废气再循环(EGR)的温度对可变EGR率的重型直喷式柴油机性能和排放的影响模板

废气再循环（EGR）的温度对可变EGR率的重型直喷式柴油

机性能和排放的影响

D.T.Hountalasa,G.C.Mavropoulosa,*K.B.Binderb

a

Internal Combustion Engines Laboratory, Thermal Engineering Section, Mechanic EngineeringDepartment,National Technical University of Athens, 9 Heroon

Polytechniou, 157 73 Zografou, Greece

b

Development Basic Systems, Heavy Duty Engines, DaimlerChrysler AG, 70546

Stuttgart,Germany Received 10 December 2006

摘要

直喷柴油机是当今公认的卡车和其他有关重型车辆的动力总成。与此同时，排放法规（主要针对NOX和颗粒物）变得更加严格，排放物限值降低到非常低的水平。采用高比例废气再循环（EGR）是控制NOX排放以达到未来排放法规的一种有效方法，同时需要采用进气增加来降低对碳烟排放的负面影响。该方法基于降低燃烧室内的气体温度和氧浓度，但通常会对碳烟排放和有效油耗率（BSFC）产生不利影响。在采用高比例EGR时，需要EGR气体冷却以降低其在烟尘排放的不利影响。尤其是在发动机高负荷时EGR流量和排气温度高时候，为此，本文，采用多区燃烧模型，在不同EGR比例下研究了冷却EGR温度对涡轮增压直喷重型柴油发动机全负荷工况下性能和排放的影响。研究结果表明，降低EGR温度对有效油耗率和碳烟（低值）具有积极作用，同时，对NO也有一定的有利影响。综上所述，低EGR温度的效果优于高EGR温度。 关键词：废气再循环；柴油机；EGR温度；排放

1引言

在柴油发动机的发展中，工程师和制造商面临的最困难的问题之一是控制和减少污染物排放[1,2]达到相关立法“可接受的”水平。在过去的几十年里，减少NOX和烟尘的排放量已取得重大进展。但是与此同时，在欧V排放法规中，柴油机的允许排放的限值也变得更加严格。柴油机被广泛的应用在交通运输中，作为在未来主要的动力来源来说，降低其排放是亟待解决的。

可采用先进的燃烧技术和（或）后处理系统来实现对排放的控制。作为公认

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的唯一有可能实现未来限值的是使用内部措施结合现有废气再循环（EGR）技术

[ 3,4 ]

。在发动机进气冲程时，废气循环进入发动机是降低NOX[5,6]最知名的也是最

成熟的技术之一。然而，在现有的发动机系统中要协调好各种影响发动机运行的因素。通过这种方式，就可以确保达到预期的限值（降低污染物排放）同时避免牺牲现有的“有利因子”（如发动机效率等）。建模的贡献是可以有效的研究所涉及对发动机性能和排放的各种参数。其中一个重要的参数就是再循环的废气的温度。

图一.（a）区域在喷射方向形成“r-z”平面

（b）区域形成在“x-r”平面

总体来说，介绍了EGR对柴油机燃烧三种不同的方式：热，化学和稀释。热效应对进气温度影响与容积效率的增加有关（热节流）和增加的电荷比热容取决于CO2和H2O的存在。另一方面，在燃烧过程中的化学作用是气体的解离有关，而稀释是指减少氧气供应。目前我们主要集中在第一种，即热效应，考虑再循环废气温度对性能和排放的影响。本文在前人研究的基础上，对废气再循环的冷却是研究的EGR气体温度对不同EGR率下的性能和排放的影响一个重要课题，有利于发动机的使用和排放。因此，我们研究重型直喷式单缸柴油发动机能否在高的峰值燃烧压力[7]进行工作。欧盟项目HEDE-应用先进的喷射定时来改善有效燃油消耗率（BSFC）但是显然对NOX排放有不利影响。控制氮氧化物，冷却EGR被认为是使用一个固定的对于所有的测试情况下的温度来进行检测。在目前的工作中研究不同EGR温度来确定其对燃烧和污染物的形成机制。

目前的研究已经表明，如果我们希望没有显著牺牲发动机的效率时，保留低的NOX排放是对EGR冷却是有利的。EGR冷却对防止烟尘排放量上升到不可接受的水平是必要的。在高EGR率和发动机转速较低时，需要EGR的冷却将更明

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显。从理论的调查证明了，不同EGR温度对部分负荷下的内燃机有不同的影响。由于空间的限制，本研究是应用在满负荷和在最高EGR质量流量的要求下不同的发动机转速为的条件的情况。理论研究是利用现有的三维多区模型[8,9]进行适当的修改[4]包括影响EGR率和温度。为分析增压压力和喷油定时保持恒定时的发动机转速，EGR率和EGR温度作为计算参数。如图所示EGR温度对有效发动机的效率和烟尘的排放量产生不利的影响，而在EGR温度范围内对NO排放没有或者有小的影响。如果EGR上部温度范围内增加江油更显著的影响存在（热EGR）。如发现，EGR（废气再循环）冷却降温是有益的BSFC和烟尘，而其影响取决于发动机转速和EGR率。

2仿真模型

在这项研究中使用的模型已在过去[8,9]提出后被开发了。它已被修改为包括EGR率和温度影响的应用现状。因此只简要的介绍了其主要原理。

所使用的模型是一个多区燃烧区域之一。燃料射流被分成同心的三个区使用考虑。这使发动机热力参数在燃料射流及其对污染物排放[10–12]形成详细的估计。它也揭示了EGR对污染物的形成机制的影响。

2.1. 发动机气缸的仿真

燃料混合后，在喷射前分为不同的量称为“zones”。压力被认为在整个燃烧室是均匀。每个区都有自己的温度和组成，运用热力学第一定律和质量守恒和动量守恒方程确定。

图.1a和b是同心的射流区。喷射轴线使用的射流轴被指定为“X”和其他两个轴垂直于它的轴线作为“Z”和“R”。在轴向方向上的区域的数量是由注射时间和时间步长来确定，目前是0.5。CA。在其他两个方向的区域的数量为五，在圆周方向上的径向数量是八。

2.1.1 热交换

传热计算特性速度是采用湍流动能的粘性耗散率k～?t模型[1,8,9,13–17]确定。热交换率是这样得到的：

?Q?A[h(Tg?Tw)?c(Tcr4g4?Tw)] (1)

其中Tg是由射流体积温度：

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Tg??mck?1nk?1nkvkkT?mckvk (2

（指数k表示“kth”区的总数n）

热交换率的估计是根据公式分布式喷射区中的公式：

(mcQ?Qk??mc?nk?1?kvkk)TT （3）

kvkk2.1.2. 空气涡流

以吸入空气的旋转运动为蓝本，有效地假设固体旋转包围的势流区[ 2,18 ]。该方案考虑造成汽缸壁附近的边界层空气的粘性。切向速度分布是由以下方程描述：

u=WPR for 0≤R≤ Re

u=WPRe(Re/r)0.05 for Rc≤R≤RP （4）

在RC点是固体旋转结束的点，由下面的经验公式给出：

Rc=Rin(Db/2Rp) （5）

RP是圆柱体的半径和Rin气缸阀的轴向距离。解决的方法用旋转速度来确定，数据由[8,9]提供。

2.1.3. 喷雾模型

从燃油喷射系统的仿真模型，确定了喷嘴出口处的初始条件。最初，燃料行驶距离小（断裂长度）的内筒，在破碎成液滴。断裂长度是由公式[2,8,9,18]给出了.

L?uinjtbreak?c1(?l0.5)dinj (6) ?a其中C1是一个常数， Ra和Rl分别是空气和燃料的密度。

速度沿喷雾轴线分散后是区分喷雾穿透[18,19]随时间产生的相关性为：

up?2.95?P0.250.5?0.5()dinjt. （7） 2?g- 4 -