關(guān)鍵噴油參數(shù)對(duì)柴油機(jī)性能影響研究

字進(jìn)遠(yuǎn)

摘要：應(yīng)用AVL的FIRE軟件，以某型高壓共軌柴油機(jī)為仿真對(duì)象，在不同的噴油正時(shí)條件下，對(duì)缸內(nèi)噴霧及燃燒過(guò)程進(jìn)行三維模擬計(jì)算，分析這個(gè)參數(shù)的變化對(duì)柴油機(jī)溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、碳煙和氮氧化物濃度分布等的影響。仿真計(jì)算結(jié)果表明，噴油正時(shí)提前，缸內(nèi)最高壓力、最高燃燒溫度上升，NO排放濃度增加，碳煙排放濃度降低。當(dāng)噴油正時(shí)提前10°CA時(shí)，缸內(nèi)最高壓力增加4.2MPa，最高燃燒溫度上升282.02K，NO排放濃度增加5.43倍，最高碳煙排放濃度降低了1.33倍。

Abstract： Apply AVL FIRE software， choose a type of high pressure common rail diesel engine as the simulation object， under different fuel injection timing conditions， to do three-dimensional simulation of the spray and combustion process in the cylinder， analyze the influence of the change of this parameter on the temperature field， pressure field， soot and nitrogen oxide concentration distribution in diesel engine. The simulation results show the injection time is advanced， the maximum pressure in the cylinder， the highest combustion temperature rise， the NO emission concentration increases， the smoke emission concentration decreases. When the injection timing is advanced 10° CA， the maximum pressure in the cylinder increases by 4.2MPa， the maximum combustion temperature rises by 282.02K， the NO emission concentration increases 5.43 times， the maximum smoke emission concentration decreases by 1.33 times.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；高壓共軌；噴油正時(shí)；仿真計(jì)算；FIRE

Key words： diesel engine；high pressure common rail；fuel injection timing；simulation calculation；FIRE

中圖分類(lèi)號(hào)：TK423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）16-0124-04

0 引言

近年來(lái)，高壓共軌柴油機(jī)在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，不僅有噴油正時(shí)控制及噴油壓力、噴油量靈活可調(diào)等優(yōu)勢(shì)，還能夠?qū)崿F(xiàn)多次噴射，且在滿(mǎn)足各項(xiàng)基礎(chǔ)功能的前提下，還能夠利用較少的成本同時(shí)控制微粒和氮氧化物，實(shí)現(xiàn)排放達(dá)標(biāo)[1]。柴油機(jī)包含元素眾多，各類(lèi)元素多多少少都影響著柴油機(jī)的性能，其中噴油參數(shù)對(duì)柴油機(jī)的油氣混合和燃燒品質(zhì)具有直接的影響，應(yīng)對(duì)此予以重視。為此，很多專(zhuān)家學(xué)者研究了噴油參數(shù)對(duì)柴油機(jī)的影響，發(fā)現(xiàn)噴油參數(shù)中噴油正時(shí)跟柴油機(jī)燃燒進(jìn)程之間存在直接的聯(lián)系，影響著柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、工作柔和程度及排放。在這種情況下，系統(tǒng)研究噴油正時(shí)對(duì)高壓共軌柴油機(jī)燃燒和排放性能的影響規(guī)律很有必要。AVL FIRE軟件的出現(xiàn)為該研究提供了便利，它能夠精確模擬復(fù)雜的多維氣體流動(dòng)現(xiàn)象，有利于研究噴油正時(shí)對(duì)柴油機(jī)各項(xiàng)參數(shù)的影響規(guī)律，包括溫度場(chǎng)、燃燒壓力場(chǎng)、碳煙和NOx排放濃度場(chǎng)等。

1 計(jì)算模型的建立及驗(yàn)證

1.1 模擬計(jì)算條件

本文主要研究了水冷、四沖程、直列四缸、直噴式增壓柴油機(jī)，其參數(shù)如表1所示。

1.2 幾何模型

利用UG軟件將燃燒室的幾何實(shí)體模型建立起來(lái)，并將其導(dǎo)入到AVL-FIRE軟件內(nèi)。由于應(yīng)用軟件自帶Fame Meshing功能，能夠自動(dòng)劃分燃燒室網(wǎng)格，從而形成體網(wǎng)格。之后利用Fame Engine生成動(dòng)網(wǎng)格，并采用網(wǎng)格工具將其更加合理性，處理后的活塞表面結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖1所示。

1.3 計(jì)算模型的選取

實(shí)際上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)進(jìn)行多維數(shù)值模擬的過(guò)程就是對(duì)可壓縮粘性流體的Navies-Stokes方程進(jìn)行數(shù)值求解的過(guò)程[7]。該過(guò)程遵循多個(gè)方程，包括理想氣體狀態(tài)方程、質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程[8]。選取Kinetic Model模型作為Soot排放模型；選取Extended Zeldovich模型作為NOX排放模型；選取ECFM 3Z-Coherent Flame Model模型作為燃燒模型；選取WAVE模型作為油滴破碎模型；選取Dukowicz模型作為蒸發(fā)模型；選取Schmidt模型作為粒子相互作用模型；選取k-zeta-f模型作為湍流模型。

1.4 初始條件及邊界

1.4.1 初始條件

為使求解過(guò)程收斂，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，應(yīng)對(duì)初始條件進(jìn)行合理的設(shè)定。在FIRE軟件中，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃燒過(guò)程計(jì)算是以曲軸轉(zhuǎn)角為步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算的，為研究缸內(nèi)燃燒和排放情況，選擇計(jì)算起始角為584°CA（進(jìn)氣門(mén)關(guān)），關(guān)閉角為860°CA（排氣門(mén)開(kāi)）。根據(jù)湍動(dòng)能（TKE）和湍流長(zhǎng)度尺度（TLS）計(jì)算公式[9]，可確定進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)，燃燒室內(nèi)TKE=22.2338m^2/s^2，TLS=4.827mm。

1.4.2 邊界條件

邊界條件分為溫度邊界條件和速度邊界條件。溫度邊界條件采用恒溫邊界，缸蓋底面溫度為544K，活塞頂面溫度為558K，氣缸壁面溫度為482K。速度邊界條件設(shè)定[10]：氣缸壁面為靜止壁面，活塞頂面速度為活塞的運(yùn)動(dòng)速度。

1.5 模型驗(yàn)證

本文對(duì)比分析了轉(zhuǎn)矩為200N·m，轉(zhuǎn)速為2200r/min工況下的模擬數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖2所示，以此來(lái)驗(yàn)證仿真模型是否可行。分析圖2可知，測(cè)量壓力曲線(xiàn)和模擬壓力曲線(xiàn)幾乎一致，雖然兩者之間存在一定程度上的誤差，但是誤差都小于5%，屬于合理的范圍，能夠滿(mǎn)足模擬計(jì)算的要求。由此可得出如下結(jié)論：該型柴油機(jī)的實(shí)際燃燒過(guò)程能夠由此計(jì)算模型反映出來(lái)，通過(guò)對(duì)該模型進(jìn)行計(jì)算能夠獲取柴油機(jī)實(shí)際燃燒過(guò)程的一些參數(shù)，有利于對(duì)其燃燒過(guò)程和排放影響的研究。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

在建立模型和設(shè)定邊界條件的基礎(chǔ)上，把噴油正時(shí)分別設(shè)定為：11°BTDC、9°BTDC、7°BTDC、5°BTDC、3°BTDC、1°BTDC（活塞上止點(diǎn)為720°CA），然后對(duì)模型逐一計(jì)算。

2.1 噴油正時(shí)對(duì)缸內(nèi)平均壓力及壓力場(chǎng)的影響

由圖3可知，噴油正時(shí)提前氣缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力Pmax就會(huì)越大，噴油正時(shí)提前11°CA，最高壓力增加了4.2MPa。這是因?yàn)閲娪吞崆敖窃黾?，滯燃期?huì)變長(zhǎng)，在滯燃期進(jìn)入燃燒室的燃料就會(huì)增多，在著火前形成的可燃混合氣就增多。噴油正時(shí)為11°BTDC，9°BTDC，7°BTDC時(shí)，壓力曲線(xiàn)最高點(diǎn)附近無(wú)明顯的第二個(gè)波峰，而噴油正時(shí)為5°BTDC，3°BTDC，1°BTDC時(shí)，出現(xiàn)了較為明顯的壓力波動(dòng)變化，這說(shuō)明隨著噴油的滯后，燃油蒸發(fā)過(guò)程會(huì)明顯降低缸內(nèi)溫度，影響缸內(nèi)壓力變化。

壓力場(chǎng)受不同噴油正時(shí)下部分轉(zhuǎn)角的影響，為了解其影響規(guī)律，對(duì)其進(jìn)行了必要分析，發(fā)現(xiàn)在噴油后5°CA～30°CA范圍內(nèi)壓力場(chǎng)的變化最為明顯。壓力場(chǎng)隨著噴油正時(shí)下部分轉(zhuǎn)角的不同而表現(xiàn)出明顯的不同，當(dāng)噴油正時(shí)是7°BTDC，11°BTDC時(shí)，其壓力場(chǎng)較高，而當(dāng)噴油正時(shí)是3°BTDC ，5°BTDC時(shí)，其壓力場(chǎng)較低，且兩種情況之間存在明顯的區(qū)別，然而當(dāng)噴油后5°CA～10°CA范圍內(nèi)，后兩者的壓力場(chǎng)反而比前兩者的壓力場(chǎng)稍高，壓力上升趨勢(shì)明顯。另外，若噴油正時(shí)提前會(huì)對(duì)壓力場(chǎng)造成直接的影響，且影響較大。

由此可知，在忽略滯燃期因素的前提下，通過(guò)適當(dāng)?shù)靥崆皣娪驼龝r(shí)能夠一定程度上改善燃燒過(guò)程。但需要注意的是噴油提前角既不能過(guò)大，也不能過(guò)小，因?yàn)檫^(guò)大或者過(guò)小都不利于燃燒過(guò)程，具體來(lái)說(shuō)：若噴油提前角過(guò)小，那么無(wú)法確保燃料的充分燃燒，還會(huì)增大缸內(nèi)壓力波動(dòng)，提高各部件之間受到的沖擊性動(dòng)力載荷，客觀上增加了燃燒噪聲；若噴油提前角過(guò)大，那么在滯燃期內(nèi)燃油有了充分的時(shí)間和空間準(zhǔn)備，一旦開(kāi)始燃燒局部壓力會(huì)在短時(shí)間內(nèi)快速升高，如此其沖擊破勢(shì)必很大，燃燒噪聲也由此增大[11]。

2.2 噴油正時(shí)對(duì)缸內(nèi)平均溫度及溫度場(chǎng)的影響

分析圖4發(fā)現(xiàn)，氣缸內(nèi)最高燃燒溫度Tmax會(huì)隨著噴油正時(shí)提前而逐漸變大，究其原因發(fā)現(xiàn)若噴油提高，那么在著火前氣缸內(nèi)形成的可燃混合氣就會(huì)增多，此時(shí)一旦開(kāi)始燃燒，由于燃料已經(jīng)和空氣進(jìn)行了充分接觸，且存儲(chǔ)量更大，客觀上整個(gè)燃燒過(guò)程累計(jì)放熱量一定會(huì)得到提高。由此可知，利用推遲噴油正時(shí)，能夠達(dá)到減低燃燒溫度的目的，而減低燃燒溫度能夠有效改善柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放。

分析表3可知，溫度場(chǎng)分布受到不同噴油正時(shí)條件下部分曲軸轉(zhuǎn)角的影響，且影響程度較大，比較分析噴油正時(shí)為11°BTDC，3°BTDC時(shí)其溫度場(chǎng)分布發(fā)現(xiàn)，噴油提前會(huì)提高氣缸最高燃燒溫度，溫度場(chǎng)變化從噴油后10°CA～30°CA范圍內(nèi)最為明顯，溫度場(chǎng)隨著噴油正時(shí)下部分曲軸轉(zhuǎn)角的不同而表現(xiàn)出明顯的不同，當(dāng)噴油正時(shí)是7°BTDC，11°BTDC時(shí)，其溫度差出現(xiàn)波動(dòng)較大，而當(dāng)噴油正時(shí)是3°BTDC，5°BTDC時(shí)，其溫度差出現(xiàn)波動(dòng)較小，且兩種情況之間存在明顯的區(qū)別。發(fā)動(dòng)機(jī)的排放特性和燃燒溫度的高低之間有著直接的關(guān)系，燃燒溫度越低，NOx排放越少，因此，為了減少NOx排放，在滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)功能的前提下，應(yīng)盡量降低燃燒溫度。

2.3 噴油正時(shí)對(duì)NO排放的影響及NO濃度場(chǎng)分布

隨著滯燃期的延長(zhǎng)，若噴油正時(shí)提前，那么氣缸內(nèi)可燃混合氣就會(huì)大大增加，此時(shí)一旦開(kāi)始燃燒，燃燒過(guò)程將其噴油正時(shí)更加充分，導(dǎo)致缸內(nèi)最高溫度增加，再加上燃料的增加，延長(zhǎng)了燃燒時(shí)間，使得NO排放增加。由此可知，NO排放量會(huì)受到噴油正時(shí)提前的影響，此影響表現(xiàn)為噴油正時(shí)提前，最高燃燒溫度較高，NO排放量較大，而噴油正時(shí)推遲，最高燃燒溫度較低，同時(shí)也大大降低了NO排放，因此推遲噴油可有效地降低NO排放。

分析表4不難發(fā)現(xiàn)，NO濃度場(chǎng)分布受到不同噴油正時(shí)條件的影響，此影響表現(xiàn)為噴油提前會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)NO濃度提高。另外，NO在燃燒室內(nèi)的分布并不均勻，多集中在某個(gè)局部。NO濃度場(chǎng)分布隨著不同噴油正時(shí)條件的變化而表現(xiàn)出明顯的不同，當(dāng)噴油正時(shí)是7°BTDC，11°BTDC時(shí)，其N(xiāo)O分布區(qū)域較大且均勻，而當(dāng)噴油正時(shí)是3°BTDC ，5°BTDC時(shí)，其N(xiāo)O分布范圍較窄，基本比較集中，且兩種情況之間存在明顯的區(qū)別。但觀察發(fā)現(xiàn)在兩種不同的情況下，NO的分布位置存在明顯變化，當(dāng)噴油正時(shí)為前兩者時(shí)，其分布位置是燃燒室內(nèi)接近氣缸壁的地方，而到噴油正時(shí)為后兩者時(shí)，其分布位置是燃燒室內(nèi)凹坑上方，這意味著NO會(huì)隨著噴油的滯后而滯后。由此可知，NO的排放濃度增加跟燃燒室內(nèi)溫度或火焰溫度之間有著直接的關(guān)系，要想降低NO排放濃度，必須采取降低燃燒室內(nèi)溫度或火焰溫度措施，而要想達(dá)到降低燃燒室內(nèi)溫度或火焰溫度目的，推遲噴油是最直接有效的措施。因此，推遲噴油是降低柴油機(jī)NO排放最有效的方法，且簡(jiǎn)單易操作。

2.4 噴油正時(shí)對(duì)碳煙排放的影響

因?yàn)椴裼蜋C(jī)混合氣成分不均勻，所以難免會(huì)生成碳煙。由表5可知，噴油正時(shí)為11°BTDC，7°BTDC時(shí)，碳煙濃度要比噴油正時(shí)為5°BTDC，3°BTDC的要低一些。

3 結(jié)論

①?lài)娪驼龝r(shí)提前氣缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力Pmax升高，噴油正時(shí)提前11°CA，最高壓力增加了4.2MPa。

②噴油正時(shí)提前氣缸內(nèi)最高燃燒溫度Tmax增加，將噴油正時(shí)提前11°CA，缸內(nèi)最高溫度增加282.02K。較小的噴油提前角，會(huì)使缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布不均勻，但可降低燃燒溫度利于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的改善。

③噴油正時(shí)提前，造成最高NO濃度隨著噴油提前10°CA而增加了5.43倍，同時(shí)使得燃燒室內(nèi)NO分布極不平衡。噴油正時(shí)提前會(huì)使碳煙濃度降低，將噴油提前11°CA，碳煙最高濃度降低了1.33倍。

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