天然气发动机EGR系统的数值研究.pdf

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1、第6期(总第203期)车用发动机No．6(SerialNo．203)2012年12月VEHICLEENGINEDec．2012天然气发动机EGR系统的数值研究莫海俊1’2，黄永全3，冒晓建1，卓斌1(1．上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2．广西大学机械工程学院，广西南宁530004；3．广西玉柴机器股份有限公司，广西玉林537005)摘要：通过化学动力学软件Chemkin计算了温度、氧浓度对天然气燃烧过程中NO，生成的影响；利用GT—Power对3种不同管路布置方案的EGR系统进行仿真比较，发现在增压器匹

2、配情况下高低压回路系统更容易实现用EGR代替空气来对燃气进行稀释；利用Fire预测了不同工况下EGR质量分数对柴油机动力性、经济性及NO，排放的影响规律。结果表明：综合各项性能指标，2200r／min，100％负荷工况点，EGR质量分数为0．3时较优；1800r／min，100％负荷工况点，EGR质量分数为0．25时较优；1200r／rain，100％负荷工况点，EGR质量分数为0．1时较优。数值研究为进一步开展试验工作奠定了基础。关键词：天然气发动机；废气再循环；仿真；燃烧；排放控制DOI：10．3969／i．issn．

3、1001—2222．2012．06．018中图分类号：TK421．6文献标志码：B文章编号：1001—2222(2012)06—0072—08天然气是一种高效、清洁、来源丰富的发动机速型及燃料型，热力型NO，在预混高温燃烧中起主燃料，使用压缩天然气可以有效降低发动机CO及导作用。泽尔维奇扩展模型认为NO，是空气中的HC的排放，但NO，排放仍居高不下。废气再循环N：和O：在高温下反应生成：(EGR)作为控制缸内NO，生成的技术已广泛应用N：+02一NO+N，在现代柴油机及汽油机上；对于天然气发动机来说，N+O，一N0+O，N

4、+OH—，NO+H，工质燃烧的特点与前两者有诸多不同之处，因此，本研究以某6缸天然气发动机为研究对象，以数值模丁clENO]一KEN。][O。]专。拟的方式研究EGR在天然气发动机上的应用。首其中，NO。生成速率强烈依赖于反应温度，随温度先计算天然气燃烧过程中温度及氧浓度对NO，生升高呈指数关系而急剧增大，同时正比于N：浓度成的影响，然后讨论不同EGR管路系统的特点，最和O。浓度的平方根以及停留时间。因此，控制后预测不同工况下EGR质量分数(本研究为了保NO：排放主要从燃烧温度、空气燃料混合比等方面证计算的准确性，用EGR

5、质量分数代替EGR率，考虑。试验中可根据实际测量的数据将EGR率和EGR目前比较成熟的天然气反应模型是GIR—质量分数一一对应)对天然气发动机动力性、经济性Mech3．0，包含了300多个反应路径，其中与NO，及排放的影响规律，为建立EGR系统的控制策略生成相关的反应为38个。热力型NO，的代表反应提供理论依据。路径为N。+O—NO+N，N+OH—NO+H，对于气体发动机来说，不考虑EGR时，发动机其他反应加速了物质的分解，为NO，的生成提供自工作在稀燃状态下可以获得较好的经济性，考虑由基，同时发出大量的热，提高系统的温度

6、，促进了EGR时，采用“拳。一l的混合气+EGR+三效催化热力型NO，的生成。转化器”可以同时兼顾经济性和排放性，因此本研究以下利用GIR--Mech3．0对气体机中NO，(主主要针对声。>1、无EGR以及乒。=1、有EGR这两要为NO)生成进行。由气缸和活塞组成密闭容器，种情况来进行分析。活塞的运动速度对应于发动机2200r／rain的转速，1温度和氧浓度对NO，生成的影响计算起始点为点火时刻，初始温度为973K，初始压NO，按其起源和生成途径可划分为热力型、快力为2．3665MPa，反应时间为8．1818ms(对应于收

7、稿日期：2012-07—03；修回日期：20121113作者简介：莫海俊(1979一)，女，博士，研究向为发动机性能优化；cherrymhj@163．corn。2012年12月莫海俊，等：天然气发动机EGR系统的数值研究108。曲轴转角)，不考虑摩擦、传热等的影响。1．2燃料质量分数不变时空气量对反应温度和1．1反应温度不变时氧气浓度的影响NO生成的影响如表1及图1所示，在丸一1．55、EGR质量分如表2及图2所示，在丸=1．55、EGR质量分数一0．06(残余废气所致)以及声。一1、EGR质量分数=0．06(残余废气所致

8、)及声。一l、EGR质量分数一0．24(采用了EGR)两种情况下，两者反应温度数一0．3814(采用了EGR)两种情况下，燃料质量基本一致，而后者混合气中O：的质量分数减少了分数一致，使用EGR稀释比使用空气稀释的最高4．1321％，N2的质量分数减少了5．4727％，结果反应温度降低了300K，再加上