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1、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aa *baInternal Combusti on Engines Laboratory, Thermal Engin eeri ng Secti on, Mecha nicEn gi neeri ngDepartme nt,Natio nal Tech ni cal Un iversity of Athe ns, 9 Hero onPolytech niou, 157 73 Zografou, GreecebDevelopme nt Basic Systems, Heavy Duty Engin es, Daimler
2、Chrysler AG0546Stuttgart,Germa ny 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E
3、GR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
4、。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 NOx5,6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
5、度。图一 .（a）区域在喷射方向形成-r平面（b）区域形成在“-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C02和H20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
6、力进行工作。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N0x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
7、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
8、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。C
9、A。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。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名t模型1,8,9,13-7确定。热交换率是这样得到的：*44Q 二 Ahc(Tg -Tw) Cr(Tg -Tw)(1)其中Tg是由射流体积温度:mkCvk TkmkCvkk 4(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:Q(mkCvkTk)Qk 二(3)mkCvkTk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=WRfor 0
10、 R Reu=VPR(Re/r) 0.05for Rc R(10)在区后冲击被假定为平行于气缸壁的路径，这是接近现实2.1.4. 空气卷吸进入区加气用动量守恒估计，这已被证明是稳定的，简单的和几乎不需要调整发动 机的操作条件。空气卷吸进区总量从注射时刻确定；= (ma mf)Up 二 ma 二 mfUinjUpmf(11)2.1.5. 液滴破裂和蒸发喷射的燃料是根据瞬时喷油率分布区。每个区域内的燃料分按以下具有相同 的直径Dd组分布2,8,9:dVDd 3DdDd13.5()3exp-3()d().(1VDsmDsmDsm索特平均直径的Dsm是从半经验公式得到的，来自实验数据:0.250.32
11、 , Vd 0.37 , “ 1、-0.47 ,(13)Dsm,1 =0.38Reinj Weinj()( 丁) d inj ,Va%(14)Dsm,2=4.12碉碱弋）。弋严,其中下标f” 2“分别为的完整和不完整的喷雾。索特平均直径为上述两个值的最大值。博尔曼和约翰逊20的模型为蒸发过程的之后，如152.1.6. 燃烧模型燃烧启动点火延迟期的关系2,21,22:adel1丘2厂e；04 exp(500。Tg)dt = 1(15)其中“”是在混合区内当地的燃料空气当量比，adel是一个常数。点火后的 局部反应率取决于燃料的质量浓度， 氧气和温度适宜的地方。下面的关系给出了 燃料的反应速率：a
12、f ao . . Ec .订 1m fb - K bC f Co e,（16）6 N其中Kb是常数，EC是降低的活化能（K），Cf，Co分别是燃料和氧气的质 量浓度。2.2. 气体交换使用的填充和排空的方法，实现了进排气系统的模拟，取得了良好的效果 1,2,16。该模型是模拟涡轮增压内燃机，即模拟涡轮增压器和空气冷却器的运行 16O2.3. 一氧化氮和烟尘的形成的模型一氧化氮的形成一氧化氮在每个区域内都可形成，可以使用化学平衡。认为在每一区都存在 这11种物质23:02，N2，CO2，H2O, H，H2，N，NO，0, OH, CO。在每个区域中的这些元素的平衡浓度是使用由作者开发的方法确定7,15。-氧化氮的形成是由化学动力学控制。在目前的工作中泽利多维奇用于涉及以下三 个方程扩展机制：10N NO N2 Okif =1.6 XON NO+Ok2f =6.4 X6 T exp (-3125/T )(17)(18)N OH * NO Hk3f =4.2 XO10在每个区域的NO浓度变化可以表示为：1 d( NOV) 2(1 -V dtVR1/(R2 R3)其中，心血帆,皆 k2fNeQe,R=k3fNeOHe-=NO/NOe。在以前的关系指数e表示平衡。以往的微分方程我们可以得到在每个区NO浓度整
