涡流比对NOx与Soot排放影响的数值模拟.doc

农机化研究涡流比对NOx与Soot排放影响的数值模拟张良1 李云清1 黎一锴2（1.北京航空航天大学自交通科学与工程学院，北京，100191；2.名古屋大学 ，名古屋，4648601）摘要：影响直喷式柴油机缸内燃烧过程和排放特性的因素可归纳为三个方面：进气系统参数、喷油系统参数以及燃烧系统参数。本文基于某企业开发的6缸直喷式柴油机，以AVL公司的FIRE v8.5为平台，以进气系统参数一个有代表性的物理参数涡流比为对象，研究了它对直喷式柴油机排放性能的影响规律。在涡流比从1.0增加到2.6的过程中，随着涡流比的增大，使喷雾重叠加剧，并向燃烧室挤流区域集中，燃烧室凹坑内空气利用率变差，不利于柴油机的扩散燃烧，Soot排放增大；涡流比的增大同时降低了整个燃烧室的平均温度，使NOx的生成量降低。关键词：直喷式柴油机，数值模拟，涡流比中图分类号：TK 411.2 文献标识码：ANumerical Simulation of the swirl ratio on NOx and SootZhang Liang1 Li Yunqing1 Li Yikai2(1.School of Transportation science and engineering Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China 2. Nagoya University, Nagoya4648601, Japan,)Abstract: The factors Affecting cylinder direct injection diesel engine combustion process and emission characteristics can be summarized into three areas: intake system parameters, parameters of fuel injection system and combustion system parameters. Based on a cylinder direct injection diesel engine of 6 to AVLs FIRE v8.5 as a platform, one physical parameters, which was swirl ratio representatively to study their influence on cylinder direct injection diesel engine combustion and emission properties. When the swirl ratio varies from 1.0 to 2.6, as the swirl ratio increases, spray overlap was increased and the spray was concentrated to the combustion chamber squish region, resulting in the deterioration of air utilization rate in the combustion chamber pit, which is not conducive to the spread of diesel engine combustion, then Soot emissions increase. At the mean while, the average temperature of the combustion chamber was down due to the increase of swirl ratio, which reduced the amount of NOx generation.收稿日期：2011-9-12基金项目：国家自然科学基金项目（50376003）作者简介：张良（1987- ）男，山东济南人，硕士研究生 E-mail:dzxy_通讯作者：李云清（1962- ）男，吉林长春人，教授，博士生导师，E-mail: Key words: Direct Injection Diesel Engine, Numerical Simulation, Swirl-Ratio键入文字涡流比对NOx与Soot排放影响的数值模拟引言随着世界工业化和经济一体化的不断加快，世界能源危机和环境污染问题日趋严重，可持续发展的呼声越来越高，节约能源、保护生态环境、减少污染已成为世界各国的共识，因此各国对机动车的有害废气排放量制定了越来越严格的法规。在车用发动机方面，柴油机较汽油机有很大的优势.从环保角度来说，柴油机的一氧化碳、碳氢化合物和二氧化碳排放量极低，而氮氧化物的排放量级上与汽油机相当，虽然颗粒物排放较多，但是总的来说，柴油机的排放控制主要集中在NOx和PM两个方面,大大简化了控制的策略，因此对于影响这两者排放的因素也得到了越来越多研究者的重视。随着对排放的要求越来越高，所以对于燃烧过程也需要不断的优化。电控高压共轨技术14，进排气系统的改进，EGR技术，喷油规律的改进，HCCI燃烧模式5-10等得到了应用。柴油机的燃烧过程十分复杂，长期以来，实验是研究燃烧的主要手段，但限于实验条件、测试技术水平以及实验仪器的精度，这种实验研究也有很大的局限性，而且费用很高。随着计算机技术的飞速发展及计算流体力学、计算传热学、化学动力学等基础理论研究的深入，柴油机喷雾和燃烧的数值模拟逐渐形成了一个独立的发展分支。它以实验和基本理论的研究成果为基础，通过计算机把实验研究、理论分析和科学计算有机地融为一体。计算机模拟具有调整参数方便、运行速度快、成本低的优点，可以在众多的影响因素中找出关键的控制变量，优化实验与设计方案，降低产品的研制周期及费用。本文利用三维CFD软件AVL FIRE v8.5对一单缸直喷式柴油机进行多维数值模拟计算，研究进气涡流比对排放的影响规律。在喷油参数和喷油规律一定，原机燃烧室型线不变的情况下，对5种不同涡流比1.0，1.4，1.8，2.4，2.6的直喷式柴油机的燃烧和排放进行模拟计算，并通过二维和三维图对排放结果进行分析。1计算模型及模型修正1.1缸内气体流动模型本次模拟采用的k-f四方程模型14 表1 k-f模型中的系数0.221.4(1+0.012/z)50.36851.2燃烧模型 本文所使用的是FIRE软件中的Hirayasu模型15，它虽然属于经验模型，但是该模型由于简便实用、计算量少而广泛用于内燃机燃烧与排放的多维计算软件中。1.3几何模型的建立及计算网格的划分 计算模拟对象为某6缸增压水冷直喷式柴油机，主要应用于重型车辆。其主要参数如表2所示。表2 柴油机的主要技术参数技术参数额定功率303kW/1900rpm最大扭矩1870Nm/1300rpm排量11.1L缸数6缸径123mm冲程156mm燃烧室缩口w型 在应用FIRE软件计算之前，先建立发动机气道、燃烧室以及喷油器的几何模型，如图1所示。 图1 进排气道、燃烧室以及喷油器的三维模型本次模拟只在对燃烧模型参数进行标定时使用了发动机的整个工作循环模型，具体的分为四个阶段：351CA-366CA的气门重叠阶段、366CA-535CA的进气门开启而排气门关闭阶段、535CA-873CA的进排气门皆关闭阶段以及873CA-1071CA的进气门关闭排气门开启阶段，如图2示。在研究各系统参数对缸内燃烧排放影响的计算中只考虑了进排气门均关闭的情况，如图2（c）所示。图2 不同时刻下柴油机的网格模型在网格生成设置过程中，在计算数据变化梯度较大的部位(如流动狭窄区域)，为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，为提高计算速度，则应划分相对稀疏的网格。例如气门附近的流动区域网格划分应比较密集，而气缸内应划分相对稀疏的网格。同样的，由于在上止点附近，燃烧开始后缸内的物理参数变化率很大，因此，在此阶段的时间步长也应该取得较小一些。1.4 边界条件及初始条件 为了减少计算时间，在考虑涡流比对缸内燃烧排放过程影响的模拟计算中没有考虑进、排气过程。计算的工况点为功率点，转速为1900r/min。计算从进气门关闭的535CA开始，到排气门开启的873CA结束，720CA为上止点。在边界条件的设置中，由于进排气门均处于关闭状态，所以边界均设为温度型静态壁面。气缸壁、活塞顶以及气缸盖底部的温度都为519K，进气门座处温度为430K，而排气门座处温度为600K。计算初始条件根据试验结果以及带气道的缸内压力标定计算结果确定，初始压力为260718Pa，初始温度为360.714K，初始湍动能和湍流长度尺度分别为30.4169m2/s2和0.0008079m。1.5 模型参数的调试及模型验证如前所述，使用带气道缸内压力模拟计算结果与实验得到的示功图对照，进行模型的参数标定和验证。进口边界和出口边界均设为压力边界，采用实验测量结果，如图3所示。图3 进气排气道动态压力实验结果柴油机燃烧仿真过程中的模型校核过程主要涉及着火模型、喷雾破碎模型以及燃烧模型。着火模型中需要调试的参数是中间产物的反应速率系数R，该参数软件默认值为1E+007，增加一个量级将使得燃烧滞燃期减小大约0.1-0.3ms。Wave喷雾破碎模型中需要调试参数C2，它是用来修正特征破碎时间的经验常数，软件默认值为12。涡破碎燃烧模型需要调试两个模型参数，其中参数B对于柴油机通常为1，模型常数A则需要根据实验结果进行调整。涡破碎燃烧模型参数A的软件默认值为3，A取值越大，湍流燃烧速率越快，通常的范围为3-25。通过优化比较模型参数的计算，当模型参数的选择为：A=4，C2=12，R=1E+009时，模拟计算的示功图曲线与实验测得的结果比较接近，误差基本都在5%以内，计算结果如图4所示。图4 示功图的模拟计算结果与实验结果的比较产生误差的原因一方面是由测量误差所致，另一方面则是由于在模拟过程中，几何建模、网格精度和燃烧模型的误差以及初始条件和边界条件的选取误差所致的计算误差。从图6可以看出，示功图的计算结果和测量结果基本吻合，说明该计算模型是比较准确可靠的。2涡流比对缸内燃烧排放的影响涡流比代表了绕气缸轴线运动的气流流动强度。流动强度的不同，会引起燃油蒸发以及燃烧排放性能的变化。本节将研究涡流比对直喷式柴油机燃烧排放性能的影响规律。原机的涡流比水平为1.8，以原涡流水平为基准，分析计算了涡流比为1.0、1.4、1.8、2.2以及2.6下的燃烧排放特性。在涡流比的变化过程中，计算工况为功率点，喷油规律及燃烧室结构均不变。2.1对NOx与Soot排放的影响图5与6给出了涡流比和NOx 排放的关系。在735CA之前，由于涡流比对燃烧的促进作用使得缸内局部温度增加，缸内NOx生成量也随之增加。但是此阶段由于燃油燃烧比例较小，故使得NOx生成量差别相对较小。在745CA之后，由于随着涡流比的增加，喷雾重叠越严重，缸内温度反而下降，NOx生成量减小。至760CA之后，由于燃烧接近结束且活塞下行而带来缸内温度的下降，使得NOx生成反应冻结，故之后NOx生成量几乎保持不变。涡流比越大，NOx排放越低。从图中可以看出，NOx主要产生于燃烧的前20CA-30CA，从前面的分析可知，在这段时期内，大涡流比的缸内温度最低，所以NOx的生成量也是最低的。从图12可以看出，如果把涡流比为1.8的NOx排放水平作为基准NOx排放，SR=2.6时NOx 的排放较基准水平降低了10%，而SR=1时NOx的排放则是基准水平的1.15倍。图5 不同涡流比下NOx 生成规律比较图6 不同涡流比下相对NOx 排放量图7和8给出了缸内Soot生成量与涡流比的关系。从图7 a)中，在燃烧刚开始阶段（730CA之前），涡流比对Soot生成的影响规律复杂。在涡流比从1.4增加至2.2的过程中，涡流比的增加促进燃油混合与燃烧，Soot排放下降；但是涡流比进一步增加（如增加至2.6）,喷雾出现重叠，Soot排放反而增加。到730CA之后，由于喷雾重叠程度均随着涡流比的增加而加剧，缸内的局部混合气浓度也增加，这会促进Soot的生成，如图7b)所示。 图9给出了Soot生成的速率曲线，Soot的排放量由Soot生成和Soot氧化共同决定，在745CA之前，主要是Soot的生成，而在745CA之后，Soot的氧化占据主导地位。随着喷油的进行，Soot生成速率增加，至740CA左右达到Soot生成速率峰值。随后由于喷油基本结束，Soot生成速率下降，而Soot氧化速率上升，综合结果是Soot生成速率曲线急剧下降，变为负值，即Soot的氧化过程起主导作用；后期由于缸内温度下降，气缸容积增大，Soot的氧化速率也随之下降。图9也再次说明随着涡流比的增加，Soot生成速率增大，而各个涡流比水平下的Soot氧化速率接近，故随着涡流比的增加，最终排出气缸的Soot排放量增大。如果把1.8的涡流水平对应的Soot排放作为基准排放，涡流比2.6下的Soot排放是基准水平的1.2倍，而涡流比1.0下的Soot排放为基准水平的80%。从上面的分析可以知道，涡流比对发动机的燃烧排放影响规律复杂。对于最终的排放水平，随着涡流比的增加，NOx排放下降而Soot排放增加。图7 不同涡流比下Soot的生成规律图8 不同涡流比下相对Soot排放量图9 各涡流比下Soot反应速率比较涡流比对缸内NOx生成的影响。2.2 3D分析从2D结果可以知道，涡流比对发动机的燃烧排放影响规律相对复杂，下面将从3D结果分析涡流比对发动机燃烧排放的影响。图10给出了3D结果相应截面的对应空间位置，在750曲轴转角下，高度Z=14-15mm对应于活塞顶面附件，故Z16mm，对应于燃烧室内活塞凹坑内部，Z14mm，对应于燃烧室气缸部分。图10 涡流比下三维结果分析截面位置通过各曲轴转角下不同涡流比缸内NOx的比较图，给出了涡流比对缸内NOx生成的影响。在喷雾重叠之前，由于随着涡流比的增加，燃油蒸发燃烧速度增加，缸内温度增大，故此时缸内的NOx排放也随着涡流比的增加而增加。而且涡流比的增大促进了混合气周向扩散，使得截面上的温度分布更加均匀，故NOx生成区域分布也更加均匀且范围更广泛。各曲轴转角下不同涡流比缸内Soot的比较图给出了涡流比对缸内Soot排放生成的影响。随着涡流比的增加，喷雾周向运动速度增大，贯穿能力下降，燃油向燃烧室气缸部分集中，形成混合气浓度增加，故此部分生成的Soot排放也随之增加。3结论1）涡流运动对缸内的燃烧排放过程影响复杂，需要针对不同的燃烧阶段具体分析。本次所研究的发动机在其730CA之前，增加涡流运动，促进燃烧过程，同时缸内的NOx排放增加，但是中间的涡流水平使得缸内的Soot排放达到最低值。如涡流水平从1.4增加到2.2的过程中，涡流比促进燃油混合以及燃烧过程使得Soot排放下降，但是继续增加涡流比至2.6，则由于涡流加强了不同喷孔间的喷雾重叠程度，使得Soot排放呈现增加趋势，即涡流水平为2.2时的Soot排放达到最值。2）如果喷雾已经出现重叠，则随着涡流水平的增加，喷雾的贯穿速度下降而圆周方向运动速度加强，喷雾重叠更加严重；同时在此发动机喷孔配置下，随着涡流水平的增加，燃油蒸汽更加向燃烧室气缸部分集中，而燃烧室活塞凹坑内的燃油蒸汽减少，凹坑内空气的利用率下降，这些都阻碍了燃烧过程，故此时的Soot排放增加而NOx排放下降。 3）由于发动机的喷雾出现重叠的时刻较早，故随着涡流比的增加，Soot排放增加而NOx排放下降。在偏向通过燃烧降低缸内碳烟的背景下，需要选择较小的涡流比水平。参考文献 Reference1张铁臣，宋崇林，裴毅强，等. 电控高压共轨柴油机排气微粒的测量及数值模拟J. 燃烧科学与技术，2007，13(2)：136-1402 Reitz R.D，Diwakar RStructure of high-pressure fuel spraysCSAE PaperDetroit，USA，1987，8705983王育辉，高国珍，骆旭薇，等. 电控高压共轨柴油机匹配的研究J. 内燃机工程，2006，27(3)：69-72 4Roland Racine. Application of a high flexible electronic injection system to a