發動機進氣狀態對燃油經濟性影響的仿真研究

摘要：本文使用仿真手段，針對進氣壓力、進氣溫度、進氣渦流等不同參數設計計算方案，對輸出的熱效率、油耗和排放結果進行統計研究，得出進氣狀態對柴油機油耗和排放影響明顯，稀薄燃燒有利于燃燒過程的進行，降低進氣溫度有利于改善油耗和排放，增壓中冷是未來節能減排研究的重點方向。本研究為柴油機未來經濟性的研究提供了指導性依據。

關鍵詞：柴油機；仿真；進氣狀態；燃油經濟性

中圖分類號：U464.134+.4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）06-0026-05

The Simulation Study for Influence of Engine Inlet State on Fuel Economy

YIN Yong，YANG Shang-li

（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL，Wuhan 430056，China）

Abstract：This paper designed a calculation scheme using the simulation method. We picked up the intake pressure，intake temperature and swirl rate as the classic parameters．These parameters were inputed into CFD model for calculating. We deeply studied the calculation results and finally found the inlet sate affects obviously on engine power，economy and the emission performance. So we believed that lean burn and low temperature air intake is beneficial to engine combustion，fuel economy and the emission performance. Thereof，boost and inter-cooling would be the focus of future research direction for energy saving and emission reduction．This paper provided a guidance for future economic research on diesel engine.

Key words：diesel engine；simulation；intake state；fuel economy

隨著經濟的發展，汽車保有量的大量提高，“能源短缺”成為困擾全球的一個大問題。同時，隨著人們生活水平提高，“環境污染”也對人類的生存提出了挑戰。因此，做好“節能減排”工作成為當前汽車行業最為關注的話題，也起著促進汽車行業進步、保護全球環境、推進能源節約和可持續發展的作用。歐洲各國歷來重視節能減排工作，相繼制定了大量政策和法規。近年來，我國也連續出臺了一系列關乎節能減排項目的標準法規。因而，研究高效節能低污染的汽車發動機，成為挑戰汽車行業的一個大課題。

柴油機功率大、經濟性好，被越來越廣泛地應用于乘用車和商用車中。對于直噴式柴油機來說，混合氣質量的好壞直接決定了其性能。而混合氣的形成與進氣條件、燃油噴射以及燃燒室形狀，即常說的油氣室有著莫大的關系，因而有必要對這三者進行優化匹配。所以，對進氣狀態的研究是探索提高發動機經濟性、動力性和排放性的重要手段之一。

1 研究對象說明和原機建模校驗

本文研究對象為某11L直列六缸增壓中冷式柴油機，額定功率303 kW/1900 r/min，目前已達到國IV排放標準，已經批量生產并且獲得了相當好的反響，本次研究擬對其性能進行進一步優化。

本文采用AVL-Fire的ESE模塊建立CFD模型（見圖1），模型在TDC和BDC時網格數分別為86000和275000，選取額定功率點作為本次計算工況。

模型校驗的主要方法是：保證計算所得示功圖與試驗示功圖形基本一致，數值誤差控制在正負5%以內。圖2為原機計算結果與試驗數據的對比圖，在整個高壓過程計算結果與試驗結果吻合較好，故認為該計算模型可以模擬實際發動機的工作過程。

2 計算方案設計

選定進氣壓力、進氣溫度、進氣質量及渦流比四個參數設計計算方案：

（1）保證進氣質量不變：同時提高壓力、溫度；同時降低壓力、溫度；

（2）增加進氣質量：提高壓力，溫度不變；壓力不變，降低溫度；

（3）減少進氣質量：壓力不變，提高溫度；降低壓力，溫度不變；

（4）渦流比的影響：渦流比增加；渦流比減小；改變渦流中心位置。

根據以上方案，設定各參數的改變值，每種參數的變化暫時只選取一組值，即增加或減小20%左右，其它所有模型的參數設置相同，共計11個case，見表1，根據網格數目和方案數，本次計算共耗時10個工作日。

圖3為燃燒室型線示意圖，圖中標出了設計方案的各渦流中心的大致方向（遵循右手定則）和燃油噴射軌跡線。

3 結果分析

3.1 計算熱效率、油耗和排放結果分析

圖4整合了熱效率、油耗和排放的結果，為了平衡NO排放與SOOT排放的trade-off關系，這里給出的排放結果（emission）是NO平均質量分數與SOOT平均質量分數的乘積，為了簡化數據方便作圖，將此乘積乘了108的系數。

由圖4可以看出：

（1）進氣質量不變，方案①同時提高壓力和溫度，使得熱效率、油耗的計算結果相對于原機都變差了，但排放有所改善；方案②同時降低壓力的溫度，三指標都有所改善，但程度較小。

（2）改變進氣質量，方案④、方案③增加進氣質量熱效率、油耗以及排放都有改善，是所有方案中最好的兩個；方案⑤、⑥（減少進氣質量）是所有方案中最差的兩個。

（3）方案⑦渦流比增加使得熱效率和油耗都略變差，對排放無影響；方案⑧渦流比減小對熱效率和油耗無影響，對排放有所改善。

（4）改變渦流方向（如圖3），方案⑨和方案熱效率和油耗無變化，排放有所改善；方案⑩熱效率有所改善，油耗和排放都稍差。

3.2 最優與最差方案的分析

對于熱效率、油耗和排放各項指標都最優的方案④和方案③以及各指標都最差的方案⑤和方案⑥單獨進行分析。圖5是以上幾方案的放熱率對比圖，圖6是溫度對比圖，另外由于NO和SOOT排放存在trade-off關系，所以在這里單獨給出NO和SOOT排放的變化，見圖7。

由圖5發現，在725°~732°左右，原機、方案⑤、方案⑥的放熱率與方案④、方案③無明顯差別，而在730°~740°期間，方案⑤、方案⑥的放熱率比原機略低，方案④、方案③比原機略高。可見增加進氣質量，使得混合氣更加稀薄，燃料的燃燒更加平穩持久，而減少進氣質量則情況相反。

方案⑥由于是通過提高進氣溫度增減進氣質量的，故進氣終了后溫度比原機、方案⑤、方案④、方案③要高，且相比于原機、方案④、方案③，其燃油濃度更高，前期燃燒更加劇烈，導致缸內溫度持高不下，且這種偏高溫狀態一直持續到燃燒結束后，這使得NO和SOOT排放高于所有其它方案；方案⑤雖然進氣溫度與原機一樣，但是同樣的由于燃油濃度更高，故缸內溫度在燃燒開始起就高于原機、方案④和方案③，一直到燃燒結束，導致其NO排放高于原機，但是SOOT排放稍低于原機；而方案④、方案③由于進氣質量增加了，使得混合氣更加稀薄，燃料的燃燒更加平穩充分，所以缸內溫度一直沒有劇烈增加的現象，故NO和SOOT的排放都較低維持在90%左右，同時計算油耗也大大改善，分別為方案③下降約7%，方案④下降約11%。

3.3 缸內燃燒過程分析

3.3.1 缸內速度流場比較

這里對原機、方案④、方案③、方案⑤、方案⑥的缸內流場的分布進行分析，圖8列出了各方案在720°、730°、735°、740°、750°曲軸轉角時平視方向的速度流場切片圖。由圖可以看出，噴霧形成的高速油束與缸內氣體發生較大強度的動量交換，粘性油束也影響著氣體介質的湍流狀態，故而產生卷吸現象，在油束兩側形成渦團。但各方案的渦團的位置和形狀沒有明顯差異，這是由于各計算方案使用的燃燒室型線是一樣的，可見僅進氣溫度和壓力改變不同并不會明顯影響到渦團位置和形狀。

3.3.2 缸內濃度場和溫度場的比較

當量燃空比反應了燃燒室內燃油蒸氣的濃度，根據本次計算燃燒模型參數的選擇，當量燃空比的計算公式如下：

式中：f為缸內燃油蒸氣與缸內總質量之比；（）st為當前燃料的理論空燃比，對于柴油來說該值約為14.3。

如圖9列出了各方案在720°、725°、730°、735°、760°曲軸轉角時平視方向的當量燃空比切片圖。圖10列出了各方案在720°、730°、735°、740°、750°曲軸轉角時平視方向的溫度場的切片圖。

由圖9和圖10可看出，噴霧前期，部分燃油在高壓噴射條件和缸內高溫壓縮空氣的共同作用下霧化，形成的燃油蒸氣與周圍空氣混合形成可燃混合氣。隨著活塞下行，達到燃燒條件的混合氣燃燒，使得缸內溫度驟升，同時溫度的升高引起更多液態燃燒蒸發與周圍空氣形成可燃混合氣，此種相互影響的過程一直持續至760°左右燃燒結束。此過程中，受高速氣流和渦團的影響，混合氣被擠至燃燒室凹坑底部和靠氣缸的一側，故燃燒結束后缸內高溫部位和殘余燃油大都聚集在此處。

方案④由于增加25%進氣量，進氣完畢后，缸內溫度整體比其它各方案都低，只有700K左右，相對較低的溫度使得燃油蒸發速度較慢，同時由于缸內氣體質量比其它三方案都要高，故缸內燃油濃度也相對較低，使得燃燒較平穩，缸內局部溫度驟然升高的現象不明顯，這也就解釋了此方案NO和SOOT排放量都較少的原因。且由于進氣量較多，此方案中燃油燃燒更加充分，使得燃燒結束后最終的殘余燃油更少。

方案③和方案④的區別在于：方案③空氣質量的增加沒有方案④多，且方案③是通過控制進氣壓力來達到目的，故方案③進氣終了后缸內溫度整體比方案④高，達到900K左右，所以燃油蒸發速度更快，燃燒相對較劇烈些，火焰傳播速度較快些，缸內溫度也更高，故方案③較方案④而言，各指標都差一些。

方案⑥減少17%進氣質量，且進氣終了后缸內溫度比其它方案都高，達到1200K左右，導致前期燃油蒸發量大，局部爆燃現象較明顯，空氣利用率較差，所以油耗和熱效率都差。而由于前期燃燒劇烈，更多熱量在上止點附近放出，缸內溫度驟升，導致NO和SOOT排放量較多。

方案⑤減少20%進氣質量，且于進氣終了后缸內壓力和溫度都比比方案⑥較低，所以噴霧前期爆熱現象沒有方案⑥明顯，故此方案各項指標稍好于方案⑥。

4 結論

通過本次計算可以得出如下結論：

1）進氣狀態對發動機燃油經濟性影響明顯， 是未來研究的重要方向；

2）提高進氣質量、降低進氣溫度對油耗和排放的改善效果相當明顯，油耗下降約7%和11%，排放減少約90%，可見增壓、中冷技術將為成節能減排研究中的重要話題；

3）通過各種手段控制燃燒溫度、抑制爆燃可優化燃燒過程，能夠有效減少排放物的生成，是排放研究的重點。