第一章 绪论
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发动机排放
- 对环境和健康的影响
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发动机排放
内燃机广泛应用于在工业、发电和运输领域。单是运输行业的石油消耗就相当于美国石油的净进口额的总量(图1)。在加拿大，运输业的化石燃料消耗就占总化石燃料的30% [1 - 3]。内燃机在工业和运输业领域排放的CO2正处于自1970年以来最快增长(图1)4。
图1-美国石油生产和消耗统计[1] (左)和全球/美国化石燃料CO2排放[4] (右)
柴油燃烧的副产物影响空气质量，加速全球变暖。研究发现排放的碳质微粒，碳烟具有如咳嗽、肺功能退化和恶心[6]的病理效应和致癌性以及诱变性影响[7,8]。由于这种机械学的证据，柴油废气在2012年9月被归类为A组物质(对人致癌) [9]。另外，根据大气研究，NOx，作为另一种主要的柴油排放物，具有对环境和健康的破坏性影响，包括生成臭氧的光化学烟雾、酸雨和对呼吸系统的刺激[10]。
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- 排放规则和测试周期
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重型发动机排放标准根据车辆的大小和重量、负载和功率以及它们的应用情况进行分类。在此项研究中，对用于道路交通的重型发动机的排放物进行了研究，并在此对相关标准作简要的说明。在欧洲，最大载重量超过3500公斤的车辆被归类为重型车辆，并服从表1所列的排放限制。值得注意的是，在最近的大多数条例中，PM和氮氧化物已经大大降低，而粒子数也被加入到欧元IV标准中[11]。
表1-欧洲排放标准
为了证明欧洲的标准，发动机运行在欧洲稳态循环或欧洲瞬态循环(等等)。在ESC测试中，发动机的排放和燃料消耗在13种工况下进行测量，包括发动机转速和负载的空转和阶乘。最终的结果是，制动比排放和燃油消耗在所有的循环测试中处于均值。图2显示了ESC测试情况在平均因素操作条件下的的示意图 [12]。在本文中模拟的引擎测试与一些ESC模式相似，模式4或B-75由于其相对较高的权重因子和较高的PM排放在这里显得尤为重要。
图2-在欧洲稳态循环测试中的运行模式[12]
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天然气的压缩点火
- 天然气作为燃料
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天然气的压缩点火
天然气比传统的柴油便宜，而且由于碳碳键减少和火焰温度降低，使得它单位输出功产生的碳烟和氮氧化物更少。这些特点使天然气成为运输行业中一种颇具吸引力的燃料来源，尤其是在考虑到最近出台的全球排放监管规定。尽管其较低的能源密度使船上的天然气储存困难，但许多运输货物的重型卡车和中重型客车已经装备了液化天然气和压缩天然气的储存罐。
尽管处于更清洁的工况，但天然气火花点火发动机的制动功率输出却受到了影响。由于更换了新气和燃料，天然气的输送会使吸入的体积效率下降。因此，正在发展一种由诸如火花塞、热表面发热塞或引燃燃油作为点火源助燃的天然气直喷技术[14]。
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- 天然气直喷-HPDI技术
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压缩点火发动机固有的效率更高，主要是因为更高的压缩比率和更少的节流操作。事实上，选择柴油机作为重型卡车的发动机，是由于它的效率高、性能好、耐用性好、可靠性高。
此外，基于燃油喷射系统的最新发展，柴油机同时也广泛应用于轻型车辆中。尽管燃油经济性较好，但是由于柴油机燃烧过程的非预混性，所以容易产生高水平的PM和氮氧化物排放[14,15]。这使得在压缩点火发动机中引入天然气的课题具有吸引力，许多技术都是围绕着混合燃料的想法而发展起来的[16,17]。
为了达到压缩点火的全部效益，应该将天然气直接注入到接近上死点的缸体中。然而，由于其极低的十六烷值(也就是它的着火延迟)，需要一个单独的点火源。在注入天然气之前注入的一种高十六烷值的助燃燃料是可靠的点火源。西港柴油机双燃料喷射器创新性的发展了这种想法。气体和柴油都是用相同的喷射器注入的，因此只需要对发动机头部进行最小的修改或者无需修改。这些HPDI喷射器由两根同心喷针组成，分别是一根大的天然气喷针和其中包含着的较细的柴油喷针[18]。柴油是从喷油器顶端的小孔中注入的，然后在处于喷油器体中较高位置的另一喷嘴注入气体。图3显示了西港 HPDI喷射器的原理图。
图3-西港HPDI-2喷射器[18]
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- 排放的形成和限制
压缩点火引擎的主要管制排放物包括氮氧化物、一氧化碳、甲烷和非甲烷碳氢化物以及PM。下面简要回顾了他们的形成和控制。如今，几乎所有的重型发动机都使用了后处理系统，它们的成本和性能代偿[19,20]刺激了发动机污染物排放的尽可能减少。
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- 直喷压燃式发动机的污染物形成
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不同的排放物是在不同的火焰区域形成的。氧化氮形成的主要途径包括高活化能反应;因此，它的峰值浓度是在化学计量、高温包层里观察到的[21]。一氧化碳是主要是在缺氧区域形成的;当更多的空气被注入时，大部分的一氧化碳被氧化;却有小部分的一氧化碳没有在这个氧化过程中被氧化[22]。未燃烧的碳氢化合物(UHC)的排放是因为间歇的湍流、剪切火焰的熄灭、壁淬火和膨胀冲程的体积淬火[21]。
排放的颗粒物主要是由一种带有半挥发性有机物质的碎状碳颗粒组成。金属粒子、灰尘和硫酸盐可以在内部或外部与粒子的排放混合。通常，碳烟主要形成在火焰的丰富区域，那里有大量的碳分子，而且温度足够高，有利于表面反应，从而导致碳烟的大量增长。在喷射出的气体中，有很大一部分(90%以上)被氧化[23]。
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- 废气再循环(EGR)
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EGR系统将10-20%废气排放到进气歧管。循环使用的气体降低了峰值的燃烧温度，从而大大减少了氮氧化物的排放，但是由于减少了氧气的浓度而增加了碳烟的排放。柴油发动机的这种行为被称为“pm-氮氧化物”权衡。由于这种权衡，在使用EGR的引擎中使用PM减少策略尤为重要。不同的pm-氮氧化物的权衡也可以通过诸如注入时间或增压等参数来进行。
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- 喷射压力
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在过去的二十年里，迪赛尔柴油机的平均喷射压力从10-20MPa增加到超过200MPa。摘要介绍了柴油机高压喷射系统中使得雾化高效、高燃油蒸发率和高渗透率的方法[24]。此前对HPDI发动机的研究也显示，由于更高的喷射压力，在PM排放方面有所改善，但由于更多的预混合和略微的提前燃烧，NO2的排放量略有增加。
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- 组合孔喷嘴
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双喷孔而非多单孔喷孔已应用于柴油喷射。研究了双孔喷嘴包括角、间距等因素对喷油嘴的影响。双喷嘴引起的射流穿透减少具有一致性；据报道，更大的收缩包括角度和喷嘴间距引起更多的射流穿透减少。然而，由于更好的雾化，与单孔喷嘴相比，双孔喷嘴具有更好的燃油蒸发和预混合[25,26]。
发动机光学研究显示，在使用分组喷嘴时，火焰光度较低，结论是改进后的燃油雾化和空气进气改善了燃料的预混合并且减少了碳烟的排放[27]。其他的数值研究发现，如果喷射没有中断的话，这些喷嘴会增加更多的空气；但是，在喷射结束时，与单孔的基线喷嘴相比[28]，空气进入的速率大大降低了。总的来说，喷射穿透和雾化被发现有一种权衡机制;由于这两种物质是混合制备的重要机制，因此强调了污染物形成对孔型结敏感的依赖性[27,28]。
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- 多级喷射
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由于多种原因，柴油发动机采用多种喷射策略;助燃燃料的喷射减少了燃烧的噪音，并帮助整体的氮氧化物减少[29]。利用后喷提高柴油催化剂再生和过滤器的排气温度，氧化缸内的未燃碳氢化物和C0，并且减少颗粒的排放。一些研究提出，由于高速湍流注入和燃烧第二脉冲，有利于更好的混合和更高的温度，这是一种有效的碳烟减少机制。然而，将混合温度和温度对喷射后的效果进行分离是一项艰巨的研究任务，在相关文献中还没有给出明确的答案[30]。另一种方法是，每一脉中喷射持续时间和燃料数量的影响作为在分段喷射中限制煤烟数量的主要因素。通过在喷射一开始中断喷射来减少产生的碳烟，被认为是这项技术的主要机制[31]。
文献中并没有提供明确的引导说明后喷是否会对HPDI发动机有益。最近在UBC的测量结果显示，使用后喷后的主要颗粒物减少，而不会对其他排放产生负面影响，只有1-2%的额外燃料消耗作为代偿[32]。然而，对基础的烟尘排放机制还没有作出解释。
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- 低温燃烧
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已经有避免在富裕区域燃烧未预先混合好的柴油的概念。在同质的电荷压缩点火(HCCI)中，一种混合度较低的混合物是由早期的燃料喷射产生的，与SI或CI引擎不同，它在上止点附近以体积的方式快速燃烧。煤烟和氮氧化物排放大大减少，但一氧化碳和碳氢化物排放的排放量却很高[33]。;冷启动和瞬态操作是十分困难的[34]。通过允许后期燃油喷射的一定程度的不均匀性，实现了部分预混燃烧(PPCI)，从而改善了HCCI操作的一些缺陷[35,36]。
HPDI通过使用柴油助燃提供独立控制主要燃料的点火;这一特性被用来克服在类PPCI环境中的HPDI燃烧控制障碍。通过在进气冲程中注入气态燃料，使其充分预混，并在低中负荷的情况下，通过少量的柴油喷射点火，使其在一定程度上混合了天然气燃烧。为了将它的适用性扩展到全负荷，在上止点附近注入另一种纯度的天然气，以提供额外的负载[37]。
这一策略的改进版本是通过略微提前喷入相对于助燃的主燃料气体来避免高预爆的爆发问题。mctaggart-cowan等人发现实施这种消极的PSEP策略会导致更快速，更激烈的燃烧，而大幅减少颗粒物的排放，代价是增加了氮氧化物和碳氢化合物的排放。传统的PM-氮氧化物权衡可以在这种稍微预混合的燃烧(SPC)模式下被打破:通过增加EGR水平，氮氧化物排放降低到基线水平以下，而PM排放不受影响[38]。
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- 应用CFD研究IC发动机
由于计算机计算能力的增强和更好软件的出现，计算工具在工程中的应用越来越多[39,40]。特别是，CFD对IC发动机的分析在研究和开发中越来越有用。通用公司报告，通过调整喷射参数和更好的了解混合气室的相互作用，使用内部CFD来优化直接喷射的3.6 L DOHC发动机。威斯康辛大学麦迪逊分校的发动机研究中心(ERC)报告称，使用一种一维气体动力学代码来模拟使用kiva-3v进行3D全循环模拟的电荷感应过程，从而优化气门升程配置[42]。
在更基本的层面上，CFD被用来理解IC发动机的气流运动和不同的注入和燃烧策略。适当的数据减少是这一过程的重要组成部分;特别是在分析新的燃烧机制,简化数据利于对混合物和等效噪温比(Phi;-T)分布图有更好的理解[25,43,44]。近年来，由于计算机功率的提高，以及LES子模型的发展，湍流大涡模拟(LES)的研究取得了很大的进展。在研究固有的瞬态发动机现象时，LES特别有帮助的现象在总体上和平均模型中都不可靠。气缸流的无序性被解析为网格大小;因此，可以更深入地研究循环可变性的问题。对多个连续运动周期的数值研究表明，在周期中有相当多的气流运动波动，速度平均需要25个连续的周期。[46]
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- 动机、目标和范围
1.5.5 动机
为了减少重型康明斯ISX 6缸HPDI发动机的缸内排放，在单缸发动机(SCRE)上进行了几次喷射策略试验[47-49]。整个测试模型集中在以下喷嘴设计和注入策略上:
- 双孔喷油嘴设计:Faghani和Rogak开发的双孔气体喷射[50]，在其中一个喷嘴的表面积被分成两种紧密的喷嘴。主要的概念是基于气体射流理论形成的;在气体喷嘴直径减小的情况下，喷射进入速率降低的代价是穿透缓慢。为了防止这种情况的发生，这两对的距离是很近的，每一组的表面积都增加了，这是为了保持相同的穿透深度。事实上，在所有的双孔喷嘴模式中，所有的微粒排放都要高一些。
- 后期注入(LPI):一股小的天然气脉冲(总循环能量的15%)在循环的后期注入，以达到循环负荷和减少PM的排放。在随后的测试中得到了期望的结果;当其他排放减少或保持接近基准值时，PM的排放减少了75%。
- 略微预混燃烧(SPC):这一策略之前在单缸和多缸发动机上进行了测试，得到了期望的结果。然而，氮氧化物和碳氢化物的排放呈高比率;因此，在Ehsan Faghani最近的测试中，这些问题得到了解决。研究发现，与传统的操作模式相比，PM排放对EGR和EQR的敏感度要低得多。
如果不知道可以从CFD模型中获得的(至少近似)关于缸内流动和集中的信息，便无法理解上面描述的现象。
1.5.2 目标和范围
该工作的目的是对所提到的喷射策略和喷嘴设计进行数值模拟，并开发必要的后处理技术来回答下列问题:
- 双孔喷嘴会产生更多的PM是不期望的混合气喷射动力学因素和气缸外壳的不可预见的相互作用导致了这种状况。
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