多次噴射對(duì)柴油機(jī)雙ω燃燒系統(tǒng)性能影響的模擬研究

崔柳正 朱濤 陳明山

【摘 要】柴油機(jī)的燃燒室形狀、混合氣的形成、燃燒過程和噴射次數(shù)，對(duì)其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放污染物的生成具有重要的影響。本文選用ZS1100M型柴油機(jī)，設(shè)計(jì)了一種雙ω型燃燒室，采用多次噴射策略，利用AVL FIRE軟件對(duì)燃燒過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果。研究表明，較大的后噴量可以降低燃燒過程峰值溫度，有效降低NO的排放。在多組實(shí)驗(yàn)中，其中主噴-后噴策略，且后噴量為6mg的策略，可以改善燃燒，有利于油氣的混合，也有利于減少SOOT和NO的排放，使NO和SOOT有一個(gè)較好的折中值。

【關(guān)鍵詞】多次噴射；雙ω燃燒室；數(shù)值模擬

一、研究內(nèi)容

多次噴射是一種降低柴油機(jī)排放中的NOX，PM和噪聲的有效策略。多次噴射策略可以很好地提高柴油機(jī)可燃混合氣的質(zhì)量，優(yōu)化燃燒過程，進(jìn)而提高柴油機(jī)的動(dòng)力性，減少成本，還能降低污染物的排放。除了噴射策略外，燃燒室形狀也影響著缸內(nèi)混合氣的形成，并進(jìn)一步影響著燃燒的整個(gè)過程。因此可以通過燃燒室形狀來改善混合氣的形成和優(yōu)化燃燒過程。

為解決混合氣不均勻的狀況，本研究提出一種雙ω型燃燒室，配合多次噴射的噴射方式[1]。雙ω燃燒室能夠改善柴油機(jī)噴霧空間分布，提高缸內(nèi)混合氣形成質(zhì)量。采用多次噴射方式，通過改變預(yù)噴量和后噴量，進(jìn)行多次模擬計(jì)算，并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使NO和SOOT排放有一個(gè)較好的折中值。

二、物理化學(xué)模型設(shè)置

三、模型的建立

（一）研究對(duì)象及模型

本文以ZS1100M柴油機(jī)為依據(jù)，建立雙ω型燃燒室模型。

（二）燃燒室模型的建立

本文計(jì)算的燃燒室為新設(shè)計(jì)的直噴雙ω型燃燒室。首先，利用Solidworks三維制圖軟件，繪制雙ω型燃燒室模型。然后導(dǎo)入AVL FIRE中的ESE-Diesel模塊，進(jìn)行劃分網(wǎng)格，物理建模等[2]。圖3.1為燃燒室結(jié)構(gòu)簡圖。紅色線為噴油角度[3]。

因?yàn)樵O(shè)置的噴油器是垂直中置的，是中心對(duì)稱模型。ZS1100M型柴油機(jī)設(shè)置的是四個(gè)噴孔，因此簡化計(jì)算，選擇一個(gè)噴孔所在的扇形區(qū)域即1/4的燃燒室對(duì)噴霧和燃燒進(jìn)行模擬計(jì)算。圖3.2即為1/4的燃燒室的網(wǎng)格劃分。

（三）初始條件和邊界條件確定

在Fire ESE模塊中，默認(rèn)燃燒上止點(diǎn)為720°CA（在之后繪圖時(shí)，采用origin8畫圖，將燃燒上止點(diǎn)移到0°CA），在本次研究中，計(jì)算區(qū)間選擇560°CA至850°CA（畫圖及之后提及區(qū)間為-160°CA至130°CA）。開始計(jì)算時(shí)，取缸內(nèi)的初始?xì)怏w處于均勻分布，并且有相同的溫度和壓力。初始參數(shù)表詳見表3.2。

（四）計(jì)算模型驗(yàn)證

利用AVL FIRE對(duì)設(shè)計(jì)的雙ω型燃燒室進(jìn)行單次噴射模擬研究。將計(jì)算得到的模擬缸壓曲線與原機(jī)的實(shí)驗(yàn)缸壓曲線進(jìn)行對(duì)比，圖3.3即為對(duì)比結(jié)果。兩者缸壓曲線基本一致，模擬值在峰值略微高于實(shí)驗(yàn)值，誤差很小。所以，雙ω燃燒室模型比較準(zhǔn)確，可用于模擬計(jì)算。

四、多次噴射對(duì)雙ω燃燒室的數(shù)值模擬

結(jié)合實(shí)際情況與數(shù)值模擬得出的結(jié)論，優(yōu)化缸內(nèi)的燃油燃燒，提出5種不同的預(yù)噴——主噴——后噴方案。保證每循環(huán)供油量不變（每循環(huán)噴油量為45.3mg），使預(yù)噴與后噴燃油量總和不變?yōu)?mg，改變預(yù)噴與后噴的燃油質(zhì)量。對(duì)這五種多次策略進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并與單次噴射結(jié)合比較，分析優(yōu)劣。噴射策略如下表4.1。

在本次多次噴射策略中，通過控制主噴射量，保證主噴量和后噴量總量控制在6mg。在缸內(nèi)壓力圖4.1和缸內(nèi)溫度圖4.2中，可以看到，采用預(yù)噴射，使缸內(nèi)的壓力和溫度變化更加平滑，其中，溫度曲線和壓力曲線最平滑的是multiple1-3。采用多次噴射，降低了主噴量，使缸內(nèi)峰值壓力和峰值溫度都降低了一些。由于multiple1-1只采用了主噴和后噴策略，缸內(nèi)壓力和缸內(nèi)溫度都有突變，燃燒劇烈。NO生成圖4.3顯示，multiple1-1生成量最低，而在圖4.4中，SOOT生成量在這六組數(shù)據(jù)中不是很高。最高缸內(nèi)壓力大概在7.2MPa，最高溫度約為1540K。在本次研究中，采用multiple1-1即主噴-后噴策略對(duì)NO和SOOT排放控制更好。

五、數(shù)值模擬結(jié)果分析

（一）切片位置選擇及彩色云圖

FIRE軟件中，manager模塊可以提供三維彩色云圖。三維彩色云圖可以更形象地展現(xiàn)燃燒的整個(gè)過程，我們可以對(duì)燃燒過程有一個(gè)具體的認(rèn)識(shí)。接下來，選擇single、multiple1-1和multiple1三種多次噴射次略，從燃燒室的溫度場、燃空當(dāng)量比以及NO、SOOT濃度場來分析比較柴油機(jī)氣缸內(nèi)部的燃燒過程。

（二）彩色云圖分析

multiple1采取預(yù)噴-主噴-后噴相結(jié)合的策略且預(yù)噴量和后噴量均為3mg；single采用的是單次噴射策略；multiple1-1采用的是主噴-后噴策略，且后噴量為6mg，占總噴油量的13.2%。

（1）燃空當(dāng)量比分析：在圖5.2中，由于預(yù)噴時(shí)間是曲軸轉(zhuǎn)角的-20°CA至-16°CA，只有采用預(yù)噴的multiple1出現(xiàn)了油束。因?yàn)橹鲊姇r(shí)間是曲軸轉(zhuǎn)角的-8°CA至12°CA，在-5°CA時(shí)，都看到了油束，單次噴射因?yàn)闆]有預(yù)噴和后噴，在相同噴射時(shí)間內(nèi)噴射更多的燃油量，當(dāng)量比其他兩組大大。由0°CA的當(dāng)量比分布可知，受缸內(nèi)氣體流動(dòng)的影響，原先的燃油蒸汽已經(jīng)擴(kuò)散分散，逐漸散布在燃燒室中，霧化的燃油蒸汽貼著氣缸壁面。由5°CA及15°CA當(dāng)量比分布云圖顯示，燃油蒸汽向周圍繼續(xù)擴(kuò)散，一部分向上擴(kuò)散進(jìn)入余隙容積部分，當(dāng)量比最高的地方集中在間隙處。由25°CA的當(dāng)量比分布云圖可知，由于multiple1有后噴，油束剛剛噴完，當(dāng)量比仍然挺高的，multiple1-1的后噴量比multiple1高，所以當(dāng)量比也比multiple1高。

（2）燃燒時(shí)溫度場分析：由溫度場分布圖5.3可知，油束的顏色較深，顯然溫度是低于缸內(nèi)溫度的，因?yàn)槿加椭袏A雜著空氣，并且在蒸發(fā)的過程中，吸收周圍的熱量。最先噴射的油開始蒸發(fā)，并與缸內(nèi)的空氣混合，形成可燃混合氣。相比較而言，單次噴射single油束霧化較好，溫度較高。而multiple1和multiple1-1溫度在5°CA至25°CA相差不多。

（3）NO濃度場分析：觀察NO濃度場圖5.4，并結(jié)合燃空當(dāng)量比分布圖5.2和溫度場分布圖5.3，可以看出，NO的主要生成于高溫富氧的區(qū)域。因?yàn)閟ingle的溫度較高，從5°CA到25°CA屬于擴(kuò)散燃燒，油氣的當(dāng)量比極不均勻，有利于形成高溫富氧的環(huán)境，導(dǎo)致NO的生成量增加。從圖中可以看出，在凸脊處NO生成量較多，從5°CA開始，NO生成的起點(diǎn)，隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化，NO生成逐步擴(kuò)散開來。multiple1和multiple-1在溫度分布相差不多，在NO排放上也相差不多，不過，還是multiple1-1的生成量少些。綜合溫度場分布圖和NO生成量分布圖，可知NO大多生成在 1812K～2306K。

（4）SOOT濃度場分析：從圖5.5中可看出，SOOT主要生成在噴油的盡頭，還有燃油霧化的部分。因?yàn)槿加挽F化蒸發(fā)，氣流的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致周圍的空氣不多。綜合NO和SOOT生成量分布圖可知，SOOT大多生成于近壁面，有些在余隙容積處生成。SOOT生成區(qū)域是NO生成區(qū)域的子域，SOOT和NO生成大多在當(dāng)量比不均勻的地方。燃?xì)饩鶆蛐暂^好的策略是multiple1-1。所以在NO和SOOT排放量方面，相應(yīng)減少?？梢钥吹?，NO生成量在三種噴射策略中最少，SOOT含量也不算高。

六、結(jié)論

①NO和SOOT大多生成于當(dāng)量比不均勻的地方，合理控制當(dāng)量比，控制混合氣盡量均勻，有助于降低SOOT和NO的排放。

②NO的生成條件是高溫富氧的環(huán)境。預(yù)混合燃燒會(huì)產(chǎn)生較高的溫度，同時(shí)在主噴之后的燃燒會(huì)帶來持續(xù)的高溫，這樣的環(huán)境會(huì)生成大量的NO。

③SOOT的生成主要有兩個(gè)方面：一是SOOT的直接生成，二是SOOT的氧化。SOOT生成主要集中在近壁面，氣流流動(dòng)緩慢，周圍廢氣多，氧濃度低，不易造成SOOT的氧化。

④綜合比較本實(shí)驗(yàn)的多次噴射策略，發(fā)現(xiàn)multiple1-1生成的SOOT和NO的生成量都較低，故選擇此策略做為本實(shí)驗(yàn)的最佳策略，即預(yù)噴量為0，后噴量為6mg。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 馮立巖， 隆武強(qiáng)， 魏勝利，等. 新型傘狀噴霧柴油預(yù)混合壓燃數(shù)值模擬研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)， 2006， 24（2）：134-140.

[2] AVL FIRE v2008缸內(nèi)計(jì)算控制參數(shù)說明.

[3]陳歡. 柴油機(jī)雙ω燃燒系統(tǒng)燃燒及排放性能數(shù)值模擬[D]. 江蘇大學(xué)， 2013.