三维模型耦合的富氧燃烧天然气发动机数值模拟

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1、第6期(总第221期)车用发动机No．6(Seria1No．221)2015年12月VEHICLEENGINEDec．2015·性能研究·基于一维／三维模型耦合的富氧燃烧天然气发动机数值模拟姜伟，张玉银，李世琰，张勇，张伟(1．上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2．上海空间电源研究所，上海200245)摘要：以某1．0L3缸汽油机为基础，利用GT—Power与Converge建立了天然气发动机耦合仿真模型，并利用原机试验数据对模型进行了验证，研究了进气富氧与EGR对天然气发动机性能的影响特性，对利用进气富

2、氧与EGR改善天然气发动机的性能进行了探讨。结果表明，随进气氧气体积分数提高，天然气发动机平均有效压力显著提高，最大可提高22．8(氧体积分数为28时)；同时缸内温度和N排放升高，排气与传热的能量损失增加，燃气消耗率略有升高。加入EGR可以降低富氧燃烧下天然气发动机燃气消耗率，随着EGR率增加，燃气消耗率主要呈先减小后增加趋势；且随进气氧浓度提高，各浓度下最低燃气消耗率对应的EGR率逐渐提高；NO排放随EGR率增加而逐渐降低，在进气氧体积分数为23，25，27，29时，EGR率分别为1O，15，2O，25即可将NO排放降

3、到原机水平；利用进气富氧与EGR可以有效地改善天然气发动机动力不足与NO排放高的状况。关键词：天然气发动机；富氧燃烧；废气再循环；数值模拟DOI：10．3969／j．issn．1001—2222．2015．06．008中图分类号：TK421．5文献标志码：B文章编号：1001—2222(2015)06—0039—05天然气作为传统发动机的替代燃料有着许多优荷下富氧可降低油耗率，提高燃油经济性_6]。张韦点：资源丰富，价格低廉，燃烧产生的有害排放低，二等研究了进气富氧与EGR对直喷柴油机NO和炭氧化碳排放低，辛烷值高等。但

4、天然气发动机同样烟排放的影响，发现合适的EGR和富氧比例可以存在不足，相比于汽油机，天然气发动机由于容积效实现低于原机的NO和炭烟排放，同时兼顾功率和率低、缸内火焰速度慢等因素，其动力输出相比同条油耗¨7]。总体而言，进气富氧燃烧对发动机性能改件下汽油机明显降低口]，而且具有较严重的NO排善效果明显，但是已有的研究主要是针对柴油机和放问题I2]。因此，如何改善天然气发动机性能成为汽油机，对天然气发动机应用富氧燃烧的研究相对一个研究热点。较少，特别是缺少进气富氧燃烧对改善天然气发动发动机进气富氧燃烧对于发动机减排、提高功机

5、动力性的潜力和对油耗、排放影响的认识。率密度、改善缸内燃烧质量等具有很大潜力，相关研EGR对改善发动机油耗与降低NO排放有着究吸引了许多研究者的关注。Poola等对柴油机富积极作用。Cheolwoong等通过对天然气一氢气混合氧燃烧做了许多研究，发现富氧燃烧可以明显降低燃料发动机的研究发现，引入CO。增加了缸内混合炭烟生成、减少HC和CO排放、提高发动机功率密气的比热容，燃烧温度降低，从而使No排放降低，度、缩短滞燃期，但会使NO排放增加]。Caton但HC排放增加]。Li等通过试验研究了EGR对对火花点火式发动机进行了

6、富氧燃烧热力循环仿涡轮增压天然气发动机燃烧和NO排放性能的影真，发现进气氧浓度增加时相应地提高循环供油量响情况，结果表明EGR有助于热效率的改善、NO可以增加发动机的输出功率[5]。Zhou等对小型强排放的降低_2]。Hu等对天然气一氢混合燃料发动机化汽油机进行富氧燃烧试验与仿真研究，发现低负的研究同样表明，EGR可显著降低发动机NO排收稿日期：2015—08—27；修回日期：2015-10—26基金项目：上海航天技术研究院一上海交大航天先进技术联合研究中心资助项目(USCAST2013-32)作者简介：姜伟(199O一

7、)，男，硕士，主要研究方向为发动机数值模拟；jiangwei—sJtu@163．corn。通讯作者：张玉银(1962)，男，教授，博士，主要研究方向为喷雾燃烧，发动机燃烧过程等；yuyinzhang@sjtu．edu．cn。2015年12月姜伟，等：基于一维／三维模型耦合的富氧燃烧天然气发动机数值模拟、赠扣匡嘣崩转速／r·min-I图3发动机外特性下扭矩试验与仿真结果对比图5缸内NO浓度与最高温度随进气氧浓度变化情况2结果分析图6示出燃气消耗率随进气氧气体积分数变化关系。结果表明，随着氧浓度的提高，燃气消耗率会2．1进气

8、富氧对天然气发动机性能的影响略微提高，当进气氧气体积分数为28时，有效的模拟工况为2000r／min、全负荷工况，模拟的燃气消耗率比原机提高了约5。图7示出不同进进气富氧比例从21至29zo(空气中氧气的体积分气氧浓度下燃料能量的分布情况。从图中可知，进数)；在不同的富氧进气下，始终保持当量比为1；点气氧浓度提高在提