带有废气再循环的纯氧发动机热效率模拟优化研究.doc

中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：114017 带有废气再循环的纯氧发动机 热效率模拟优化研究 于潇，付乐中，吴志军* （同济大学汽车学院，上海，201804） （Tel: 021Email: 2010_yuxiao@tongji.edu.cn）ICRC）采用纯氧作为氧化剂促进汽油燃烧，并利用循环介质回收缸内废热、控制燃烧速度。通过冷凝器分离废气中的二氧化碳和水，随后对二氧化碳进行回收，从而实现超低排放。本文以再循环废气作为循环介质模拟研究了纯氧发动机在不同氧燃比下的循环热效率。结果表明，再循环废气的引入会延长混合气的滞燃期，在对点火角进行优化后循环热效率可达到甚至超过无废气再循环的工况。在不同氧燃比下均存在使其循环热效率达到最高的最优EGR率，且此EGR率随着氧燃比的增大逐渐减小。循环热效率在氧燃比为26.46，EGR率为5%时达到最高（42%）。 关键词: 内燃机；兰金循环；纯氧燃烧技术；EGR随着内燃机的大量使用，全球的燃油总消耗量迅速增加，燃油价格也随能源的短缺而日益昂贵，汽车对环境的污染也日益凸显。为此，各国制定的排放法规和燃油消耗法规也越来越严格。时至今日，节能和环保已经成为内燃机行业界最迫切要解决的两大主题，而降低发动机的排放、提高其燃油经济性自然成为现阶段对于发动机的主要要求。内燃兰金循环（Internal Combustion Rankine）这一概念是这一时代背景下的产物。它通过纯氧作为控制了NOx的产生同时通过对水的循环利用来控制燃烧，进而实现高效率的燃烧过程以实现更好的燃油经济性[]。这一概念是在CES（Clean Energy System）的基础上提出的。CES系统已被成熟应用于大型发电设施上，该项技术的运用可以在很大程度上解决火力发电领域的温室气体排放问题。Bilger教授首次提出把这一系统移植到内燃机上，建立一个（ICRC）。 图1为拟采用的ICRC发动机系统简图燃料通过12缸内，氧气通过13进入发动机，并充分均匀混合。经1进入泵（FP），并在发动机压缩冲程中喷入气缸以控制。混合气在上止点附近被点燃，火焰传播因为燃油和纯氧组成的混合气的燃烧速度极快，如果不加以控制，出现过高的压力，高温的废气（CO2水蒸气）从排气门排出，在加热器FH中加热离开加热器（FH）时温度接近于露点。随后这些混合气通过过程加热器（P）后接近大气状态，并在冷凝分离器（S）中将水和CO2分离分离出的CO2将通过加压泵作为循环工质视工况需求被喷入缸内控制燃烧过程，另一部分经11被导入热交换器（HE）液氧气化的同时冷凝成为干冰被贮存在回收容器里冷凝过程产生的水作为燃烧产物排出，从而实现了。由于ICRC内燃机尚处在理论研究阶段，本论文采用四气门汽油机的网格作为计算网格10.2 缸径/冲程 92/85 mm 排量 0.581 L 供油方式 Port injection 发动机转速 4000 r/min 空燃比 14.7 为保证计算结果的可靠性，本论文首先利用此网格对于进气道喷射（均质混合气）四阀汽油机的燃烧过程进行模拟计算，并与的实验数据进行比较此计算网格虽然缸径、冲程与实验用发动机存在一定差距，但单缸排量仅比试验用发动机小0.016L，相差3%故其计算结果具有一定的可比性。将计算所得的缸内压力曲线与实验所得缸压曲线进行对比，结果如图。 由图可见，实验缸内最高压力值为6.15MPa，略高于模拟计算缸内最高压力值（5.66MPa），而且在压缩以及做功冲程中，实验值所测的缸内压力变化率均略高于计算结果。因为实验用发动机尺寸为86×100mm（缸径×冲程），而计算网格气缸尺寸为92×85mm，较长的气缸冲程导致在同等转速下用发动机的活塞移动速度高于计算网格的活塞移动速度。较高的活塞移动速度可以使得其缸内混合气质量大于计算用网格的缸内混合气质量，故缸内最高压力更高。同时，较快的活塞移动速度也会使得缸内压力变化更为迅速。 综上，计算的缸内压力曲线与实验测得缸内压力曲线吻合良好，验证了此网格下KIVA-3V对于此汽油机模拟燃烧计算的正确性。图-图为不同EGR率对同一氧燃比混合气燃烧过程的影响。由图可知，EGR对于缸内燃烧速率有较为显著的控制作用。EGR率偏低时虽增加了混合气的滞燃期，但燃烧过程开始后压力升高率依然会偏大，不利于发动机的工作稳定性；过高的EGR率会使得燃烧速率过慢，缸内最高压力出现在活塞下行至400°CA时，已不能有效的做功，将极大地影