基于egr的柴油機分區(qū)燃燒協(xié)同優(yōu)化控制研究

基于egr的柴油機分區(qū)燃燒協(xié)同優(yōu)化控制研究

混合過程控制通過對內(nèi)部燃燒過程中有害物質(zhì)的排放水平的優(yōu)化，我們可以控制外部物體的排放水平，滿足嚴格的排放法律法規(guī)。同時，減少或排除不必要的后繼系統(tǒng)使用數(shù)量（占發(fā)動機總成本的40%70%），降低整個機器的成本。目前國內(nèi)外此領(lǐng)域研究主要集中在通過混合時間控制(準均質(zhì)混合氣形成)及化學過程控制(燃燒反應(yīng)區(qū)氛圍控制)實現(xiàn)對燃燒路徑優(yōu)化,如基于HCCI燃燒概念的低溫均質(zhì)稀薄燃燒方式,主要包括MK、低溫稀擴散燃燒等。本質(zhì)上均耦合高壓共軌噴射及EGR技術(shù),基于混合能量、混合氛圍主動控制強化混合使燃燒過程不同時期下的混合氣時間-空間高離散度分布向低溫、均質(zhì)分布偏移,避開NOx及PM生成區(qū)域以實現(xiàn)超低排放。筆者通過在一臺電控高壓共軌重型柴油機上借助ETAS標定系統(tǒng)及CFD模擬軟件、耦合EGR控制及油氣混合柔性噴油規(guī)律調(diào)制擬在探討EGR實現(xiàn)低溫燃燒(LTC)模式超低排放的可行性。1案例測量及模型建立CA6DL2-35E3增壓中冷電控燃油共軌柴油機參數(shù)如表1所示。測控裝置采用毫秒級A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置高速傳感器構(gòu)建了實時(10~100ms)參數(shù)測量系統(tǒng),實現(xiàn)了發(fā)動機性能、排放等參數(shù)的實時測量及記錄;利用角標器和DS9100燃燒分析儀實現(xiàn)了單循環(huán)示功圖測量;基于ETAS共軌標定系統(tǒng)實現(xiàn)了多段噴油模式噴油量、噴射時刻及軌壓等供油參數(shù)的獨立控制;利用自行開發(fā)的EGR閥控制單元可實現(xiàn)EGR率的獨立控制。模擬計算網(wǎng)格如圖1,采用了標準k-ε湍流模型、Huh噴霧模型、Reitz/Diwakar液滴破碎模型、Bai撞壁模型、shell點火模型、層流湍流時間尺度燃燒模型,并利用PISO算法進行求解。邊界條件包括:初始壓力采用試驗示功圖獲取,并以保證進氣量為原則計算得到初始溫度;模擬各工況所采用的渦流比均為1.1,在STAR-CD中采用渦流轉(zhuǎn)速Omega來體現(xiàn);壁面邊界按照絕熱條件來處理。圖1顯示了1650r/min、50%負荷工況試驗與模擬計算得到的示功圖對比,可以認為所選模型和計算方法基本合理。2r性能2.1燃燒放熱率隨egr率的變化利用原理性低壓EGR系統(tǒng)分析了EGR率對燃燒過程的影響規(guī)律,圖2為1650r/min不同負荷下(原機噴油帶預噴、預噴量為3mg/cyc)EGR率對燃燒過程影響的對比。從圖2可以看出,小負荷工況下隨著EGR率的增大,燃燒滯燃期增長,燃燒始點明顯后移,更有利于均質(zhì)混合氣的形成,特別是在超過12%EGR率后,燃燒放熱率峰值隨EGR的增大呈上升趨勢。原因是EGR使加長的滯燃期內(nèi)燃油蒸發(fā)量增大,更有利于燃油與空氣的混合,燃燒初期放熱率大、峰值高,燃燒效率有所提高,碳煙排放變化幅度小。在中大負荷工況,燃燒放熱率峰值隨EGR率的增大呈下降趨勢。原因是中大負荷工況下缸內(nèi)過量空氣系數(shù)較低,隨著EGR率的增大,回流廢氣中的惰性氣體降低了氣缸內(nèi)氧氣濃度抑制了燃燒反應(yīng),燃燒速率減緩,使燃燒放熱率峰值降低并抑制了NOx排放,燃燒熱效率降低。綜上可以認為,EGR具有促進油氣混合、又具有燃燒速率控制的效能,是實現(xiàn)低溫燃燒的一項有效措施。2.2燃燒反應(yīng)基團的分布為分析EGR降低NOx的生成機理,模型計算獲取了1650r/min、50%負荷加入EGR前后相同曲軸相位對應(yīng)的缸內(nèi)燃燒反應(yīng)基團(當時正在進行燃燒反應(yīng)的網(wǎng)格)在ue788-T圖中的分布,如圖3所示。從圖3中可以看出相同曲軸相位下,加入EGR后燃燒反應(yīng)基團向低溫區(qū)域移動,原因即回流廢氣的高熱容性使得燃燒溫度降低,燃燒基團遠離了NOx生成區(qū)域;盡管EGR具有改善油氣混合的效能(滯燃期長),但加入EGR后(25°CAATDC)的燃燒基團更靠近碳煙生成區(qū)域,說明碳煙的生成取決于混合和燃燒的速度比,只有在燃燒滯后且高油氣混合速率的前提下才可能避開碳煙生成區(qū)。為此,研究擬通過提高噴油壓力、介入EGR探討實現(xiàn)低溫燃燒的可行性。2.3排放、熱力同時優(yōu)化的負荷區(qū)域燃燒模式在單段噴油模式、提高噴油壓力(未改變噴油正時)的前提下,探討EGR實現(xiàn)低溫燃燒的可能性。圖4、圖5顯示了轉(zhuǎn)速1650r/min時,將不同負荷工況原噴油壓力(75~90MPa)提升到100MPa,引入回流廢氣,并按照NOx排放率降低30%,煙度低于10%的原則進行優(yōu)化后EGR對發(fā)動機性能及燃燒過程的影響。從圖4中可以看出在負荷小于32%的工況區(qū)域內(nèi),隨EGR率增大NOx排放單調(diào)下降幅度均超過30%;消光煙度均未超過5%;燃油消耗率(be)變化小,燃油經(jīng)濟性保持較好水平。可見在此工況區(qū)域內(nèi)采用提高噴油壓力改善噴油霧化的基礎(chǔ)上,利用EGR作為燃燒過程組織的調(diào)控手段,可以實現(xiàn)具有NOx及PM排放低且熱效率較高的LTC燃燒模式。但是,圖5燃燒過程曲線表明:在能夠?qū)崿F(xiàn)排放、熱效率同時優(yōu)化的負荷區(qū)域其峰值放熱率均接近或超過300J/°CA,相應(yīng)地壓力升高率均大幅度增大,均大于常規(guī)燃燒模式下燃燒參數(shù)的極大值,難以直接運用。因此,降低放熱率峰值及其所帶來的壓力升高率過大、燃燒噪聲過大的問題成為了以EGR為主要手段實現(xiàn)LTC燃燒模式的一個主要研究內(nèi)容。針對上述問題,目前預噴是解決壓力升高率過高的常用手段,采用預噴調(diào)節(jié)缸內(nèi)主燃燒期的熱氛圍、化學氛圍可以縮短預混燃燒量從而降低壓升率和燃燒噪聲;而放熱率峰值取決于滯燃期長短和已噴入缸內(nèi)的油量。若將總噴油量拆分為幾部分,利用噴油規(guī)律耦合EGR控制燃燒過程理論上可以成為實現(xiàn)低溫燃燒的一個有效手段。3燃燒模式優(yōu)化方法采取的多段噴射燃燒模式如圖6所示。在此燃燒模式下,主、后噴時刻耦合主、后噴油量直接決定了放熱率重心,而放熱率重心、燃燒持續(xù)期又決定著熱效率和缸內(nèi)燃燒反應(yīng)區(qū)分布情況,是該燃燒模式實現(xiàn)及優(yōu)化的關(guān)鍵調(diào)整參數(shù)。因此,研究在保持負荷工況優(yōu)化預噴參數(shù)不變的基礎(chǔ)上,維持總油量不變,討論后噴噴油參數(shù)(后噴油量從主噴中獲取)對發(fā)動機影響規(guī)律及耦合EGR實現(xiàn)多段噴射低溫燃燒的可行性。具體包括:采用預噴提升有效燃燒時缸內(nèi)熱氛圍,減小壓升率;降低主噴總油量,抑制放熱率峰值,降低NOx排放;高溫氛圍下組織后噴燃燒,偏離PM生成區(qū)域;高廢氣存在及較濃混合氣實現(xiàn)低NOx燃燒;優(yōu)化放熱重心,提升熱效率。3.1燃油消耗率變化圖7顯示了1650r/min、25%負荷、主后噴時間間隔為1.9ms后噴量對NOx、PM排放及放熱率的影響。從圖中可以看出,采用三段噴射模式后,隨著后噴比例的增加,NOx及碳煙呈單調(diào)下降趨勢,而燃油消耗率增大,數(shù)據(jù)上顯示NOx及碳煙增降幅分別為48.2%和82.4%,燃油消耗率增幅為15.7%。分析其原因為后噴燃油的燃燒使得微粒后期氧化作用增強,排氣煙度下降;而總油量不變、后噴油量增加意味著主噴油量減少,預混合燃燒油量所占總油量的比重減少使得主噴燃燒放熱峰值被削減,NOx排放降低;雖然后噴油量增加使得后噴放熱峰值有所提升,但峰值相位靠后,做功能力變差,熱效率有所下降,be稍有增加。在不采用EGR、未充分提升噴油壓力的情況下,同樣按照煙度小于10%(或5%)、NOx排放率降低30%為界定條件進行性能優(yōu)化如圖8所示。從圖8中可以看出中低轉(zhuǎn)速下的適用工況負荷可以擴展到75%,而60%負荷下可以覆蓋全轉(zhuǎn)速。3.2三軸燃燒的關(guān)鍵參數(shù)和機理分析3.2.1高壓旋流噴射的流量在1330r/min、50%負荷工況,19.2%后噴油量、主后噴間隔5.5°CA條件下缸內(nèi)氧的體積分數(shù)(主噴380.2°CA結(jié)束)如圖9所示,缸內(nèi)速度場示意如圖10所示。從圖9中可以看到,在油量一定的前提下,當主噴燃油達到一定貫穿距離后,主噴末期的油束開始進入到貧氧區(qū),隨著曲軸轉(zhuǎn)角增大,在噴油方向上低氧體積分數(shù)區(qū)逐漸向前擴散,油束周圍的氧氣不斷補充過來,噴油區(qū)域內(nèi)氧氣體積分數(shù)增大。從圖10缸內(nèi)速度場可以看出,即使主噴早已結(jié)束,但其對缸內(nèi)流場的沖擊仍然十分明顯,具體表現(xiàn)在:噴油前端的噴射速度仍遠高于渦流運動速度,噴射油束阻斷了渦流的運動;在油束方向的根部位置,噴油速度已經(jīng)很弱,主噴帶動形成繞氣缸軸線垂直方向旋轉(zhuǎn)的滾流占據(jù)了主導。如若僅為單次噴射,噴油末期大量的氧氣難以快速運動到油束噴射區(qū)域,而若將此部分燃油改成后噴策略進行噴射,利用主后噴間隔間歇期,通過滾流引導油束周邊的氧氣進入到油束區(qū)域內(nèi),可以改善噴油末期的油氣混合,而渦流作用較小。3.2.2后噴油量對燃油、碳煙與煙氣的擾動作用在1330r/min、50%負荷工況、主后噴間隔4°CA條件下,不同后噴量下的平均湍動能及速度場對比,如圖11~圖12。湍流動能決定了各種物質(zhì)在缸內(nèi)的運輸及其空間分布,對可燃混合氣的形成具有直接影響。STAR-CD中溫度高于1100K時是發(fā)生燃燒的必要條件,故在圖11中給出了不同后噴量下,T>1100K所有網(wǎng)格的質(zhì)量平均湍動能對比。從圖11中可以看到,在410°CA前,后噴油量增量越大,特別是后噴油量達到一定量后(10%以上),湍流強度越顯著,其擾動作用明顯加強,直到410°CA后平均湍動能趨于一致。圖12為后噴結(jié)束(386.7°CA)后不同后噴油量下缸內(nèi)速度場對比,可以看出由于后噴油量的增加對油氣擾動作用的加強,造成在噴油方向上燃油噴射速度明顯增大,卷吸作用加強,進而越有利于燃油、碳煙與氧氣混合,強化后噴燃燒,降低碳煙排放。綜上分析,增大主后噴間隔及后噴油量可以強化后噴油氣混合速率。然而,若主后噴間隔過大,主噴燃燒所放熱量向缸壁散熱及向低溫區(qū)域傳熱使得高溫區(qū)份額減少,后噴燃燒會類似于主噴階段燃燒,產(chǎn)生第二個碳煙峰值且很難在此氧化;若以總油量不變?yōu)榍疤?后噴油量的增大會導致主噴放熱峰值降低,且后噴燃燒功率提升能力有限,會綜合導致熱效率降低,燃油經(jīng)濟性變差(見圖7)。因此,基于三段噴射下協(xié)同優(yōu)化缸內(nèi)流動特性、化學氛圍、熱氛圍這種燃燒模式可以認為是一種時間意義上的分區(qū)燃燒,在噴油方向上保證氧氣充足的前提下,應(yīng)盡可能減小主后噴間隔、選取適量后噴油量以協(xié)調(diào)缸內(nèi)流動狀態(tài)與化學氛圍遷移,強化燃燒后期油氣擾動,從而實現(xiàn)對三段噴射燃燒模式的優(yōu)化。3.3時間分區(qū)燃燒模式的應(yīng)用效果圖13、圖14顯示了時間分區(qū)燃燒模式(1.9ms主后噴間隔時間、25%后噴量)、1650r/min、25%負荷工況加入EGR,并根據(jù)NOx排放率降低30%、煙度低于10%的策略進行優(yōu)化后EGR對發(fā)動機性能及燃燒過程影響規(guī)律。從圖13可知(左數(shù)第一點均為原機性能點),時間分區(qū)燃燒降低PM的潛在效能給EGR的介入提供了裕量。與原機數(shù)據(jù)比較,時間分區(qū)燃燒其消光煙度均降低至2.5%左右;加入EGR后10%EGR率范圍內(nèi)消光煙度均未超過10%,而對應(yīng)NOx排放率降幅均達35%以上,燃油消耗率最大增幅為10%,可以認為時間分區(qū)燃燒實現(xiàn)了超低排放的要求,具有LTC燃燒模式的特征。從優(yōu)化EGR率時間分區(qū)燃燒過程曲線可以看出,與單段噴射LTC模式相比,放熱率峰值及對應(yīng)壓力升高率均有改善,最大峰值分別降至180J/°CA及0.06MPa/°CA,可以認為時間分區(qū)燃燒模式能夠解決以EGR實現(xiàn)低溫燃燒所帶來的放熱率過高導致壓力升高率過大問題。然而,由于采用大比例后噴使燃燒持續(xù)期延長且重心(CA50)靠后,造成了熱效率有所下降。前期研究表明熱效率直接相關(guān)于放熱率重心的相位和燃燒持續(xù)期,提升軌壓可以同時縮短燃燒持續(xù)期并改變重心分布,調(diào)整主噴時刻可以整體平移燃燒重心。因此,時間分區(qū)燃燒模式需確定合適的軌壓、主噴相位,與熱效率和排放特性的協(xié)同優(yōu)化。4燃燒路徑探索圖15為1650r/min、25%負荷下采用各種缸內(nèi)燃燒手段降低PM、NOx排放的過程,研究結(jié)果均是在原機供油系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)下實現(xiàn)的(微粒排放率通過消光煙度與微粒質(zhì)量流量的轉(zhuǎn)換經(jīng)驗公式獲取)。從圖中可以看出在特定的混合能力、混合氣氛圍下單靠改變?nèi)紵辔粺o法實現(xiàn)PM、NOx的同時控制。采用提高軌壓、引入后噴等強化混合手段可以使PM排放顯著降低而NOx排放會有所升高;采用引入回流廢氣等燃燒控制手段可以有效降低NOx排放,但PM排放會有所增加。經(jīng)過試驗分析與計算模擬驗證,研究基于三段噴射技術(shù)協(xié)同優(yōu)化缸內(nèi)流動特性、配合化學氛圍能量遷移的時間意義分區(qū)燃燒與EGR耦合優(yōu)化燃燒路徑初步確立了超低排放的影響因素與控制策略、實現(xiàn)了LTC模式的超低排放。因此,可以認為僅依靠缸內(nèi)燃燒過程組織燃燒超低排放是可行的。5時間意義分區(qū)燃燒模式(1