 4 】【3 5 】。 根据不同的研究对象，在发动机的燃烧数值模拟过程中，零维燃烧模型、准 维燃烧模型、多维燃烧模型以及c f d 模型都有应用。n a j t 和f o s t e r 在一台预混 压燃c f r 发动机上，利用s h e l l 模型进行了相关的模拟研究，模拟结果表明：对 于均质压燃发动机，化学反应动力学 3 6 】对其燃烧过程起主要作用，后续的试验研 究和模拟研究也证明了这一观点 3 7 4 们，该模型可看做零维燃烧模型在发动机燃烧 数值模拟上的首次应用。发动机实际工作过程中，其缸内混合气的浓度、温度等 不是均匀分布，所以在对发动机的燃烧过程进行模拟计算时，考虑到模拟结果的 准确性一般选用多维燃烧模型。多维燃烧模型一般采取分区模拟计算方式，它 将整个燃烧室分成若干区域，女| i 淬熄层、余隙容积区域、核心区域等，可以认为 在各小的区域内混合气浓度、温度等是均匀分布。为了准确预测c n g 第一章绪论 ( c o m p r e s s e dn a t u r a lg a s ) 汽油机的燃烧性能和排放特性，f i v e l a n d 和a s s a n i 将动力学模型和流体力学模型相结合 4 1 - 4 3 】，建立了一个多区燃烧模拟模型。为了 更好的理解h c 、c o 、n o x 等排放物的生成机理、描述缸内的燃烧过程和缸内 的流场分布，w i l l i a m 等人将燃烧室划分为：余隙容积区域、边界层区域、外核 区域、内核区域等六大部分】。尽管多维燃烧模型对缸内的温度场分布、浓度场 分布等模拟的较为准确，但却无法对缸内混合气分层进行模拟，从而无法模拟缸 内的具体燃烧过程。为了模拟研究缸内燃烧过程，进一步发展了c f d 与详细反 应动力学模型相耦合的详细c f d 多区模型，典型的代表就是a c e v e s 等人所建立 的三维流体动力学模型和h c t 的结合模型【4 5 】【4 6 】，通过该模型模拟计算出的最大 压力、燃烧效率等与试验所得结果基本相符。根据研究的目的和需要，本文选用 了奥地利a v l 公司开发的一维模型仿真软件b o o s t 、三维模型仿真软件f i r e 来进 行数值模拟计算。 1 4 稀燃汽油机排放控制 1 4 1 稀燃汽油机排放机内净化 c o 、h c 、n o x 是发动机燃烧过程中所生成的三种主要有害气体，缸内燃料 燃烧的情况，对这三种有害气体的排放量有很大的影响，组织合理的进气运动， 在缸内形成良好的混合气分层，进而改善发动机缸内的燃烧状况，是进一步提高 稀燃汽油机燃油经济性和排放性的关键。 对于稀燃发动机，其缸内的混合气氧含量较高，过量的氧气可以使得燃油充 分燃烧，所以c o 、h c 排放在稀燃时都有较大程度的下降，但发动机稀燃时n o x 的排放却难以满足排放法规要求。为了解决稀燃发动机n o x 的排放问题，比较 行之可效的方法是采用废气再循环技术，缸内的最高燃烧温度会随着e g r 率的 增大持续下降，抑制了n o x 的生成，进而降低n o x 排放。点火时刻对缸内的燃 烧情况也起到很大的影响，可以通过推迟点火提前角来降低缸内的燃烧温度，达 到降低n o x 的目的。推迟点火提前角、引入e g r 都会影响到缸内燃料燃烧的完 整性和稳定性，使用时需要综合优化考虑。 随着全球环境的不断恶化，人们逐渐意识到了环境保护的重要性，而汽车有 害物的排放是造成环境恶化的重要凶素，为此各国政府都制定了日益严格的法 规，来降低汽车尾气排放。为了满足排放要求还需采用催化器等转化装置对尾 气排放物进行进一步的净化。 第一章绪论 1 4 2 氧化催化转换器 贵金属铂或钯通常作为氧化催化转换器的催化材料，其主要是利用催化剂的 催化作用，使得h c 和c o 与空气再次燃烧生成h 2 0 和c 0 2 。当采用稀燃时，废 气中的氧气含量足以将h c 和c o 氧化，当燃烧较浓混合气时，需向排气系统中 喷射二次空气以保证氧化所需的氧含量。虽然9 0 左右的c o 、h c 排放能被净 化，但该转换器却不能净化n o x 排放，因此需要采取其他措施来降低n o x 排放 生成量【47 l ，如废气再循环技术。 1 4 3 三效催化器 发动机工作在理论空燃比附近时，尾气排放中的c o 、h c 、n o x 能够同时 被三效催化器净化，其主要活性材料是贵金属铂p t 、钯p d 和铑r h ，通过氧化还 原反应将废气中的有害成分变为无害成分排出。三效催化器由氧化催化转换部分 和还原催化转换部分两部分构成，其中：废气中的c o 、h c 利用p t 作为催化剂， 发生氧化反应，生成c 0 2 和h 2 0 ：废气中的n o x 以r h 为催化剂，发生还原反 应，生成n 2 和0 2 。试验研究表明，三效催化器只有在五= 0 9 5 1 0 5 之间时，其 催化转换效率才最高，对于电控燃油喷射汽油机，一般在催化器前后端分别安装 一个氧传感器，来实现五的闭环控制，借以将空燃比维持在1 4 7 附近，保证三 效催化器的高效性。另外，由于催化材料的限制，三效催化器一般在温度超过 2 5 0 后才开始起作用，随着温度的升高，催化剂又会因过热而老化( 温度大于 1 0 0 0 ) ，所以三效催化器的最佳工作温度在4 0 0 8 0 00 ce 4 8 之间。 当发动机处于稀燃状态时，传统的三效催化器就会失效，造成稀燃发动机排 放上升，为此需要开发出新的催化器，以适用于稀燃发动机。 1 4 4 稀燃三效催化器 传统的三效催化器只有在理论空燃比下时，才能同时净化尾气中的n 0 x 、c o 、 h c 三种排放物，而当发动机处于稀燃时，传统的三效催化器就会失效，n 0 x 的排 放就会大大增加，为了解决发动机稀燃时n 0 x 排放过高的问题，需要研发新型的 催化器，这方面的研究主要集中于：选择还原型n 0 x 三效催化器和吸附还原型 n 0 x 三效催化器”。两种。 ( 1 ) 选择还原型n o x 三效催化器：其催化机理是当发动机处于稀燃时，利用 尾气中的c o 和h c 作为还原物质，在p t 的催化作用下，与n o x 发生氧化还原 反应，这样废气中的c o 、h c 、n o x 分别被氧化还原成c 0 2 、h 2 0 和n 2 。这类 催化器的缺点是寿命短，工作温度窗口较窄 5 2 】 5 3 。 第一章绪论 ( 2 ) 吸附还原型n o x 三效催化器：其机理是当发动机稀燃时，利用某些化学 物质如强碱或碱土金属与n o x 发生化学反应，形成硝酸盐存储于金属氧化物表 面。当吸收的n 0 x 达到一定量时，通过传感器将信号传递给电控单元，电控单 元会控制发动机工作在浓空燃比下一段时间，利用浓混合气中的未然h c 和c o 与n o x 发生氧化还原化学反应，将n o x 还原成n 2 和h 2 0 。稀燃时常用的催化 转换器为l n t ，其转换效率可达9 0 以上。 在稀燃催化器的研究方面，已经取得了很大的进步，相关的研究工作仍在进 行中【5 4 5 5 】，其中，硫中毒、工作温度窗口窄、易老化是稀燃催化器常见的问题。 1 4 5 排气再循环技术( e g r ) 国外对e g r ( e x h a u s tg a sr e c i r c u l