文档介绍：二级增压下预后喷对柴油机燃烧和排放影响的数值模拟研究
摘要:通过建立二级增压中冷柴油机仿真模型及调节EGR阀开度,使EGR率保持在45%,研究了额定转速2 200 r/min、50%负荷下预、后喷对柴油机二级增压、燃烧和排放的影响。研究结果表明,二级增压可使该工况进气压力提高18%。预喷能够增加二级增压性能,大幅度降低最大压升率,推迟放热重心,小预喷量耦合较小的预喷间隔角可降低柴油机比油耗和排放。后喷改善二级增压的效果相对较差,适度的后喷能够优化燃烧参数,改善碳烟排放且不会使HC排放明显增加,但后喷使NOx和CO排放增加。
关键词:柴油机;二级增压;预喷;后喷;数值模拟;燃烧;排放
绪论
柴油机以高效节能的燃烧方式得到越来越广泛的应用。随着排放法规的日益严格,同时降低NOx和PM成为当前研究的热点。EGR技术可以有效地降低NOx排放,但随着EGR率的升高,PM排放因燃烧恶化而增加[1]。多次喷射能够改善NOx和PM的折中关系,再耦合不同程度的EGR能够同时降低NOx和PM至较低的水平[2-6]。
二级增压能够大幅度提高进气压力,弥补因EGR增加而导致空燃比的降低。同时能够扩大发动机EGR限值,还可以提高发动机低速扭矩、降低低速油耗以及拓宽与发动机匹配的运行范围[7-9]。二级增压是未来增压技术的重要发展方向。
为满足日益严格的排放法规,多次喷射耦合了越来越高的EGR,传统的一级增压逐渐不能满足进气的要求,而二级增压可以明显改善进气条件。基于二级增压的优势,在二级增压的基础上研究多次喷射耦合EGR具有重要的理论意义和工程应用价值。鉴于此,在一台增压中冷柴油机的基础上,建立了二级增压中冷发动机模型。在保证发动机动力性的前提下,调节EGR阀开度,使EGR率维持在45%,研究发动机在额定转速为2 200 r/min,50%负荷下预、后喷对发动机二级增压、燃烧和排放性能的影响,为该柴油机合理匹配二级增压系统及优化喷油策略提供依据。
1 仿真模型的建立和验证
研究对象为一台废气涡轮增压中冷柴油机,基于其基本参数建立发动机仿真模型,原机基本技术参数如表1所示。
表1 发动机技术参数
在仿真模型中,燃烧模拟采用DIJet模型,碳烟计算采用修正的广安模型,喷油流动过程计算使用喷嘴流量公式,热传导计算采用WoschiGT模型,摩擦损失压力计算采用Chen-Flynn关系式,其为活塞速度和峰值压力的函数[10]。性能分析中的流动计算采用有限容积法的数值方法对方程进行求解
, 以得到进排气管系统中压力波的变化规律。基于上述原理,利用GT-POWER建立发动机性能仿真模型,包括进气系统、排气系统、增压系统、文丘里管EGR系统、喷油部件、气缸和曲轴箱等,如图1所示。
涡轮增
压器模型
文
丘
里
管
图1 发动机仿真模型
运用原机的试验数据对建立的发动机仿真模型进行了验证。图2和图3分别为转速1 500 r/min和2 200 r/min下不同负荷的进气流量、功率及比油耗的仿真和试验的对比。由对比可知,仿真和试验的误差均在5%之内,验证了仿真模性的有效性。
图2 1 500 r/min下不同负荷仿真和试验对比
图3 2 200r/min下不同负荷仿真和试验对比
验证仿真模型的有效性后,在原机模型的基础上建立二级增压模型。图4为二级增压