高功率密度柴油機(jī)的噴油時(shí)刻對(duì)燃燒排放的研究

李樹宇，續(xù)彥芳，劉若凡

（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原030051）

高功率密度柴油機(jī)的噴油時(shí)刻對(duì)燃燒排放的研究

李樹宇，續(xù)彥芳，劉若凡

（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原030051）

運(yùn)用AVL FIRE軟件，建立某臺(tái)單缸高功率密度柴油機(jī)模型，研究噴油時(shí)刻對(duì)該柴油機(jī)燃燒排放的影響規(guī)律，并用柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證模型的合理性。著重仿真分析了不同噴油時(shí)刻對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)壓力、溫度、放熱率、功率、燃油消耗率以及排放的影響。分析結(jié)果表明：噴油時(shí)刻每提前3°曲軸轉(zhuǎn)角，缸內(nèi)壓力和溫度分別升高6.55%和2.8%；放熱速率快，放熱相對(duì)集中；NOx排放增加，碳煙排放降低；功率下降，燃油消耗率升高；當(dāng)噴油時(shí)刻為上止點(diǎn)前16°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，NOx和碳煙排放都能滿足排放法規(guī)要求，且動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性能較好。

高功率密度 柴油機(jī) 噴油時(shí)刻 燃燒 排放

1 前言

隨著全球能源短缺和環(huán)境危害日益加劇，對(duì)柴油機(jī)燃燒、排放等性能提出更高的要求。高功率密度柴油機(jī)（HPD）由于結(jié)構(gòu)小、升功率高、轉(zhuǎn)速大等優(yōu)點(diǎn)，在坦克裝甲車輛以及重載車輛上得到廣泛應(yīng)用[1]。與同類的普通柴油機(jī)相比，HPD柴油機(jī)有更高的升功率，高達(dá)80～90 kW/L[2-3]，而且在降低排放方面也有優(yōu)勢(shì)。噴油時(shí)刻對(duì)HPD柴油機(jī)燃燒過(guò)程影響很大，主要影響HPD柴油機(jī)的滯燃期。通過(guò)調(diào)整滯燃期來(lái)控制燃燒過(guò)程，以滿足HPD柴油機(jī)綜合性能要求。

2 仿真研究

改變噴油時(shí)刻，是控制HPD柴油機(jī)燃燒過(guò)程最為可行的方案。應(yīng)用FIRE軟件，分析從進(jìn)氣門關(guān)閉（216°曲軸轉(zhuǎn)角（℃A））到排氣門打開（485℃A）的柴油機(jī)工作過(guò)程，研究了不同噴油時(shí)刻對(duì)HPD柴油機(jī)燃燒特性的影響規(guī)律，從而得到最佳噴油時(shí)刻，進(jìn)而提高HPD柴油機(jī)動(dòng)力性能和排放性能，降低噪聲和減少排放[4]，為優(yōu)化HPD柴油機(jī)噴油策略以及改進(jìn)柴油機(jī)設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)。

本項(xiàng)目研究的柴油機(jī)是某單缸HPD柴油機(jī)，噴油時(shí)刻為上止點(diǎn)前16℃A。通過(guò)改變噴油時(shí)刻來(lái)研究不同噴油時(shí)刻對(duì)該HPD柴油機(jī)性能的影響規(guī)律。研究的噴油時(shí)刻為，在上止點(diǎn)前16℃A基礎(chǔ)上分別增加3℃A或減少3℃A，即為上止點(diǎn)前13℃A、上止點(diǎn)前16℃A和上止點(diǎn)前19℃A。

2.1 建立模型

用solidworks軟件，建立了HPD柴油機(jī)3維實(shí)體模型，以STL文件格式保存?？紤]到模型的復(fù)雜程度以及其對(duì)計(jì)算時(shí)間的影響，且該柴油機(jī)的噴油器有8孔，呈圓周分布，故分析1孔作為計(jì)算域。將其導(dǎo)入到AVLFIRE中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置，得到下止點(diǎn)網(wǎng)格模型，如圖1所示；節(jié)點(diǎn)總數(shù)為625 980，單元總數(shù)為48 400。

圖1 下止點(diǎn)時(shí)的網(wǎng)格模型

2.2 數(shù)學(xué)模型

噴霧和燃燒模型、以及初始條件設(shè)置等對(duì)求解的收斂有很大影響，因此在仿真研究中，采用k-zeta-f模型作為湍流流動(dòng)模型，該模型精度高，穩(wěn)定性好；壓力-速度耦合計(jì)算采用SIMPLE方法，噴霧破碎模型采用WAVE模型，蒸發(fā)模型采用Dukowicn模型，撞壁模型采用Walljet1模型[5]，燃燒模型采用ECFM3Z模型及自帶的著火模型。仿真研究中，溫度邊界條件采用恒溫邊界，其中缸套溫度設(shè)置為450 K，活塞頂部溫度為570 K，氣缸蓋底部為470 K；速度邊界條件中，氣缸蓋和缸套壁面的速度設(shè)置為零，并假設(shè)活塞頂?shù)乃俣鹊扔诨钊\(yùn)動(dòng)速度[6]。

3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建模型的有效性，以柴油機(jī)主要參數(shù)為對(duì)象進(jìn)行仿真研究，并對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)量相應(yīng)參數(shù)，將仿真值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較。仿真和臺(tái)架試驗(yàn)條件如下：轉(zhuǎn)速為3 200 r/min，默認(rèn)壓縮上止點(diǎn)為360℃A，噴油持續(xù)期為24℃A。

3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為單缸4沖程增壓直噴柴油機(jī)，柴油機(jī)參數(shù)見表1。

表1 柴油機(jī)參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備見圖2。其中燃燒分析儀和廢氣分析儀是由AVL公司制造，缸內(nèi)壓力和溫度傳感器是由kistler公司制造。試驗(yàn)中，對(duì)柴油機(jī)功率、爆發(fā)壓力、燃油消耗率、平均指示壓力等進(jìn)行了測(cè)量。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備

3.2 仿真值與試驗(yàn)值比較

仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果見表2，最大誤差在6%之內(nèi)。缸內(nèi)平均壓力的仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比見圖3，仿真值總體上略大于試驗(yàn)值。一部分原因是仿真未考慮環(huán)境及測(cè)量因素；一部分原因是仿真的噴油規(guī)律、初始條件與試驗(yàn)條件略有差異。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的差異在允許的誤差范圍之內(nèi)，滿足工程精度要求。此模型可以有效模擬噴油時(shí)刻對(duì)燃燒排放的影響。

表2 主要參數(shù)的試驗(yàn)值和仿真值

圖3 缸內(nèi)壓力仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比

4 噴油時(shí)刻對(duì)燃燒特性的分析

4.1 噴油時(shí)刻對(duì)滯燃期的影響

滯燃期的長(zhǎng)短對(duì)HPD柴油機(jī)的性能有重大影響，而噴油時(shí)刻影響滯燃期。通過(guò)模擬計(jì)算，得到滯燃期隨噴油時(shí)刻變化規(guī)律，見圖4。隨著噴油時(shí)刻的提前，滯燃期呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢(shì)。在短滯燃期，集中噴入缸內(nèi)的燃料減少，HPD柴油機(jī)工作穩(wěn)定；在長(zhǎng)滯燃期，缸內(nèi)油氣預(yù)混合加劇，在急燃期，放熱相對(duì)集中，對(duì)溫度和爆發(fā)壓力都會(huì)造成影響。溫度影響NOx和碳煙排放，壓力影響HPD柴油機(jī)工作穩(wěn)定性。根據(jù)仿真計(jì)算，噴油時(shí)刻為上止點(diǎn)前16℃A時(shí)，該HPD柴油機(jī)性能較好。

圖4 滯燃期隨噴油時(shí)刻變化規(guī)律

4.2 噴油時(shí)刻對(duì)壓力和溫度的影響規(guī)律

模擬計(jì)算得到噴油時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)平均溫度和平均壓力的影響規(guī)律，見圖5和圖6。從圖5和圖6可見，隨著噴油時(shí)刻的提前，缸內(nèi)最高平均溫度和峰值壓力都增加，且峰值對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角略有提前。噴油定時(shí)從上止點(diǎn)前13℃A增大到上止點(diǎn)前19℃A時(shí)，缸內(nèi)最高峰值溫度由1 658 K變化到1 752 K，二者溫度相差94 K，且均出現(xiàn)在上止點(diǎn)附近；缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力由17.66 MPa變化到19.98MPa，二者壓力相差2.32MPa。導(dǎo)致溫度和壓力較高的原因是噴油時(shí)刻的提前，使得滯燃期加長(zhǎng)，噴入缸內(nèi)的燃料增多，在著火之前油氣混合充分，在急燃期幾乎同時(shí)燃燒，導(dǎo)致壓力升高較快，溫度相對(duì)較高，缸內(nèi)爆發(fā)壓力過(guò)大，對(duì)HPD柴油機(jī)動(dòng)力性能產(chǎn)生不良影響，使缸體振動(dòng)加大，噪聲較高，加重了機(jī)械載荷，嚴(yán)重情況下會(huì)發(fā)生“爆震”現(xiàn)象；因此在保證HPD性能條件下，對(duì)最高爆發(fā)壓力要有限制。溫度是形成NOx和碳煙的先決條件，溫度過(guò)高，對(duì)NOx形成有利。因此在保證HPD排放性能條件下，對(duì)溫度要有所限制。對(duì)最高爆發(fā)壓力和溫度的限制均歸結(jié)到噴油時(shí)刻上，因此應(yīng)該合理控制噴油時(shí)刻，以滿足HPD柴油機(jī)的性能要求。

圖5 噴油時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)平均溫度的影響規(guī)律

圖6 噴油時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)平均壓力的影響規(guī)律

4.3 噴油時(shí)刻對(duì)放熱率的影響規(guī)律

圖7 噴油時(shí)刻對(duì)放熱率的影響規(guī)律

模擬計(jì)算得到噴油時(shí)刻對(duì)放熱率和累計(jì)放熱率的影響規(guī)律，見圖7和圖8。由圖7和圖8可知，隨著噴油時(shí)刻的提前，放熱率先升高后降低，瞬時(shí)燃燒放熱率的最大值隨著噴油時(shí)刻的提前而增大，整體放熱率曲線向左移動(dòng)。原因是隨著噴油時(shí)刻的提前，放熱速率增快，燃燒更加集中。隨著噴油時(shí)刻的提前，滯燃期變長(zhǎng)。在上止點(diǎn)之前，噴入氣缸內(nèi)的燃料較多，湍流運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，缸內(nèi)速度場(chǎng)能夠更早達(dá)到最大狀態(tài)；而此時(shí)溫度相對(duì)較高，燃油的蒸發(fā)速率較快，缸內(nèi)油氣混合分布廣，使得燃燒始點(diǎn)提前，導(dǎo)致放熱率升高。

圖8 噴油時(shí)刻對(duì)累計(jì)放熱率的影響規(guī)律

4.4 噴油時(shí)刻對(duì)排放的影響規(guī)律

HPD柴油機(jī)的排放主要是NOx和碳煙。圖9是NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律。隨著噴油時(shí)刻的提前，NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，在390℃A時(shí)趨于穩(wěn)定?？梢钥闯鰢娪蜁r(shí)刻越提前，NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)也越大。因?yàn)閲娪蜁r(shí)刻越提前，滯燃期越長(zhǎng)，使得燃油在較低的溫度和壓力下噴入氣缸，燃料的混合氣所占比重上升，預(yù)混合油氣加劇，在急燃期燃料迅速燃燒，放熱率增大，溫度上升，導(dǎo)致NOx排放增加。圖10是碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律。隨著噴油時(shí)刻的提前，碳煙排放升高，在385℃A時(shí)，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。主要是因?yàn)榛钊谏现裹c(diǎn)之后開始下行，燃料在較低的膨脹比下開始放熱，缸內(nèi)初期最高燃燒溫度和壓力相對(duì)較低，氧氣含量不足，氧化能力減弱，使得碳煙排放較大；在后燃期階段，此時(shí)受到缸內(nèi)“反擠流”作用，缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，溫度升高，氧濃度較高，使得碳煙被氧化的能力增強(qiáng)，造成總的碳煙生成量呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)；因此，應(yīng)控制噴油定時(shí)，尋求NOx和碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)的折中。

圖9 NO x質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律

圖10 碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律

NOx和碳煙排放的仿真值與試驗(yàn)值十分接近，如表3所示。隨著噴油時(shí)刻的提前，NOx排放量逐漸增大，碳煙排放量逐漸減少。噴油時(shí)刻為上止點(diǎn)前16℃A時(shí)，NOx和碳煙生成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相對(duì)誤差最小，準(zhǔn)確度較高。這說(shuō)明該模型可以可靠地模擬HPD柴油機(jī)工作過(guò)程，為降低排放量，實(shí)現(xiàn)低排放、高功率柴油機(jī)提供了理論指導(dǎo)。

表3 NO x和碳煙排放仿真值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

4.5 噴油時(shí)刻對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律

表4為功率和燃油消耗率隨噴油時(shí)刻的變化規(guī)律。由表4可知，功率隨著噴油時(shí)刻的提前而增大，燃油消耗率隨著噴油時(shí)刻的提前而減少。功率增大，缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力增加，產(chǎn)生“爆震”現(xiàn)象的幾率升高，因此應(yīng)考慮二者此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，選擇合理的噴油時(shí)刻。由HPD柴油機(jī)的特性及結(jié)構(gòu)得知，選擇噴油時(shí)刻為上止點(diǎn)前16℃A較為合理。表5為不同噴油時(shí)刻下的燃燒情況

表4 噴油器時(shí)刻對(duì)功率和燃油消耗率的影響規(guī)律

由表5可見，燃燒始點(diǎn)離上止點(diǎn)越近，混合氣在缸內(nèi)噴霧燃燒劇烈，燃燒就越完全，做功能力就越強(qiáng)，熱效率就越高。

表5 不同噴油時(shí)刻下的燃燒情況 (°)CA

5 結(jié)論

以單缸HPD柴油機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)和仿真手段，研究了噴油時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)燃燒特性的影響規(guī)律，為優(yōu)化噴油策略和改進(jìn)噴油器提供了理論依據(jù)。結(jié)論如下：

（1）建立了計(jì)算HPD柴油機(jī)的有效模型并驗(yàn)證了模型的正確性，確定了該模型的數(shù)學(xué)模型。對(duì)此高功率密度柴油機(jī)而言，即原機(jī)噴油時(shí)刻為上止點(diǎn)前16℃A時(shí)，柴油機(jī)動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能較好，排放較低。

（2）隨著噴油時(shí)刻的提前，滯燃期變長(zhǎng)，缸內(nèi)壓力溫度相對(duì)較高，放熱快且相對(duì)集中，功率增大，燃油消耗率降低，這對(duì)HPD柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有較好影響，但對(duì)整機(jī)的可靠性有不良影響，爆發(fā)壓力增大，導(dǎo)致“爆震”現(xiàn)象發(fā)生，機(jī)體振動(dòng)噪聲大。

當(dāng)噴油提前角調(diào)到上止點(diǎn)前19℃A時(shí)，峰值溫度高，形成了“高溫富氧”的環(huán)境，對(duì)NOx的生成有利，因此必須設(shè)置合理的噴油時(shí)刻，并考慮其他因素的影響，以滿足HPD柴油機(jī)綜合性能的要求。

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[3]朱博.高強(qiáng)化柴油機(jī)總體性能優(yōu)化及關(guān)鍵技分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

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[5]史春濤,秦德,唐琦,等.內(nèi)燃機(jī)燃燒模型的發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38(4)：181-186．

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Study on Effectof Injection Timingon Combustion and Emissions ofHigh Power Density DieselEngine

LiShuyu,Xu Yanfang,Liu Ruofan
（North University ofChina,Taiyuan 030051,China)

Amodel of a single cylinder diesel engine of high power density was setup utilizing AVL FIRE to study the influence of injection timing on the combustion and emissions of the engine.Themodel was verified with engine testing.The simulation focused on the analyzing of the effectof different injection timings on the cylinder pressure,temperature,heat release rate,power,specific fuel consumption and emissions.The results show thatwith the advance of injection timing by 3 degrees in crank angle,pressure and temperature in cylinder increase by 6.55%and 2.8%respectively,heat release rate is great and heat release relatively concentrates,NOxemissions increase,soot reduces,power drops and fuel consumption increases.When the injection timing of the engine is 16 degrees in crank angle before TDC,NOxand soot emissionsmeet theemissions regulations,and engine powerand economic performancearebetter.

high power density,dieselengine,fuelinjection tim ing,combustion,em issions

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.04.003

來(lái)稿日期：2016-10-27

李樹宇（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)CFD數(shù)值模擬。