進氣沖程增壓注水對柴油發(fā)動機性能的影響

王生, 姚清河, Trevor Hocksun Kwan

(中山大學航空航天學院，廣東 廣州 510006)

注水的方式分為進氣歧管注水，氣缸注水和排氣歧管注水[1]。為了降低發(fā)動機的燃燒溫度、廢氣排放，注水技術得到了廣泛的研究[2-5]。X Ma等[6]研究了進氣歧管注水，發(fā)現(xiàn)注水能夠降低缸內平均壓力和溫度，且點火延遲時間變長、氮氧化物和碳煙排放量顯著下降。部分學者采用數(shù)值模擬的方法研究了發(fā)動機注水的效果，F(xiàn) Berni 等[7]使用CFD分析了高性能渦輪增壓GDI發(fā)動機燃燒室中注入水和燃料混合物的效果，結論表明：注水可以提高發(fā)動機的點火提前角；在滿足輸出功率的同時降低燃料消耗。M Nour 等[8]研究了注水入柴油發(fā)動機的排氣歧管對發(fā)動機燃燒和排放的影響，發(fā)現(xiàn)：注水能夠提高氣缸內部的壓力；與常規(guī)柴油發(fā)動機相比較，NOx的排放量降低了85%。

進氣增壓技術現(xiàn)已廣泛的應用于相關領域[9-12]。柴油發(fā)動機碳氫化合物的排放量要比汽油發(fā)動機低得多，但是NOx的排放會更高[13]。同時降低這兩種污染物的排放十分困難，但增大進氣壓強或者加入添加劑可以有效的降低這兩種污染物的排放[14-15]。不過，過高的缸內壓強會導致發(fā)動機爆震的發(fā)生，從而影響發(fā)動機的安全性能[16]。為此，本文以廣西玉柴有限公司生產的YC6G系列柴油發(fā)動機為對象，通過AVL-FIRE軟件，分析了同時使用進氣增壓與注水兩種技術的情況下，不同注水量時燃燒室內溫度、壓力和發(fā)動機排放的變化規(guī)律，及其對發(fā)動機性能的影響。

1 物理模型

1.1 三維幾何模型

本文使用廣西玉柴有限公司生產的YC6G系列柴油發(fā)動機作為研究對象，在AVL-FIRE軟件中建立三維模型。該發(fā)動機大量使用于國內客車中，具有油耗低、運行穩(wěn)定的優(yōu)點。發(fā)動機的主要參數(shù)如表1所示。

表1 YC6G系列柴油發(fā)動機的具體參數(shù)Table 1 Parameters of YC6G engine

模擬過程為進氣門關閉到排氣門開啟，沒有進氣和排氣的過程，因此建立模型時僅需建立燃燒室的3D模型。由于此燃燒室噴油孔數(shù)為8，為了節(jié)約計算時間，本次模擬選取了燃燒室的八分之一作為計算區(qū)域，如圖1所示。

圖1 YC6G柴油發(fā)動機的網格模型Fig.1 3D mesh model of YC6G diesel engine

本文模擬選取的曲軸轉角在574°～852°度之間。隨著曲軸轉角的不斷變化，燃燒室的形狀和大小也在不斷變化，所以網格的大小和數(shù)量也隨著曲軸轉角的變化而變化。因此，在曲軸轉角為720°時，網格數(shù)目是92 100；而當曲軸轉角變化為830°時，網格數(shù)目為278 950。

1.2 計算模型

本文考慮的數(shù)學模型包括湍流模型、燃燒模型、點火模型和排放模型。在湍流模型中，本文采用計算成本更低、穩(wěn)定性和計算精度更高的k-zeta-f模型。燃燒模型選擇的是渦團破碎模型(eddy breakup model)。點火模型選擇適用于柴油發(fā)動機的Diesel ignited gas engine模型。NOx的排放模型為Zeldovich模型。Soot排放模型采用Kennedy/Hiroyasu/Magnussen模型。

1.3 邊界條件

本次模擬的邊界條件主要是溫度和速度。燃燒室的溫度設為恒溫，其中活塞溫度設為550 K；燃燒室頂部溫度設為550 K；氣缸壁溫度設定為475 K。由于燃燒室頂部和燃燒室壁是靜止不動的，所以其速度為0?；钊敳康乃俣扰c其往復運動有關系，設定為等于活塞運動的速度。其他邊界條件根據(jù)實測資料設定。

表2 邊界條件的設置Table 2 Boundary condition setting

1.4 計算工況

本文模擬的是發(fā)動機的壓縮做功沖程，選取的曲軸轉角在574°～852°之間，發(fā)動機的轉速設定為標定轉速1600 r/min。設定注水占進氣總混合氣體質量分數(shù)的0%、5%和10%，初始壓強、溫度和湍動能分別設定為0.4 MPa、330 K和18.58 m2/s2。計算對象的原進氣壓強為0.15 MPa，將進氣壓強增加到0.4 MPa。具體的初始條件設置，如表3所示。

表3 計算工況參數(shù)設置Table 3 Calculation operating parameter settings

1.5 模型有效性驗證

為了校準和驗證數(shù)值結果的準確性，將在0.4 MPa時不注水情況下的數(shù)值模擬結果與參考文獻[17]中的數(shù)據(jù)進行比較。參考圖2可以發(fā)現(xiàn)，壓力遵循相同的趨勢并且在±5%的誤差范圍內。

2 計算結果

2.1 注水量對燃燒室溫度的影響

燃燒室內的溫度影響燃料燃燒的效率和質量，同時過高的缸內溫度會影響發(fā)動機的安全性[18]。

氣缸內平均溫度和V平均壓力在曲軸轉角為726°時達到最高，這是因為活塞在曲軸轉角為726°時運動到氣缸頂部，此時氣缸內部容積最小，內部流動最為劇烈。而溫度和壓力分布的不均勻，將有可能影響燃料的燃燒質量和發(fā)動機安全性。同時在曲軸轉角為746°時，活塞在向下運動過程中，氣缸的容積逐漸增大，內部溫度的分布已經趨于均勻，各工況的燃料在此刻都消耗完全，研究此時的溫度和壓強的分布，可以了解注水對燃料燃燒效率的影響。曲軸轉角為726°和746°時的溫度和壓力分布，如圖3所示。

圖2 數(shù)值模擬結果與文獻值對比Fig.2 Numerical simulation results compared with reference values

圖3 726°和746°曲軸轉角時不同注水量下的溫度分布圖Fig.3 Temperature distribution at 726°CA and 746°CA with different water injection rates

如圖3所示，在噴油剛開始時，由于油束并未與空氣完全混合，只有外面一層油滴接觸空氣，所以外部油滴先于空氣反應燃燒，在油束外圍產生高溫區(qū)域。而隨著油滴不斷深入燃燒室，速度不斷下降，油滴之間分散開來分別與空氣反應，這時油滴內部溫度開始上升。同時，觀察不同注水量下氣缸內部的溫度分布，可以發(fā)現(xiàn)注水量的增加對溫度分布影響很小。

如圖4所示，缸內溫度在726°曲軸轉角時達到峰值；隨著注水量的增加，峰值有所下降。同時，觀察溫度的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，進氣注水并沒有改變溫度的變化趨勢。因此，進氣注水可以有效降低燃燒室的溫度，但是不會影響溫度的變化趨勢。

圖4 缸內平均溫度隨曲軸轉角變化Fig.4 Mean temperature varies with the crank angle in the cylinder

2.2 注水量對燃燒室壓強的影響

燃燒室內的流體壓力主要由空氣燃燒產生。當噴嘴噴油時，由于燃料燃燒氣缸內壓強急劇上升，但是隨著活塞向下運動，氣缸容積不斷上升，缸內平均氣壓會隨活塞運動而不斷減小。

如圖5所示，當油滴運動到缸壁時，油滴會擴散到上面的凹槽里，從而使凹槽內部的氣壓上升。燃燒室內的壓力分布則和燃燒的分布情況有關。對比726°曲軸轉角和746°曲軸轉角的壓力分布可以發(fā)現(xiàn)726°時高壓集中在噴嘴附近，而在746°時集中在右側缸壁。這表明：隨著燃燒的進行，高壓部分逐漸向缸壁轉移；對比兩個曲軸轉角的壓力值可以發(fā)現(xiàn)，缸內壓力也在隨時間降低。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，注水對發(fā)動機內部的壓強影響極??；隨著注水量的增加，壓強有所下降，主要是由于溫度下降所造成；不同的注水量下，缸內壓力的分布幾乎完全一致。

2.3 注水量對發(fā)動機排放的影響

Soot排放是衡量碳煙生成的指標，同時碳煙也是衡量燃燒是否完全的標準之一。碳煙的形成原因有氧氣不足，燃燒不充分或者燃料的燃燒先于進入燃料燃燒室。當活塞運動到上止點時(曲軸轉角720°)，碳煙開始形成；隨著燃燒的進行，碳煙含量在740°左右達到峰值，之后因部分物質被氧化，碳煙含量逐漸下降。

圖5 726°和746°曲軸轉角時不同注水量下的壓強分布圖Fig.5 Pressure distribution at 726°CA and 746°CA with different water injection rates

在圖6中，三條曲線幾乎重合。因此，進氣注水幾乎不會對燃燒室內的平均壓強造成影響。同時，通過觀察峰值可以發(fā)現(xiàn)：隨著注水量的增加，燃燒室內平均溫度的峰值有極小的下降。

圖6 缸內平均壓強隨曲軸轉角變化Fig.6 Mean pressure varies with the crank angle in the cylinder

圖7為不同注水量時Soot排放量隨曲軸轉角的變化曲線。由于碳煙形成開始于活塞運動到上止點時，所以曲軸轉角選取為720°～ 850°。在圖7中，隨著注水量增大，Soot的排放有所降低，這意味著進氣注水使得燃料的燃燒更加充分。但是，后期Soot排放曲線幾乎一致，這說明進氣注水和最終的Soot排放量無關，這是因為燃燒室內的氧氣比較充足，所有碳煙在最后都會被燃燒。

圖7 Soot質量分數(shù)隨曲軸轉角變化Fig.7 Soot mass fraction varies with crank angle

NOx排放是衡量發(fā)動機廢氣排放的另一個重要參數(shù)。在柴油發(fā)動機中，NOx的主要來源是高溫下氧氣和氮氣之間的化學反應。NOx是日常汽車尾氣中重要的污染組成，會造成酸雨等污染現(xiàn)象。因此減少尾氣中NOx的排放能有效的降低大氣污染。

由圖8所示，NOx是在曲軸轉角過了720°之后生成的，也就是在燃料燃燒開始之后。在燃燒發(fā)生后，注水量為0%的NOx質量分數(shù)急劇增加，并在很短的時間內達到峰值，而達到峰值之后，NOx的排放量基本穩(wěn)定，這是因為燃燒室內的空氣含量不足造成的。同時，觀察到注水質量分數(shù)為5%、10%的兩條曲線上升較為平緩。最后NOx的生成量如下：注水量為0%時，NOx最終質量分數(shù)為5.44×10-7；注水量為5%時，NOx最終質量分數(shù)為1.18×10-9；而注水量為10%時，NOx最終質量分數(shù)為1.20×10-10，發(fā)動機單循環(huán)的排放量幾乎為零。因此，注水顯著地減少了NOx的排放。

圖8 NOx質量分數(shù)隨曲軸轉角變化Fig.8 NOx mass fraction varies with crank angle

3 結 論

(1)通過觀察溫度分布圖，可以發(fā)現(xiàn)注水對溫度分布造成的影響并不明顯。這也表明進氣注水對發(fā)動機的安全性影響很小。隨著注水量的提高，燃燒室內部的平均溫度峰值有所下降，因此注水可以有效降低發(fā)動機的溫度峰值。

(2)通過對比壓力分布圖，可以發(fā)現(xiàn)注水會略微降低發(fā)動機內部的壓強。在活塞達到氣缸頂部的時刻(曲軸轉角為726°時)，由于燃料的噴入，最大壓強集中在氣缸中心，在燃料燃燒完全的時刻(曲軸轉角為746°時)，最大壓強集中氣缸邊緣位置。結果表明，進氣增壓注水對氣缸內部壓強的影響不大。

(3)觀察Soot排放的質量分數(shù)圖可以發(fā)現(xiàn)，注水會降低Soot排放的生成速率，同時也會降低Soot排放的生成量。隨著注水的質量分數(shù)每增加5%，Soot排放的生成量約下降10%。由于噴入燃料的質量相同，隨著燃燒進行，不同注水量下的Soot排放最終會達到一個相同的值。

(4)進氣注水有效地降低了NOx排放，排放量僅為不注水情況下的0.21%。同時，隨著注水量的增加，下降的趨勢有所減緩。進氣沖程增壓注水可以有效降低發(fā)動機的NOx排放，從而降低尾氣污染。