天然氣發動機的數值探究論文

　　高低壓EGR回路(HL)

　　從渦前取廢氣,經冷卻后匯合到即將進入壓氣機的空氣中,EGR回路中較容易形成壓差。這低壓EGR回路(LP)從渦后取廢氣,經冷卻后匯合到即將進入種情況下改變排氣歧管壓力會改變缸內殘余廢氣量(即內部EGR)。該回路一般是分別從兩側歧管取廢氣,使得各缸排氣歧管的壓力相似,因為如果僅從一側取氣,會使得另外一側的排氣歧管壓力較高,不利于在各缸中進行EGR優化。GT—Power計算模型的建立缸內的燃燒采用Wiebe函數模型,缸內氣體與缸壁的傳熱采用半經驗半理論的沃西尼(Woshni)模型,傳熱壁面的溫度根據經驗進行設定。根據發動機工況進行參數調整后,所建立的發動機模型缸壓計算值與實測值很接近。計算結果EGR閥關閉時回路及管徑對原機的影響表4示出2200r/min,100%負荷工況下安裝不同EGR回路后,在EGR閥關閉時,發動機進氣流量和渦前流量的變化情況�？梢�,高壓回路對原機沒有影響,而高低壓和低壓回路的進氣量有較大的減少,且兩者減少的幅度相同。高壓和高低壓回路是從渦前取廢氣,高低壓和低壓回路是在壓氣機前進廢氣,由此說明,取廢氣的位置在渦前或者渦后對原機的進氣量影響不大,但是進廢氣的位置對原機的進氣量影響較大。壓氣機前進廢氣口的存在使得進氣壓力下降,進氣量減少。進一步的計算表明,改變EGR管路長度或EGR閥門的位置對該狀況影響不大。因此,如果采用高低壓回路或低壓回路,需要重新考慮與增壓器的匹配。不同發動機轉速下EGR系統對原機的影響100%負荷下,采用高低壓回路后EGR閥關閉時不同發動機轉速下進氣流量及渦前流量的變化情況�？梢�,發動機轉速越低,EGR系統對原機的影響越小。EGR閥打開對原機的影響當EGR閥打開、糰=1時,發動機各參數的變化見表7。對于高低壓系統來說,EGR閥開度較大時,由EGR系統引起的進氣壓力的減小以及增壓器廢氣能量的減少,使得總的空氣進氣量減少,即模型中的增壓器與發動機不匹配,將會使輸出功減少,氣耗上升。減小閥門開度即加濃混合氣有可能提高輸出功率,但是會使得NOx的排放不能達到預期的效果,因此唯一的辦法是重新匹配增壓器。高壓系統在計算中獲得較好的效果,主要是因為EGR系統對發動機和原增壓器匹配的影響較小。從EGR流量所占總進氣流量的比例來看,從大到小依次為HL,HP,LP,因此如果考慮用EGR代替空氣來對燃氣進行稀釋,在增壓器匹配的情況下HL更容易實現,因此下文將討論采用HL回路時EGR對CNG發動機性能的影響。

　　EGR對CNG發動機性能的影響

　　對3個工況點(2200r/min,1800r/min,1200r/min的100%負荷)進行缸內燃燒過程的三維計算,比較采用不同的EGR質量分數對糰=1的混合氣進行稀釋后的燃燒情況,并與原機純空氣稀釋的情況進行對比。仿真模型的建立在Fire中建立仿真模型,湍流模型采用壓縮修正后的k-ε雙方程,燃燒模型采用相干火焰模型(火焰面密度模型),NOx生成模型采用澤爾維奇擴展模型�；钊�網格模型。計算從進氣門關閉時刻(597°曲軸轉角)開始,到排氣門開啟時刻(822°曲軸轉角)結束(壓縮上止點為720°曲軸轉角)。設缸內初始狀態的壓力、溫度處處均勻。邊界條件根據經驗設定,活塞表面溫度為590K,缸蓋壁面溫度為550K,缸套壁面溫度為410K。給定進氣門關閉時刻缸內壓力、溫度、湍動能、渦流強度、EGR質量分數、空燃比及點火提前角�；鸹ㄈ�位于缸套正中央,凸出缸蓋底面5mm,火焰為直徑3mm的球形,點火持續時間為0.0003s,初始火焰密度200m-1。調整計算模型參數,使其與實機盡可能接近計算結果2200r/min,100%負荷工況點圖10示出缸內主要參數計算結果的比較。對于糰=1的混合氣來說,隨著EGR質量分數的增加,缸內壓力、溫度、放熱率均有明顯降低,從而導致功率下降、氣耗上升,但是NO生成的降幅更大(圖略)。對于該工況點來說,當用質量分數為0.32的EGR對糰=1的混合氣進行稀釋時,其缸壓與原機用純空氣稀釋、糰=1.55的情況比較接近,而NO的質量分數大幅度減少,只有原機的1/5~1/4,但是氣耗率有所升高。如果要使氣耗率保持原有水平,則要減小EGR質量分數,約為0.3,這時NO生成量約為原機的2/3。圖10中4種情況的燃料質量分數分別為3.463%,3.934%,3.836%,3.672%,也就是說,使用EGR對混合氣進行稀釋時,要獲得與使用純空氣稀釋的相近缸壓,需要較濃的混合氣。另外對于糰=1這種空燃比較小的情況而言,缸內過程對EGR質量分數的變化比較敏感,0.01的EGR質量分數變化都會使得缸內的壓力和溫度產生較大的變化。1800r/min,100%負荷工況點。

　　結論

　　EGR閥關閉時,高壓(HP)回路對進氣量沒有影響,而高低壓(HL)和低壓(LP)回路的進氣量有較大的減少;EGR管徑越小,EGR系統對原機進氣流量的影響越大;發動機轉速越低,EGR系統對原機的影響越小;高壓回路由于其壓差較大,因此較容易獲得較大的EGR率;綜合各項性能指標,各工況點都相應較優的EGR質量分數:2200r/min,100%負荷工況點,EGR質量分數為0.3時較優;1800r/min,100%負荷工況點,EGR質量分數為0.25時較優;1200r/min,100%負荷工況點,EGR質量分數為0.1時較優。

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