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柴油引燃天然气RCCI发动机大负荷燃烧过程研究

柴油引燃天然气RCCI发动机大负荷燃烧过程研究

直接喷射压缩点火(DICI)发动机在其燃料经济性、可靠性和耐用性方面具有卓越的声誉。由于常规柴油燃烧的不均匀性,颗粒物质(烟灰)和一氧化氮(NOx)的排放对于柴油发动机性能是一个挑战。此外,提高燃油效率始终是一个目标,因为原油的使用与二氧化碳排放

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  • 详细描述

    柴油引燃天然气RCCI发动机大负荷燃烧过程研究
    摘要
     
    最近许多研究表明,反应性控制压缩点火(RCCI)燃烧策略可以实现高效率和低排放。然而,还显示由于其预混合性质,RCCI燃烧在高负载下是困难的。为了汽油/柴油双燃料发动机在中等至高负载下工作,需要大量的EGR或超低压缩比。考虑到这两种方法固有地降低了热力学效率,在本研究中天然气作为低反应性燃料的汽油替代品。由于与汽油相比天然气的较低的反应性(即,较高的辛烷值),假设它是用于RCCI燃烧的更好的燃料,其中两种燃料之间的大反应性梯度有利于控制最大压力升高速率。
    结合使用多维CFD码KIVA3V与CHEMKIN化学工具和非限定排序遗传算法(NSGA-II)以对宽范围的发动机操作条件进行优化。由遗传算法控制发动机设计参数包括预混合的总燃料(甲烷)的分数、两次柴油喷射正时、每次喷射中的柴油量、柴油燃料喷射压力和EGR百分比。优化的目的是减少最小化烟灰、NOx、CO和UHC排放,以及ISFC和振铃强度。研究了宽负载/速度范围;优化了4至23bar IMEP:800至1800转/分的六个操作点。这些负载/速度组合代表是典型的重型发动机条件。使用16.1的原料压缩比,确定可以在没有EGR的情况下实现高达13.5bar的IMEP,同时仍然保持高效率和低排放。该研究还检查了高负载下RCCI燃烧对注射系统参数的敏感性。结果表明,燃烧控制用需要精确的喷射控制。
    关键词:柴油机,煤烟,RCCI,DICI,喷射控制,燃烧控制
    目录
    摘要 1
    1. 引言 2
    2. 计算工具 6
    3. 优化方法 6
    4. 遗传算法优化 7
    5. 双注射分离灵敏度 14
    6. 与汽油/柴油RCCI的比较 16
    7. 结论 18
     
     1. 引言
    直接喷射压缩点火(DICI)发动机在其燃料经济性、可靠性和耐用性方面具有卓越的声誉。由于常规柴油燃烧的不均匀性,颗粒物质(烟灰)和一氧化氮(NOx)的排放对于柴油发动机性能是一个挑战。此外,提高燃油效率始终是一个目标,因为原油的使用与二氧化碳排放直接相关。因此,重型柴油发动机是过去二十年中的研究和开发的主题。
    命名:
    ηgross=总效率
    Ф=等效比
    AHRR=表观热释放速率
    ATDC=在上死点后
    bkW=制动功率[kW]
    BTDC=在上死点前
    CA50=曲轴角度50%燃料燃烧
    CA90=曲轴角度90%燃料燃烧
    CFD=计算流体动力学
    CI=压缩点火
    cp=恒压比热
    CO=一氧化碳
    DICI=直接喷射压缩点火
    EGR=废气再循环
    EPA=美国环境保护局
    ERC=发动机研究中心
    EVO=排气阀开口
    F / A=燃料 - 空气比
    FSN=过滤烟雾数
    ISFC=指示特定燃料消耗
    GA=遗传算法
    GRI=气体研究所
    HCCI=均相充量压缩点火
    HRR=热释放速率
    ikW=指示功率[kW]
    IMEP=指示平均有效压力
    ISFC=指示特定燃料消耗
    IVC=进气阀关闭
    KH-RT=Kelvin Helmholtz - Rayleigh Taylor
    LDEF=拉格朗日 - 欧拉流体
    LHV=较低的热值
    MOGA=多目标遗传算法
    NOx=氮氧化物(NO + NO2
    NSGA=非支配排序遗传算法
    PCCI=预混合充气压缩点火
    PPCI=部分预混压缩点火
    PRR=峰值压力上升率
    RCCI=反应性控制压缩点火
    ROI=影响半径
    SCOTE=单缸油测试发动机
    SI=火花点火
    SOI=开始注射
    TDC=上死点
    T0=反应温度
    Tflame=绝热火焰温度
    UHC=未燃烃
    常规DICI混合限制燃烧的排放结果可以用当量比(Ф)和温度来说明,如图1 [1]所示,其中常规柴油,PCCI和HCCI的操作方式已被覆盖。这个数字是基于Kamimoto [2]提出的原始图表,Pickett,Akihama et al[4]进行了额外的研究[3]。可以看出,存在两个不同的排放形成区:在化学计量混合物(Ф= 1)处,存在产生高NOx形成速率的扩散火焰(即混合控制燃烧),并且其中2 <Ф<3 T=1800K时,产生不可接受的高烟灰形成速率。
    为了保持高热效率的同时减少NOx和烟尘排放,已经提出了许多新的压缩点火(CI)燃烧策略。均匀充气压缩点火(HCCI)是一个已经研究了20多年的概念,最初由Najt和Foster在1983年的四冲程发动机研究[5]中提出。HCCI燃烧已被证明在热效率方面具有优越的特性,这是由于具有较低的传热损失和较短的燃烧持续时间[6]。此外,低温燃烧过程产生接近零的NOx和烟尘排放,如图1所示。虽然HCCI燃烧表现出热力学吸引力,但该概念呈现可控性,因为它牺牲了两个燃烧控制方面。首先,点火的正时不是通过(如DICI发动机中)燃料喷射或通过火花(如在SI发动机中)那样来控制。第二,不通过燃料喷射速率(如在DICI发动机中)或通过有限湍流火焰传播(如在SI发动机中)来控制热释放速率。结果表明,接近恒定体积的燃烧速率可导致非常快速的热释放速率,并且因此导致非常快速的压力升高速率。

    图1.Ф-T空间中的烟尘和NOx形成区域,重叠的是常规柴油,
    预混合充气压缩点火(PCCI)和均质充气压缩点火(HCCI)的操作方案[1,2,3,4]
    为了解决上述HCCI燃烧的第一个燃烧控制方面,Olsson等人[7,8,9]通过使用两种燃料展示出了点火正时控制。通过使用具有大反应性梯度的燃料组合,调节高反应性燃料和低反应性燃料之间的比例以控制燃烧定时和持续时间。研究人员使用异辛烷(C8H18)/正庚烷(C7H16)和乙醇(C2H6O)/正庚烷的组合以及大量的EGR能够延迟50%燃料燃烧的位置(CA50)。然而,由于涡轮增压器引起的损失,实验在负载方面受到限制。HCCI中的废气温度明显低于其他燃烧策略,因此高水平的增压是不可达到的。实验导致非常低的NOx量和高于95%的燃烧效率,特别是在中-高负荷点和当引入EGR时。然而,高效的低负载操作仍然被证明是HCCI的一个困难的任务。HCCI燃烧的这些优点和挑战促使部分预混合压缩点火(PPCI)的研究。
    如图1所示,为了避免高的NOx和烟灰形成速率,燃料必须在点燃发生之前具有足够的时间来混合。在PPCI的情况下,燃料在循环早期注入以促进点燃前的混合。隆德大学的研究人员发现柴油PPCI的特点是8、12和15bar表明平均有效压力1(IMEP)[10]。他们发现,常规DICI柴油燃烧中存在的传统NOx-烟灰权衡可以用柴油PPCI来消除,但是代价是燃烧效率下降。通过使用超过60%的EGR率,NOx排放接近零,烟尘排放开始急剧下降。不幸的是,这些高EGR水平导致燃烧效率低于90%。
    实现PPCI燃烧的另一种方法是使用低反应性燃料以允许在点燃之前更多的混合时间。 Kalghatgi [11]是第一个用常规汽油操作重型压燃式发动机的公司之一。最近,隆德大学的研究人员在从低负荷到高负荷的重型发动机中研究了汽油PPCI。Manente et al[12,13,14]制定了与UNIBUS [15]非常相似的操作策略来操作带有汽油的重型DICI发动机。他们的策略利用两个直接喷射,高增压和大约50%的EGR。在18bar的总IMEP下,它们能够在1-2FSN的范围内获得烟灰,总指示效率高于50%,NOx低于0.3g / kW·hr,最大压力升高速率为15bar/度。他们还成功地在具有与汽油相同沸点的燃料的大负荷范围(约5-26bar IMEP)下操作。总指标效率也高于50%,排放量低于美国2010年和欧盟四国的规定。
    Dempsey和Reitz [16]进行的遗传算法优化探讨了中压和高负荷重载压缩点火发动机中的汽油PPCI操作,压缩比为16.1。中负荷条件表现出低排放,总指示热效率为50%,以及可接受的峰值压力上升速率(PPRR)。在高负载条件下,也实现了低NOx排放和50%的效率,但是抑制烟尘和最大压力升高速率被证明对于汽油PPCI燃烧策略是有挑战性的。这与前面提到的隆德大学进行的实验研究的结果一致。
    Lund大学[10,12,13,14]的Dempsey等人[16]发现,单燃料PPCI燃烧可以产生高热效率和低排放,但是保持可接受的最大压力上升速率是一个挑战,特别是在高负载下。 Inagaki等人[17]是第一个展示使用缸内。混合的双燃料PPCI。他们发现,可以通过改变两种燃料的比例来控制点火正时,并且在上死点(BTDC)之前大约30°的喷射正时导致燃烧速率比使用单一燃料的HCCI所显示的燃烧速度更温和。后来的喷射导致不可接受的高NOx排放,而较早的喷射导致非常高的压力上升速率。然而,使用14的压缩比,它们能够使用没有EGR的异辛烷和柴油燃料使发动机运转高达12bar的IMEP,产生10ppm的NOx和0.1FSN(即低烟灰)。伦敦大学的研究人员[18]也能够通过使用两种燃料减缓HCCI的燃烧率。例如,使用甲烷和异辛烷的混合物以在1000转/分钟下实现16bar IMEP操作。使用高速率的EGR和相对晚期的燃烧定相,它们成功地减慢了燃烧速率并将峰值气缸压力限制在17-19MPa。
    学习Inagaki et al [17]和Bessonette等人的双燃料研究[19]。Kokjohn,Hanson,Splitter和Reitz [20,21,23]成功地在重型卡特彼勒单缸发动机中证明了清洁和极其有效的双燃料燃烧。在计算工具的指导下,他们发现Inagaki等人[17]看到的高压上升速率可以通过使用比使用更早的注射时间的优化多次注射来避免[24]。基于Kokjohn等人的发现[25],这允许他们开发汽油/柴油气缸内燃料混合策略,提供低排放(低于美国环保局2010年水平,缸内),峰值净循环效率53%从4bar到14.5bar IMEP。这种燃烧策略被称为反应性控制压缩点火(RCCI),其中发现与在室中建立的优化的反应性梯度相比,单燃料预混合燃烧,缸内燃料共混降低了最大压力升高速率。然而,由于最大压力上升速率约束和增加的EGR率要求,对超过14.5bar IMEP的负载的延伸已被证明是困难的。本工作的主要焦点是探索使用天然气作为低反应性燃料的常规重型发动机中从怠速到满载(约4-23bar IMEP)的RCCI燃烧。
    使用可用的化学机制和CHEMKIN代码获得各种燃料的点火延迟估计,如图2所示。可以看出,甲烷(CH4)和正庚烷之间的反应性差异远大于异辛烷和正庚烷。较大的反应性梯度有助于延长燃烧持续时间,从而降低高负荷时的峰值压力上升速率。然而,它可能在轻负载时提出挑战(即燃烧效率可能受损)。应该注意的是,本研究将天然气模拟为纯甲烷,而典型的天然气含有92%体积的甲烷[26],因此表现出与甲烷非常相似的性质。如上所述,甲烷和正庚烷之间的大反应性梯度使其用于RCCI燃烧有吸引力。此外,天然气是丰富的。虽然比原油更丰富,天然气仍然是宝贵的,这也需要优化内燃机中有效燃烧天然气的策略。

    图2.正庚烷(即柴油燃料),甲烷(即天然气)和异辛烷(即汽油)的恒定体积,绝热,均相反应器模拟;所有模拟在50bar的压力和0.4的当量比下进行;δ反应性线的位置是相当任意的,但是850-900K是重型柴油发动机的代表性压缩温度
    2. 计算工具:多维发动机CFD
    在这项工作中使用了基于KIVA3V Release 2代码[27,28,29]的KIVA-CHEMKIN代码。KIVA3V代码使用拉格朗日-欧拉-流体(LDEF)方法建模发动机喷雾:液体燃料被视为拉格朗日包裹,环境气体离散成细胞。天然气和柴油燃料(用于喷雾破碎,蒸发和混合)的物理性质分别被认为是甲烷和十四烷(C14H30)的物理性质。还应该注意的是,在本研究中,假设甲烷和空气混合物在IVC(即甲烷被注入端口并具有足够的时间与进气混合)是均匀的。
    已经对KIVA3V代码进行了几个子模型改进,包括燃料液滴分解和蒸发,液滴碰撞和聚结,湍流建模,与网格无关的喷射模型,以及主要参考燃料化学机制的开发。Beale和Reitz [30]实施了开尔文亥姆霍兹-罗利泰勒(KH-RT)模型,一种混合喷雾破碎模型。使用基于O'Rourke的模型的原始KIVA3V液滴碰撞模型。然而,应用影响半径(ROI)方法通过确定可能的碰撞伙伴来减少碰撞过程的网格依赖[31]。使用由O'Rourke和Amsden开发的标准KIVA3V壁膜模型来模拟液滴-壁相互作用[32]。液滴蒸发子模型由Ra和Reitz [33]改进。此外,Han和Reitz [34]将RNG k-Ɛ湍流模型修改并实现为KIVA3V代码。为了减少模拟时间,Dempsey等人开发的动态最大时间步长策略[16]
    KIVA-CHEMKIN代码已经耦合到CHEMKIN II库用于详细的燃烧化学计算[35]。 使用现象烟尘模型预测煤烟排放。模型中考虑了两个竞争过程,形成和氧化。乙炔(C2H2)用作形成速率方程中的煤烟起始物种[36]。NOx形成化学由4种物质和12种反应表示,这是GRI NOx机理的还原形式[1]。所使用的化学机制的甲烷部分考虑链起始(例如CH4 + O2→CH3 + HO2),链增长(例如CH3 + O2→CH2 O + OH)和链分支(例如CH2O + HCO)反应[37]
    3. 优化方法
    Shi和Reitz [38]评估了在DICI柴油机优化中使用的不同多目标遗传算法(MOGA)的性能。考虑到优化的目标是找到尽可能接近真实的帕累托前沿并且具有尽可能多样化的解的一组设计,它们定义了用于评估MOGA的四个量。他们的分析得出,Deb等人的非离子排序遗传算法II(NSGA-II)[39]拥有庞大的人口规模,在接近真正的帕累托前沿,并在所有目标上传播最佳解决方案时表现出更好的表现。
    当研究多目标问题时,设计之间总是存在权衡。例如,产生低燃料消耗和低噪声的发动机设计可能具有高排放。这提出了一个问题:什么定义了多目标问题中的最优解?在这些类型的问题中使用的“最优”的最常见定义被称为帕累托最优。换句话说,如果不存在将减少目标之一的其他解集合而不引起任何其他目标的同时增加,则解集合(即目标)是帕累托最优。这个想法在图3中只有两个目标的优化示例[38]
    如图3所示,字母A到H是解集。 解决方案A-D被认为是帕累托最优情况,因为与E-H相比,它们提供了两个目标的同时减少。这种最佳解的“前面”通常被称为帕累托前面。除了理解什么是最优解之外,量化何时优化已经收敛于一组帕累托最优解是必要的。在该工作中监测GA的收敛,如在上述Dempsey和Reitz的优化中所做的那样[16]。基本上当Pareto前端停止朝向图3的原点前进时,优化被称为已经收敛。

    图3.在两目标优化中的帕累托最优“前”的定义[38]
    帕累托最优性不是考虑多目标问题的最佳解决方案的唯一方法。另一种常见的方法是定义对目标重要性进行排名的成本函数,例如,如果其具有较低的NOx排放,煤烟已经非常低,则优化可以选择具有略高的碳烟排放。帕累托最优性用于在本研究中选择最佳策略,如Shi和Reitz [38]所建议的,在某些目标可以完全最小化的情况下,已经注意到了(例如,在失火期间的NOx和振铃强度)。如果失火,其输入参数不允许用于进一步演变。因此,GA不会追踪导致失火的某些输入参数(例如,非常高百分比的预混甲烷或在低负荷时非常高的EGR率)。
    4. 遗传算法优化
    遗传算法优化在卡特彼勒3401E单缸油测试引擎(SCOTE)发动机几何形状上进行。这种重型压缩点火发动机使用柴油燃料的常规共轨直接喷射系统。发动机和喷油器规格总结在表1中。
    图4中所示的三维计算网格是在BDC处由大约9500个小区组成的60度扇形网格。运行时间通常为15小时左右,每个优化代数包含32个公民。收敛通常在完成40代之后发现。
    表1.发动机和喷油器几何形状[22]
    卡特彼勒3401 E SCORE
    位移[L] 2.44
    孔x行程[mm] 137.2×165.1
    连杆长度[mm] 261.6
    压缩比 16.1:1
    涡流比 0.7
    IVC[deg ATDC] -143
    EVO[deg ATDC] 130
    共轨柴油燃料喷射器
    孔数 6
    孔直径[mm] 250
    包括喷雾角度[deg] 145
    表2.固定发动机工况
    操作条件 低负载 中负载 高负载
    总IMEP[bar] 4 9 11 13.5 16 23
    引擎速度[rpm] 800 1300 1370 1460 1550 1800
    进气压力[bar abs.] 1.00 1.45 1.94 2.16 2.37 3.00
    进气温度[℃] 60 60 60 60 60 60
        Dempsey et al [40]提出了使用超低压缩比的汽油/柴油RCCI燃烧的全范围操作策略。选择范围从低负载/低速到高负载/高速的这些负载/速度组合用于优化本发明的天然气/柴油操作,因为它们代表典型的重型发动机操作状态,见图5。


    结论
    使用与KIVA3V代码耦合的遗传算法(GA),优化重型压缩点火发动机的典型的六个操作点用于天然气和柴油RCCI燃烧。这些点涵盖了从低负载/低速到高负载/高速的广泛范围。遗传算法研究改变了六个设计参数:甲烷的量,柴油直接喷射正时和量,以及EGR率。GA开发了跨越发动机的整个负载/速度范围的操作策略。得出以下结论:
    (1)在RCCI燃烧策略中使用天然气作为低反应性燃料清洁、安静和高效的燃料,在整个负载/速度范围研究。在不使用EGR的情况下获得非常低的NO x和烟尘排放,达到13.5bar IMEP负荷。最佳的4bar IMEP情况略低于在较高负载下的操作,这可能是由于GA参数被所选择的直接喷射系统参数范围过度约束。不同的喷射器构造可以允许对RCCI操作的进一步改进(例如,更小的孔直径,更多的孔等)。
    (2)19bar IMEP操作用单次柴油喷射实现。较晚的第二次注射显示能够降低PPRR和最大压力,并将负载增加至约22bar IMEP。单次喷射SOI扫描证明了柴油燃料的适当靶向对于实现在低温下完全燃烧(即,同时低的UHC,CO和NOx排放)是必要的。在早期喷射(即-90°和-80°ATDC)中,柴油燃料渗透到挤压区域中,导致挤压区域和气缸套附近的燃料的完全消耗,但是在靠近轴线的未燃烧的烃对称性和不可接受的高NOx排放。相反,较晚的-60°ATDC喷射导致较低的NOx排放,并且在气缸中心线附近消耗UHC,但是该喷射正时不消耗衬管附近的碳氢化合物。
    (3)在两次注射的高负荷下,实现了更优化的反应性分布,发现燃烧过程和排放结果对注入质量分数敏感。 分析了两种燃料质量相同,直喷柴油量相同,注射时间相同的情况。 通过从第一次注射中取少于2mg的柴油并将其加入到第二次注射中,结果被认为是完全不同的。由于在挤压区域中开始的燃烧,第一注入偏置质量分裂(即65/35)产生更尖锐的AHRR(导致更高的PPRR和振铃强度),而更均匀的分裂(即54/46)到更抽出的燃烧过程(因此,更长的NOx产生时间),燃烧源自碗区域。研究的两种注入质量分裂导致清洁,有效的燃烧。然而,第一注入偏压质量分裂更加嘈杂。通过将质量分裂改变为相等,峰值压力上升速率和振铃强度基本上降低。因此,为了在保持合理的燃烧噪声的同时用来自第一喷射的柴油燃料适当地调节挤气区域,需要精确的喷射器控制,特别是在高负载下。
    (4)9bar IMEP天然气/柴油RCCI操作被认为对增压压力的变化不敏感。当进气压力从1.45增加到1.75bar绝对值时,燃烧定相和持续时间不受影响。两种升压水平都导致低排放和50%的总效率。
    (5)结果还与汽油/柴油RCCI进行比较。当比较天然气/柴油(即约50%)与汽油/柴油(即约52%)时所见的总效率的2%差异归因于甲烷在类发动机条件下的较高的绝热火焰温度。获得的较高汽缸温度导致更大的传热损失,这不利地影响总效率。然而,尽管汽缸温度较高,但观察到低的NOx排放。 虽然“低增压”天然气/柴油机案例能够满足美国EPA 2010排放法规-缸内,但在“高增压”条件下观察到可进一步减少NOx排放。

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