天然气发动机的数值探究论文
高低压EGR回路(HL)
从涡前取废气,经冷却后汇合到即将进入压气机的空气中,EGR回路中较容易形成压差。这低压EGR回路(LP)从涡后取废气,经冷却后汇合到即将进入种情况下改变排气歧管压力会改变缸内残余废气量(即内部EGR)。该回路一般是分别从两侧歧管取废气,使得各缸排气歧管的压力相似,因为如果仅从一侧取气,会使得另外一侧的排气歧管压力较高,不利于在各缸中进行EGR优化。GT—Power计算模型的建立缸内的燃烧采用Wiebe函数模型,缸内气体与缸壁的传热采用半经验半理论的沃西尼(Woshni)模型,传热壁面的温度根据经验进行设定。根据发动机工况进行参数调整后,所建立的发动机模型缸压计算值与实测值很接近。计算结果EGR阀关闭时回路及管径对原机的影响表4示出2200r/min,100%负荷工况下安装不同EGR回路后,在EGR阀关闭时,发动机进气流量和涡前流量的变化情况。可见,高压回路对原机没有影响,而高低压和低压回路的进气量有较大的减少,且两者减少的幅度相同。高压和高低压回路是从涡前取废气,高低压和低压回路是在压气机前进废气,由此说明,取废气的位置在涡前或者涡后对原机的进气量影响不大,但是进废气的位置对原机的进气量影响较大。压气机前进废气口的存在使得进气压力下降,进气量减少。进一步的计算表明,改变EGR管路长度或EGR阀门的位置对该状况影响不大。因此,如果采用高低压回路或低压回路,需要重新考虑与增压器的匹配。不同发动机转速下EGR系统对原机的影响100%负荷下,采用高低压回路后EGR阀关闭时不同发动机转速下进气流量及涡前流量的变化情况。可见,发动机转速越低,EGR系统对原机的影响越小。EGR阀打开对原机的影响当EGR阀打开、糰=1时,发动机各参数的变化见表7。对于高低压系统来说,EGR阀开度较大时,由EGR系统引起的进气压力的减小以及增压器废气能量的减少,使得总的空气进气量减少,即模型中的增压器与发动机不匹配,将会使输出功减少,气耗上升。减小阀门开度即加浓混合气有可能提高输出功率,但是会使得NOx的排放不能达到预期的效果,因此唯一的办法是重新匹配增压器。高压系统在计算中获得较好的效果,主要是因为EGR系统对发动机和原增压器匹配的影响较小。从EGR流量所占总进气流量的比例来看,从大到小依次为HL,HP,LP,因此如果考虑用EGR代替空气来对燃气进行稀释,在增压器匹配的情况下HL更容易实现,因此下文将讨论采用HL回路时EGR对CNG发动机性能的影响。
EGR对CNG发动机性能的影响
对3个工况点(2200r/min,1800r/min,1200r/min的100%负荷)进行缸内燃烧过程的三维计算,比较采用不同的EGR质量分数对糰=1的混合气进行稀释后的燃烧情况,并与原机纯空气稀释的.情况进行对比。仿真模型的建立在Fire中建立仿真模型,湍流模型采用压缩修正后的k-ε双方程,燃烧模型采用相干火焰模型(火焰面密度模型),NOx生成模型采用泽尔维奇扩展模型。活塞网格模型。计算从进气门关闭时刻(597°曲轴转角)开始,到排气门开启时刻(822°曲轴转角)结束(压缩上止点为720°曲轴转角)。设缸内初始状态的压力、温度处处均匀。边界条件根据经验设定,活塞表面温度为590K,缸盖壁面温度为550K,缸套壁面温度为410K。给定进气门关闭时刻缸内压力、温度、湍动能、涡流强度、EGR质量分数、空燃比及点火提前角。火花塞位于缸套正中央,凸出缸盖底面5mm,火焰为直径3mm的球形,点火持续时间为0.0003s,初始火焰密度200m-1。调整计算模型参数,使其与实机尽可能接近计算结果2200r/min,100%负荷工况点图10示出缸内主要参数计算结果的比较。对于糰=1的混合气来说,随着EGR质量分数的增加,缸内压力、温度、放热率均有明显降低,从而导致功率下降、气耗上升,但是NO生成的降幅更大(图略)。对于该工况点来说,当用质量分数为0.32的EGR对糰=1的混合气进行稀释时,其缸压与原机用纯空气稀释、糰=1.55的情况比较接近,而NO的质量分数大幅度减少,只有原机的1/5~1/4,但是气耗率有所升高。如果要使气耗率保持原有水平,则要减小EGR质量分数,约为0.3,这时NO生成量约为原机的2/3。图10中4种情况的燃料质量分数分别为3.463%,3.934%,3.836%,3.672%,也就是说,使用EGR对混合气进行稀释时,要获得与使用纯空气稀释的相近缸压,需要较浓的混合气。另外对于糰=1这种空燃比较小的情况而言,缸内过程对EGR质量分数的变化比较敏感,0.01的EGR质量分数变化都会使得缸内的压力和温度产生较大的变化。1800r/min,100%负荷工况点。
结论
EGR阀关闭时,高压(HP)回路对进气量没有影响,而高低压(HL)和低压(LP)回路的进气量有较大的减少;EGR管径越小,EGR系统对原机进气流量的影响越大;发动机转速越低,EGR系统对原机的影响越小;高压回路由于其压差较大,因此较容易获得较大的EGR率;综合各项性能指标,各工况点都相应较优的EGR质量分数: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/min,100%负荷工况点,EGR质量分数为0.1时较优。
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