高壓共軌柴油機(jī)混合氣形成及燃燒過程的研究

彭華勇

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，廣東佛山528137）

高壓共軌柴油機(jī)混合氣形成及燃燒過程的研究

彭華勇

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，廣東佛山528137）

柴油機(jī)的碳煙和NOx以及噪聲排放一直制約著柴油機(jī)應(yīng)用，通過商用FIRE軟件建立燃燒室模型，著重對高壓共軌柴油機(jī)混合氣形成及燃燒過程進(jìn)行研究，分析了噴射壓力和匹配噴油器對缸內(nèi)的兩相流特性和燃燒特性的影響，利用高壓共軌柴油機(jī)的直噴式縮口低排放型燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，對混合氣從噴霧參數(shù)和燃燒室匹配問題上進(jìn)行優(yōu)化控制，從而在保證柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，降低碳煙和NOx以及噪聲排放。

共軌；柴油機(jī)；噴射壓力；噴油器

柴油機(jī)的能量釋放和排放物的生成均在混合氣的燃燒過程中產(chǎn)生，整個(gè)燃燒過程的優(yōu)劣決定柴油機(jī)性能的優(yōu)劣。燃燒過程由預(yù)混合燃燒和擴(kuò)散燃燒組成，預(yù)混合燃燒的過程決定了混合氣和噴霧的形成，而后者主要決定缸內(nèi)氣體運(yùn)動狀態(tài)和噴霧質(zhì)量。這說明噴油規(guī)律和噴霧特性及燃燒室匹配問題對燃燒過程也產(chǎn)生很大的影響［1］。在預(yù)混合燃燒過程中，當(dāng)缸內(nèi)進(jìn)氣一樣時(shí)，加大噴射壓力，則柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性能提高，但NOx排放量增多，當(dāng)降低噴射壓力時(shí)，雖然NOx排放量減少，但是柴油機(jī)的動力和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢消失，同時(shí)也不利于擴(kuò)散燃燒，所以優(yōu)化燃料噴射與燃燒室匹配就顯得尤為重要。為了提高擴(kuò)散燃燒過程的性能，現(xiàn)有的諸如推遲噴油時(shí)刻和抑制最高溫度等方法，都是將參與擴(kuò)散燃燒的燃料增多，所以提高燃料的燃燒速率將進(jìn)一步提高柴油機(jī)的性能，因此對噴霧特性與燃燒室的匹配進(jìn)行優(yōu)化，對降低柴油機(jī)的排放量具有重要作用。

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1.1試驗(yàn)用柴油機(jī)的參數(shù)

試驗(yàn)樣機(jī)是國產(chǎn)輕型車用4沖程高速柴油機(jī)，主要參數(shù)如表1所示，該樣機(jī)最大軌壓145 MPa，采用第二代高壓共軌噴射系統(tǒng)。

表1　樣機(jī)參數(shù)

1.2模擬條件與計(jì)算方法

為了使燃燒室左右空氣流集中及更好地配合噴注，將燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在中部設(shè)置凸臺。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　燃燒室結(jié)構(gòu)模型

整個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)的計(jì)算通過FIRE軟件計(jì)算，計(jì)算的初始條件為：燃燒室縮口比為 0.807，徑深比為3.23，進(jìn)氣渦流比SN=1.8，計(jì)算公式如下：

其中：TKE為湍流動能，TLS為湍流長度標(biāo)尺，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)移動邊界為活塞頂，邊界溫度設(shè)為553 K，固定邊界溫度設(shè)為403 K，并將燃燒室劃分成三部分，活塞頂面、氣缸蓋底面和氣缸壁［2］。按照公式利用ALE方法進(jìn)行計(jì)算，ALE是一種對單元容積控制的差分法，計(jì)算時(shí)按劃分的差分網(wǎng)絡(luò)內(nèi)氣流的運(yùn)動場采用拉格朗日方法進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)劃分的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無運(yùn)動場時(shí)則采用歐拉方式進(jìn)行計(jì)算。

2　噴射參數(shù)對混合氣形成及排放的影響

對混合氣體的形成及排放有影響的噴射參數(shù)主要是噴射壓力和噴油定時(shí)，本節(jié)通過兩種方式對這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析［3］。一種是其他參數(shù)不變，改變噴射壓力，研究混合氣的形成及排放情況；另一種是在特定的工況下保持噴射壓力不變，改變噴射定時(shí)，分析對混合氣形成和排放的影響。

2.1噴射壓力對燃燒室內(nèi)兩相流特性的影響

噴射壓力對兩相流特性的影響主要分為對燃燒室內(nèi)的速度場的影響和對燃油相對空氣擴(kuò)散速度的影響。

在分析對速度場的影響中，設(shè)定80 MPa、120 MPa、160 MPa、200 MPa四組不同的噴射壓力，通過模型進(jìn)行試驗(yàn)計(jì)算。伴隨著噴射壓力的增大，缸內(nèi)的最大速度隨之增大，同時(shí)燃料的射程隨著壓力的增大變得更長，等量的燃料被噴完，壓力較大時(shí)所用的時(shí)間較短，并且針對實(shí)驗(yàn)所用的柴油機(jī)，測出在160 MPa與200 MPa時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)燃油以較快速度進(jìn)入底部，與缸內(nèi)的氣體形成對流，促進(jìn)混合氣體充分混合提高，使得燃料充分燃燒，提高了空氣的利用率，據(jù)此可得出，改樣機(jī)的最佳噴射壓力在160 MPa～200 MPa之間。

根據(jù)柴油的難揮發(fā)性和粘性特征，柴油機(jī)的混合氣形成之前需先對柴油進(jìn)行霧化，而柴油的霧化分為空間霧化和油膜蒸發(fā)混合霧化，霧化方式的不同，柴油機(jī)的性能也不同，而霧化的方式取決于噴射的壓力，燃油與空氣的相對速度對混合氣的形成具有關(guān)鍵作用，在分析對燃油相對空氣擴(kuò)散速度的影響中，通過在模型中設(shè)立幾個(gè)采樣點(diǎn)來通過FIRE軟件模擬計(jì)算，得出提高噴射壓力可以促進(jìn)燃油與燃燒室內(nèi)的空氣充分混合，而且隨著壓力的增大，噴住的射程也在增大，這樣就可以使更多的空氣參與混合氣體的形成，促進(jìn)混合氣體的形成，使得燃油燃燒的更加充分。

2.2噴射壓力對燃燒過程的影響

對燃燒過程的影響主要體現(xiàn)在對缸內(nèi)濃度場和溫度場的影響及對NOx排放特性的影響，在不同的壓力下進(jìn)行分析，在壓力比較低的80 MPa時(shí)，燃燒較滯后，隨著壓力變大，燃燒過程加快，且放熱值隨之增高，初期放熱較快，燃燒室溫度較高，溫度高促進(jìn)NOx排放，因此噴射壓力過大會造成NOx產(chǎn)生的較早，持續(xù)的時(shí)間較長，所以壓力過大不是最佳狀態(tài)，針對試驗(yàn)樣機(jī)在120 MPa～160 MPa時(shí)性能最佳。

2.3噴射定時(shí)對混合氣的形成及排放的影響

選擇特定的一個(gè)工況，將樣機(jī)的噴射壓力設(shè)定在160 MPa，通過改變噴油提前角進(jìn)行分析，當(dāng)推遲噴油提前角時(shí)，混合氣體的峰值和混合氣體形成的曲軸后移，這就造成混合氣形成較少，燃燒釋放的熱值相對較小，燃燒溫度隨之下降，從而降低NOx的形成和排放，所以推遲噴射提前角，可以降低燃燒室的溫度，減少NOx的形成，對降低NOx排放起促進(jìn)作用。

3　噴油器結(jié)構(gòu)與縮口燃燒室的匹配

合理優(yōu)化噴油器噴霧特性與缸內(nèi)氣流特性匹配，是除優(yōu)化噴射參數(shù)之外的另一種有效的促進(jìn)混合氣形成和燃燒的方法。為了分析不同結(jié)構(gòu)的噴油器對混合氣形成和燃燒的影響，本節(jié)采用如表2所示的三種結(jié)構(gòu)不同的噴油器。

表2　噴油器參數(shù)

3.1匹配噴油器對缸內(nèi)兩相流特性的影響

研究兩相流特性主要從燃燒室內(nèi)速度場和油滴空間分布入手。對燃燒室內(nèi)的速度場進(jìn)行分析，在孔徑匹配上，當(dāng)噴口直徑減小時(shí)，噴霧的射程降低，參與形成混合氣體的空氣減少，造成混合氣體形成不充分，燃料燃燒率降低，柴油機(jī)的油耗增加，除了孔徑之外，噴孔的數(shù)量對燃燒過程也有很大的影響，噴口數(shù)量少時(shí)，缸內(nèi)的空氣利用率降低，但如果孔數(shù)過多，各個(gè)噴口之間就會相互干擾，會對混合氣的形成產(chǎn)生干擾，因此，噴口數(shù)及孔徑的大小都會對混合氣的形成產(chǎn)生影響［4］。

油滴的空間分布對混合氣的形成及燃燒過程有較大影響，當(dāng)噴孔數(shù)量較少時(shí)，油束之間不會產(chǎn)生干擾，但因油束疊加使燃料濃度增加，因此燃燒不充分，造成排放量增大，但隨著噴孔數(shù)的增加，在缸內(nèi)燃油的空間分布越來越均勻，對于混合氣的形成起到促進(jìn)作用，在油滴的空間分布上，噴孔的數(shù)量和孔徑起到很大的作用。

3.2匹配噴油器對燃燒過程的影響

匹配噴油器對燃燒過程影響主要體現(xiàn)在燃燒室的濃度場和溫度場上，通過在燃燒室內(nèi)選取樣本點(diǎn)進(jìn)行分析，7孔的噴油器形成的油膜相對于5、6孔的噴油器形成的油膜更靠近縮口處且比較薄，由于孔數(shù)增加，噴射的整體速度降低，則霧化更加充分，利于混合氣體的充分形成，使得燃燒更加充分，燃料利用率提高［5］。通過對三個(gè)噴油器的放熱情況進(jìn)行分析，6孔的放熱峰值最大，7孔的放熱較早，溫度上升較快，5孔的峰值最低，由此可見在混合氣形成中7孔的組織最好，可以充分發(fā)揮柴油機(jī)的動力性能和經(jīng)濟(jì)性能，同時(shí)降低排放。

4　結(jié)論

（1）混合氣體的形成主要受噴射系統(tǒng)對燃料的噴霧特性及燃燒室內(nèi)的氣流特性的影響，為了充分發(fā)揮柴油機(jī)的性能優(yōu)勢，合理選擇噴射壓力和噴油定時(shí)是非常必要的。

（2）優(yōu)化噴油器結(jié)構(gòu)與縮口燃燒室的匹配促進(jìn)柴油機(jī)整體性能提升，選擇噴口數(shù)目多，孔徑較小的噴油器，可以使油滴霧化細(xì)膩，促進(jìn)混合氣體形成，使燃燒過程更充分，提高燃燒室內(nèi)的空氣利用率，更好地發(fā)揮柴油機(jī)的動力性能，同時(shí)降低柴油機(jī)的碳煙排放。

［1］袁方恩，林學(xué)東，田維，等.縮口燃燒室中氣流特性與燃油噴霧匹配對柴油機(jī)燃燒及排放的影響［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2011（03）：07-10.

［2］陳超，李浩，鄧成林，等.柴油車排放法規(guī)最新動態(tài)［J］.內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2010（06）：14-16.

［3］林學(xué)東，李德剛，田維.高壓噴射的高速直噴柴油機(jī)混合氣形成及燃燒過程［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2009（06）：23-26.

［4］蘭琳.柴油機(jī)排氣污染及其控制技術(shù)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2008（05）：21-24.

［5］金江善，平濤，凌勵(lì)遜.柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)共軌壓力控制技術(shù)研究［J］.柴油機(jī)，2006（03）：29-31.

Study on the Formation and Combustion of High Pressure Common Rail Diesel Engine

PENG Hua-yong
（Department of Automotive Engineering，F(xiàn)oshan Polytechnic，F(xiàn)oshan528137，China）

Diesel soot，NOxand noise emissions have restricted the diesel engine application，through commercial CFD software FIRE designed a combustion chamber model，emphatically of high-pressure co rail diesel engine mixture formation and combustion process were studied，shrink mouth low emissions combustion chamber structure advantages，the mixed gas from the parameters of the spray and combustion chamber matching problem on the optimization control of the direct injection，injection pressure and matching injector in the cylinder of the two-phase flow and combustion characteristic，using high-pressure co rail diesel machine was analyzed，thus to ensure the diesel engine's power and economy based on，reduce soot and NOxand noise emissions.

common rail；diesel engine；injection pressure；injector

TK421

A文獻(xiàn)標(biāo)識碼：1009-9492（2015）12-0069-03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.019

彭華勇，男，1964年生，廣東佛山人，碩士，高級工程師。研究領(lǐng)域：汽車發(fā)動機(jī)、底盤及新能源。

（編輯：向飛）

2015-06-08