燃油噴射對(duì)柴油機(jī)燃燒及排放的影響

王巨如，朱 鈺，程 濤

(集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361000)

燃油噴射對(duì)柴油機(jī)燃燒及排放的影響

王巨如，朱 鈺，程 濤

(集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361000)

針對(duì)4190柴油機(jī)燃油系統(tǒng)電控化改造項(xiàng)目，應(yīng)用AVL _FIRE三維CFD軟件平臺(tái)，建立該機(jī)缸內(nèi)高壓循環(huán)仿真模型，通過臺(tái)架試驗(yàn)獲得缸壓曲線驗(yàn)證仿真計(jì)算的正確性。借助模型研究燃油噴射系統(tǒng)參數(shù)對(duì)燃燒、NOX和碳煙顆粒生成等的影響。結(jié)果表明：隨著噴孔錐角的增大，缸內(nèi)最大溫度與壓力逐漸增大， 采用小噴孔錐角時(shí)，NOx排放濃度低，但碳煙排放濃度較高；噴油器噴孔直徑增大，缸內(nèi)壓力與溫度逐漸增大，采用0.30 mm噴孔直徑時(shí)，NOx和碳煙的排放濃度均較低；噴油提前角增加導(dǎo)致缸內(nèi)溫度增大，NOx排放濃度增加，碳煙排放濃度降低。

柴油機(jī)；噴孔錐角；噴孔直徑；噴油提前角；排放

0 引 言

燃油噴射直接影響柴油機(jī)的燃燒和排放[1]。但噴霧、燃燒非常復(fù)雜，目前仍有許多問題有待解決。川上雅由等[2]利用實(shí)驗(yàn)和仿真方法研究了噴孔錐角、噴孔直徑等對(duì)中速機(jī)燃油消耗率和煙度的影響；Tateo Nagai等[3]研究了噴油定時(shí)、噴油速率等對(duì)中速柴油機(jī)NOx排放的影響；宋振寰等[4]通過研究發(fā)現(xiàn)：為降低NOx排放，燃用輕柴油應(yīng)推遲噴油，燃用重油時(shí)可摻入一定比例的水；Yoichi Niki等[5]研究了中速機(jī)的SCR系統(tǒng)有效降低NOx排放量，采用高的噴射壓力、共軌燃油系統(tǒng)和空氣/燃油比控制；王洪峰等[6]利用AVL仿真軟件研究了中速機(jī)的傳統(tǒng)機(jī)械泵改為電控單體泵后，通過選擇更大噴孔直徑，靈活修改噴油提前角等降低NOx的排放。

1 研究對(duì)象及研究方案

本文研究對(duì)象為4190ZLC型中速?gòu)U氣渦輪增壓式柴油機(jī)，主要參數(shù)見表1。

表1 4190ZLC型柴油機(jī)主要參數(shù)Tab.1 The main parameters of 4190ZLC diesel engine

采用三維動(dòng)態(tài)仿真方法，先在CAD軟件中建立4190ZLC型柴油機(jī)的燃燒室模型，之后導(dǎo)入到AVL_FIRE軟件，在ESE模塊中進(jìn)行三維網(wǎng)格的劃分和動(dòng)網(wǎng)格生成。

由于燃燒室為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為減少計(jì)算時(shí)間，仿真計(jì)算區(qū)域僅選取燃燒室的1/8，圖1為活塞處于上止點(diǎn)時(shí)刻網(wǎng)格，仿真計(jì)算從進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻(127°BTDC)，到排氣門打開時(shí)刻(121°ATDC)止，計(jì)算始點(diǎn)缸內(nèi)狀態(tài)由AVL_BOOST仿真模型計(jì)算得到，仿真模型如圖2所示，進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻的缸內(nèi)邊界條件如表2所示。

圖1 燃燒室網(wǎng)格模型Fig.1 Grid model of combustion chamber

圖2 4190ZLC型柴油機(jī)BOOST整機(jī)模型Fig.2 The machine model of 4190ZLC diesel engine in boost

缸內(nèi)初始?xì)怏w溫度/K335.15空燃比29.4初始進(jìn)氣壓力/Pa193000進(jìn)氣渦流比0.863

原機(jī)型噴孔直徑為0.35 mm，噴孔錐角為150°，噴油提前角為18.6°CA BTDC，由此提出以下3組參數(shù)進(jìn)行仿真分析：1)噴孔錐角分別為140°，150°，160°；2)噴孔直徑分別為0.26 mm，0.28 mm，0.30 mm；3)噴油提前角分別為23.6°CA BTDC，18.6°CA BTDC，13.6°CA BTDC。通過仿真對(duì)燃燒及排放進(jìn)行分析，為4190柴油機(jī)電控化改造指明改進(jìn)方向。

2 計(jì)算仿真與驗(yàn)證

內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的流動(dòng)及噴霧燃燒過程十分復(fù)雜，仿真計(jì)算需要選擇最符合本機(jī)實(shí)際的物理-數(shù)學(xué)模型。在本研究中，缸內(nèi)流動(dòng)采用K-zeta-f四方程湍流模型，比常用的κ-ε雙方程湍流模型提高了計(jì)算精度和穩(wěn)定性，但會(huì)增加計(jì)算時(shí)間；燃油噴霧采用基于離散液滴模型(DDM)的LAGRANGIAN多相噴霧模塊，其中液滴破碎子模型采用標(biāo)準(zhǔn)WAVE模型，該模型認(rèn)為液體表面的初始擾動(dòng)和液滴表面的波長(zhǎng)、噴入的燃油的品質(zhì)和計(jì)算域流體的物理和動(dòng)態(tài)參數(shù)有關(guān)；燃油蒸發(fā)子模型采用Dukowicz模型，該模型認(rèn)為傳熱和傳質(zhì)是完全相似的過程；噴霧與壁面交互子模型采用適用于熱壁面的Walljet1模型；燃燒模型采用三區(qū)擴(kuò)展相關(guān)火焰模型。

示功圖比較是模型驗(yàn)證的常用方法，圖3顯示了額定工況下仿真與實(shí)驗(yàn)缸壓數(shù)據(jù)的對(duì)比，最大誤差小于3%，說(shuō)明該仿真模型準(zhǔn)確，可用于下一步研究。

圖3 仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)所得缸壓曲線比較Fig.3 The comparison chart of the cylinder pressure curve between the simulation calculation and experiment

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 噴孔錐角對(duì)燃燒及排放的影響

噴孔錐角是影響噴油器噴霧的一個(gè)重要參數(shù)，直接決定燃油噴霧在燃燒室內(nèi)的分布，從而影響油氣混合，進(jìn)而影響燃燒過程、NOx和碳煙顆粒的排放。本文針對(duì)8×0.26 mm噴油嘴，噴油提前角為18.6°CA BTDC,選擇3組噴孔錐角。仿真計(jì)算得到缸內(nèi)壓力和溫度曲線如圖4所示。

圖4 不同噴孔錐角對(duì)缸內(nèi)壓力、溫度的影響Fig.4 The influence of different nozzle hole cone angle on the pressure and temperature in cylinder

由圖4可看出，隨著噴孔錐角從140°增加到160°， 缸內(nèi)壓力峰值從95.42 bar增加到了98.2 bar，同時(shí)缸內(nèi)溫度峰值也從1 672.88 K增加到1 706.51 K。由此可見隨著噴孔錐角增大，缸內(nèi)溫度和壓力均增大。

圖5顯示不同噴孔錐角，活塞分別處于上止點(diǎn)前10°、上止點(diǎn)和上止點(diǎn)后10°位置，缸內(nèi)燃油分布的

情況。噴孔錐角為140°時(shí)，初期油束短而寬，說(shuō)明缸內(nèi)氣流的影響較大，燃油與空氣混合較好，滯燃期短，缸內(nèi)壓力與溫度水平均較低，但在噴油中后期，油霧聚集在燃燒室凹坑內(nèi)，與空氣混合較差，是產(chǎn)生高碳煙排放的主要原因；隨著噴孔錐角的增加，初期油束長(zhǎng)而窄，與空氣混合不佳，滯燃期長(zhǎng)，缸內(nèi)壓力與溫度水平上升，燃油蒸汽逐漸由燃燒室凹坑向喉口移動(dòng)，更多的燃油蒸汽進(jìn)入活塞頂與缸蓋之間的間隙中，這個(gè)區(qū)域溫度較低，不利于燃燒；由圖6可見：噴孔錐角為150°，其NOx和碳煙的排放卻最高。原因是160°噴孔錐角時(shí)油霧分布更集中，空氣溫度低，即使缸內(nèi)溫度較高，形成的NOx也相對(duì)較少，碳煙的排放量大是因?yàn)閲娍族F角為150°時(shí)聚集在燃燒室內(nèi)和進(jìn)入到活塞頂?shù)挠挽F蒸汽量較多造成的。由此可見：若要同時(shí)減少NOx和碳煙的排放，或者采用140°的噴孔錐角，但要修改燃燒室形狀，加強(qiáng)凹坑壁面的氣流擾動(dòng)，改善油氣混合；或者采用160°的噴孔錐角，但需加強(qiáng)燃燒室中央的氣流擾動(dòng)或提高噴油壓力，縮短滯燃期，降低NOx的排放量。

3.2 噴孔直徑對(duì)燃燒及排放的影響

噴孔直徑的大小直接影響到燃油的霧化，噴孔直徑減小，燃油霧化的細(xì)度和分布均勻性得到提高，較大噴孔使油束貫穿距增大，噴霧錐角減小。

改為電控燃油系統(tǒng)后，4190柴油機(jī)采用的噴油

圖6 不同噴孔錐角NOx與碳煙排放結(jié)果比較Fig.6 The comparison of emission results between NOx and soot in different nozzle hole cone angle

孔直徑應(yīng)適當(dāng)減小，以適應(yīng)燃油噴射壓力的提高，本文選擇0.26 mm，0.28 mm和0.30 mm3組噴孔直徑，再進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真采用的噴油規(guī)律來(lái)自于噴油泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖7為額定工況下的缸內(nèi)壓力、溫度、油滴的索特平均直徑、油滴貫穿距離及NOx和碳煙排放濃度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況。

由圖7可見：隨著噴孔直徑的增大，缸內(nèi)最大壓力和溫度上升，壓力峰值對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角逐漸減小，最大與最小壓力和溫度峰值分別相差3.2 bar和17 K。其主要原因是大噴孔直徑的噴油速率大，噴油持續(xù)期短，后燃期較短，但前期噴入的燃油量較多，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度與壓力峰值增大，為NOx的生成提供了條件。

研究柴油機(jī)的燃油噴霧霧化質(zhì)量時(shí)，通常分析索特平均直徑，一般認(rèn)為索特平均直徑越小，油氣混合質(zhì)量越好。圖7(c)顯示：噴油初始階段，隨著噴孔直徑的增大，初始油滴的索特平均直徑增大，表明油氣混合質(zhì)量變差，但隨著燃燒的進(jìn)行，缸內(nèi)溫度的劇烈升高，燃油液滴直徑均大幅降低；噴孔直徑小時(shí)，噴油持續(xù)期延長(zhǎng)，故采用0.26 mm直徑的噴孔時(shí)，上止點(diǎn)后80°仍有液態(tài)燃油存在，后燃嚴(yán)重，這可以解釋0.26 mm噴孔時(shí)，碳煙生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在燃燒后期仍維持較高水平的現(xiàn)象。

3.3 噴油提前角對(duì)燃燒特性的影響

噴油提前角對(duì)柴油機(jī)燃燒過程與性能以及排放有重要影響，因?yàn)槿加蛧娙霘飧讜r(shí)刻不同，缸內(nèi)溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)也不同，進(jìn)而對(duì)燃油的霧化質(zhì)量及燃燒產(chǎn)生很大的影響?？紤]原機(jī)的噴油提前角為18.6°BTDC，以及噴油規(guī)律，本文仿真分析3種噴油提前角：23.6°BTDC，18.6°BTDC和13.6°BTDC。圖8為仿真缸內(nèi)平均壓力和溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。可知：隨著噴油提前角的增大，缸內(nèi)最大壓力由90.24 bar增加到117.79 bar，最大溫度由1 857 K增加到1 980 K；同時(shí)，缸內(nèi)壓力升高率和溫度升高率增加，造成柴油機(jī)工作粗暴、噪聲大。

圖7 不同噴孔直徑對(duì)缸內(nèi)燃燒及排放的影響Fig.7 The influence of different nozzle diameter on combustion and emission in cylinder

圖8 不同噴油提前角對(duì)缸內(nèi)壓力溫度的影響Fig.8 The influence of different fuel injection advance degree on the pressure and temperature in cylinder

滯燃期對(duì)整個(gè)燃燒過程、柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性有直接影響，是控制整個(gè)燃燒過程和改善燃燒過程的關(guān)鍵因素。滯燃期的定義為從噴油時(shí)刻到開始著火時(shí)刻的曲軸轉(zhuǎn)角，著火時(shí)刻可以通過分析缸內(nèi)溫度的變化來(lái)判定，若在某一時(shí)刻缸內(nèi)溫度突增，則認(rèn)為這一時(shí)刻著火開始。3種不同噴油提前角下燃燒始點(diǎn)及滯燃期如表3所示。

表3 不同噴油提前角對(duì)滯燃期影響Tab.3 The influence of different fuel injection advance degree on the ignition delay

由表3可見，滯燃期隨著噴油提前角的增大而增長(zhǎng)，在滯燃期內(nèi)噴入缸內(nèi)的燃油量必然增加，著火前燃油所經(jīng)歷的物理-化學(xué)準(zhǔn)備時(shí)間愈長(zhǎng)，以致氣缸內(nèi)準(zhǔn)備好燃燒的燃油量增加，使壓力和溫度的上升速率增加，缸內(nèi)的溫度和壓力水平也增加。

由圖9可見，隨著噴油提前角的增大，NOx生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，其原因就是噴油提前角大時(shí)，滯燃期長(zhǎng)，缸內(nèi)的溫度水平高。與碳煙生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與NOx的生成正好相反，噴油提前角增大時(shí)，碳煙生成量下降，與缸內(nèi)溫度水平直接相關(guān)。

圖9 不同噴油提前角NOx及碳煙排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.9 The mass fraction of NOx and soot in different fuel injection advance degree

3.4 仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比分析

圖10和圖11為該機(jī)在額定工況不同噴油正時(shí)下，試驗(yàn)測(cè)得缸內(nèi)壓力和氮氧化物排放。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：隨著噴油提前角的增大，缸內(nèi)最大壓力逐漸升高，NOx的排放量增加，和CFD仿真的結(jié)果吻合。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：隨著噴油正時(shí)的提前，爆壓逐漸增加，氮氧化物的排放逐漸增加。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果趨勢(shì)吻合良好。

圖10 不同噴油正時(shí)試驗(yàn)缸壓Fig.10 The test cylinder pressure of different injection timing

圖11 不同噴油正時(shí)NOx排放試驗(yàn)值Fig.11 The emission test value of NOx in different injection timing

4 結(jié) 語(yǔ)

本文借助AVL_FIRE仿真軟件對(duì)4190ZLC型柴油機(jī)進(jìn)行了仿真模擬計(jì)算，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能較好的吻合，驗(yàn)證模型的正確性。

利用模型研究該型柴油機(jī)噴射系統(tǒng)參數(shù)改變對(duì)其燃燒及排放的影響，得出以下結(jié)論：

1)噴孔錐角對(duì)柴油機(jī)的排放有顯著影響，直接影響油束與空氣的混合。采用140°的噴孔錐角時(shí)，可以得到最少的NOx排放，但碳煙排放較高，故需進(jìn)一步采取措施改善油汽混合；

2)其他條件不變的情況下，減小噴孔直徑可以使噴霧細(xì)化，使燃油與空氣均勻的混合，但噴孔直徑小時(shí)，噴油持續(xù)期會(huì)增加，使燃油在速燃期燃燒的比重降低。0.26 mm噴孔直徑的碳煙排放惡化，0.28 mm噴孔直徑的NOx生成量最高；

3)噴油提前角對(duì)柴油機(jī)排放也有很大的影響，噴油提前角增大，滯燃期增長(zhǎng)，滯燃期內(nèi)噴入的燃油量占循環(huán)噴油量的比重增加，速燃期內(nèi)的缸內(nèi)壓力和溫度的升高率增加，整體缸內(nèi)的壓力和溫度水平也增加，導(dǎo)致NOx的排放惡化，但降低了碳煙顆粒的排放。

[1] 黃少竹.船舶柴油機(jī)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2006：155-156.

[2] 川上雅由,于世元.中速機(jī)燃燒性能影響因素研究[J].China Academic Journal Electronic Publishing House,1985.

[3] NAGAI T,KAWAKAMI M.Reduction of NOx emission from medium speed diesel engines[J]. Bulletin of the M.E.S.J.,19(1).

[4] 宋振寰,霍恒昌,D·斯蒂芬.燃油性質(zhì)對(duì)船用中速柴油機(jī)排放的影響[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2001(5).

[5] NIKI Y,HIRATA K,等.SCR system for NOx reduction of medium speed marine diesel engine[J].CIMAC Congress,2010.

[6] 王洪鋒,徐建新,王新權(quán)，等.船用中速柴油機(jī)NOx排放性能優(yōu)化研究[J].船舶工程,2010(1):20-25.

Research on the impact of fuel injection on diesel engine combustion and emissions

WANG Ju-ru，ZHU Yu，CHENG Tao

(Marine Engineering Institute of Jimei University，Xiamen 361000,China)

For the project of realizing the electronic control of fuel injection system for 4190 marine diesel engine, the simulation model for diesel combustion was set up on the software platform of AVL_FIRE which was verified by experimental data, by using the stimulation model, this paper has analyzed the effects on the NOx and SOOT emission concentrations of the parameters of the fuel injection system. The results show that: along with nozzle hole cone angle increases, the maximum temperature and pressure in cylinder increase, A small cone angle nozzle, NOx emission concentration is low, but higher concentrations of soot emissions; injector nozzle diameter increases, the cylinder pressure and temperature increases, the use of 0.30mm diameter orifice, NOx and carbon smoke emission concentrations were lower.

diesel engine；nozzle hole cone angle；nozzle hole diameter；fuel injection advance degree；emission

2013-10-24;

2014-01-10

王巨如(1986-)，男，碩士研究生，從事進(jìn)氣、燃燒、排放優(yōu)化等方面的研究。

TK423

A

1672-7649(2014)11-0070-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.11.014