關鍵噴油參數對柴油機性能影響研究

字進遠

摘要：應用AVL的FIRE軟件，以某型高壓共軌柴油機為仿真對象，在不同的噴油正時條件下，對缸內噴霧及燃燒過程進行三維模擬計算，分析這個參數的變化對柴油機溫度場、壓力場、碳煙和氮氧化物濃度分布等的影響。仿真計算結果表明，噴油正時提前，缸內最高壓力、最高燃燒溫度上升，NO排放濃度增加，碳煙排放濃度降低。當噴油正時提前10°CA時，缸內最高壓力增加4.2MPa，最高燃燒溫度上升282.02K，NO排放濃度增加5.43倍，最高碳煙排放濃度降低了1.33倍。

Abstract： Apply AVL FIRE software， choose a type of high pressure common rail diesel engine as the simulation object， under different fuel injection timing conditions， to do three-dimensional simulation of the spray and combustion process in the cylinder， analyze the influence of the change of this parameter on the temperature field， pressure field， soot and nitrogen oxide concentration distribution in diesel engine. The simulation results show the injection time is advanced， the maximum pressure in the cylinder， the highest combustion temperature rise， the NO emission concentration increases， the smoke emission concentration decreases. When the injection timing is advanced 10° CA， the maximum pressure in the cylinder increases by 4.2MPa， the maximum combustion temperature rises by 282.02K， the NO emission concentration increases 5.43 times， the maximum smoke emission concentration decreases by 1.33 times.

關鍵詞：柴油機；高壓共軌；噴油正時；仿真計算；FIRE

Key words： diesel engine；high pressure common rail；fuel injection timing；simulation calculation；FIRE

中圖分類號：TK423 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）16-0124-04

0 引言

近年來，高壓共軌柴油機在我國得到廣泛應用，不僅有噴油正時控制及噴油壓力、噴油量靈活可調等優勢，還能夠實現多次噴射，且在滿足各項基礎功能的前提下，還能夠利用較少的成本同時控制微粒和氮氧化物，實現排放達標[1]。柴油機包含元素眾多，各類元素多多少少都影響著柴油機的性能，其中噴油參數對柴油機的油氣混合和燃燒品質具有直接的影響，應對此予以重視。為此，很多專家學者研究了噴油參數對柴油機的影響，發現噴油參數中噴油正時跟柴油機燃燒進程之間存在直接的聯系，影響著柴油機的燃油經濟性、工作柔和程度及排放。在這種情況下，系統研究噴油正時對高壓共軌柴油機燃燒和排放性能的影響規律很有必要。AVL FIRE軟件的出現為該研究提供了便利，它能夠精確模擬復雜的多維氣體流動現象，有利于研究噴油正時對柴油機各項參數的影響規律，包括溫度場、燃燒壓力場、碳煙和NOx排放濃度場等。

1 計算模型的建立及驗證

1.1 模擬計算條件

本文主要研究了水冷、四沖程、直列四缸、直噴式增壓柴油機，其參數如表1所示。

1.2 幾何模型

利用UG軟件將燃燒室的幾何實體模型建立起來，并將其導入到AVL-FIRE軟件內。由于應用軟件自帶Fame Meshing功能，能夠自動劃分燃燒室網格，從而形成體網格。之后利用Fame Engine生成動網格，并采用網格工具將其更加合理性，處理后的活塞表面結構網格如圖1所示。

1.3 計算模型的選取

實際上對發動機缸內進行多維數值模擬的過程就是對可壓縮粘性流體的Navies-Stokes方程進行數值求解的過程[7]。該過程遵循多個方程，包括理想氣體狀態方程、質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程[8]。選取Kinetic Model模型作為Soot排放模型；選取Extended Zeldovich模型作為NOX排放模型；選取ECFM 3Z-Coherent Flame Model模型作為燃燒模型；選取WAVE模型作為油滴破碎模型；選取Dukowicz模型作為蒸發模型；選取Schmidt模型作為粒子相互作用模型；選取k-zeta-f模型作為湍流模型。

1.4 初始條件及邊界

1.4.1 初始條件

為使求解過程收斂，計算結果準確，應對初始條件進行合理的設定。在FIRE軟件中，發動機缸內的燃燒過程計算是以曲軸轉角為步長進行計算的，為研究缸內燃燒和排放情況，選擇計算起始角為584°CA（進氣門關），關閉角為860°CA（排氣門開）。根據湍動能（TKE）和湍流長度尺度（TLS）計算公式[9]，可確定進氣門關閉時，燃燒室內TKE=22.2338m^2/s^2，TLS=4.827mm。

1.4.2 邊界條件

邊界條件分為溫度邊界條件和速度邊界條件。溫度邊界條件采用恒溫邊界，缸蓋底面溫度為544K，活塞頂面溫度為558K，氣缸壁面溫度為482K。速度邊界條件設定[10]：氣缸壁面為靜止壁面，活塞頂面速度為活塞的運動速度。

1.5 模型驗證

本文對比分析了轉矩為200N·m，轉速為2200r/min工況下的模擬數據和測量數據，結果如圖2所示，以此來驗證仿真模型是否可行。分析圖2可知，測量壓力曲線和模擬壓力曲線幾乎一致，雖然兩者之間存在一定程度上的誤差，但是誤差都小于5%，屬于合理的范圍，能夠滿足模擬計算的要求。由此可得出如下結論：該型柴油機的實際燃燒過程能夠由此計算模型反映出來，通過對該模型進行計算能夠獲取柴油機實際燃燒過程的一些參數，有利于對其燃燒過程和排放影響的研究。

2 計算結果及分析

在建立模型和設定邊界條件的基礎上，把噴油正時分別設定為：11°BTDC、9°BTDC、7°BTDC、5°BTDC、3°BTDC、1°BTDC（活塞上止點為720°CA），然后對模型逐一計算。

2.1 噴油正時對缸內平均壓力及壓力場的影響

由圖3可知，噴油正時提前氣缸內最大爆發壓力Pmax就會越大，噴油正時提前11°CA，最高壓力增加了4.2MPa。這是因為噴油提前角增加，滯燃期會變長，在滯燃期進入燃燒室的燃料就會增多，在著火前形成的可燃混合氣就增多。噴油正時為11°BTDC，9°BTDC，7°BTDC時，壓力曲線最高點附近無明顯的第二個波峰，而噴油正時為5°BTDC，3°BTDC，1°BTDC時，出現了較為明顯的壓力波動變化，這說明隨著噴油的滯后，燃油蒸發過程會明顯降低缸內溫度，影響缸內壓力變化。

壓力場受不同噴油正時下部分轉角的影響，為了解其影響規律，對其進行了必要分析，發現在噴油后5°CA～30°CA范圍內壓力場的變化最為明顯。壓力場隨著噴油正時下部分轉角的不同而表現出明顯的不同，當噴油正時是7°BTDC，11°BTDC時，其壓力場較高，而當噴油正時是3°BTDC ，5°BTDC時，其壓力場較低，且兩種情況之間存在明顯的區別，然而當噴油后5°CA～10°CA范圍內，后兩者的壓力場反而比前兩者的壓力場稍高，壓力上升趨勢明顯。另外，若噴油正時提前會對壓力場造成直接的影響，且影響較大。

由此可知，在忽略滯燃期因素的前提下，通過適當地提前噴油正時能夠一定程度上改善燃燒過程。但需要注意的是噴油提前角既不能過大，也不能過小，因為過大或者過小都不利于燃燒過程，具體來說：若噴油提前角過小，那么無法確保燃料的充分燃燒，還會增大缸內壓力波動，提高各部件之間受到的沖擊性動力載荷，客觀上增加了燃燒噪聲；若噴油提前角過大，那么在滯燃期內燃油有了充分的時間和空間準備，一旦開始燃燒局部壓力會在短時間內快速升高，如此其沖擊破勢必很大，燃燒噪聲也由此增大[11]。

2.2 噴油正時對缸內平均溫度及溫度場的影響

分析圖4發現，氣缸內最高燃燒溫度Tmax會隨著噴油正時提前而逐漸變大，究其原因發現若噴油提高，那么在著火前氣缸內形成的可燃混合氣就會增多，此時一旦開始燃燒，由于燃料已經和空氣進行了充分接觸，且存儲量更大，客觀上整個燃燒過程累計放熱量一定會得到提高。由此可知，利用推遲噴油正時，能夠達到減低燃燒溫度的目的，而減低燃燒溫度能夠有效改善柴油發動機的NOx排放。

分析表3可知，溫度場分布受到不同噴油正時條件下部分曲軸轉角的影響，且影響程度較大，比較分析噴油正時為11°BTDC，3°BTDC時其溫度場分布發現，噴油提前會提高氣缸最高燃燒溫度，溫度場變化從噴油后10°CA～30°CA范圍內最為明顯，溫度場隨著噴油正時下部分曲軸轉角的不同而表現出明顯的不同，當噴油正時是7°BTDC，11°BTDC時，其溫度差出現波動較大，而當噴油正時是3°BTDC，5°BTDC時，其溫度差出現波動較小，且兩種情況之間存在明顯的區別。發動機的排放特性和燃燒溫度的高低之間有著直接的關系，燃燒溫度越低，NOx排放越少，因此，為了減少NOx排放，在滿足發動機基礎功能的前提下，應盡量降低燃燒溫度。

2.3 噴油正時對NO排放的影響及NO濃度場分布

隨著滯燃期的延長，若噴油正時提前，那么氣缸內可燃混合氣就會大大增加，此時一旦開始燃燒，燃燒過程將其噴油正時更加充分，導致缸內最高溫度增加，再加上燃料的增加，延長了燃燒時間，使得NO排放增加。由此可知，NO排放量會受到噴油正時提前的影響，此影響表現為噴油正時提前，最高燃燒溫度較高，NO排放量較大，而噴油正時推遲，最高燃燒溫度較低，同時也大大降低了NO排放，因此推遲噴油可有效地降低NO排放。

分析表4不難發現，NO濃度場分布受到不同噴油正時條件的影響，此影響表現為噴油提前會導致缸內NO濃度提高。另外，NO在燃燒室內的分布并不均勻，多集中在某個局部。NO濃度場分布隨著不同噴油正時條件的變化而表現出明顯的不同，當噴油正時是7°BTDC，11°BTDC時，其NO分布區域較大且均勻，而當噴油正時是3°BTDC ，5°BTDC時，其NO分布范圍較窄，基本比較集中，且兩種情況之間存在明顯的區別。但觀察發現在兩種不同的情況下，NO的分布位置存在明顯變化，當噴油正時為前兩者時，其分布位置是燃燒室內接近氣缸壁的地方，而到噴油正時為后兩者時，其分布位置是燃燒室內凹坑上方，這意味著NO會隨著噴油的滯后而滯后。由此可知，NO的排放濃度增加跟燃燒室內溫度或火焰溫度之間有著直接的關系，要想降低NO排放濃度，必須采取降低燃燒室內溫度或火焰溫度措施，而要想達到降低燃燒室內溫度或火焰溫度目的，推遲噴油是最直接有效的措施。因此，推遲噴油是降低柴油機NO排放最有效的方法，且簡單易操作。

2.4 噴油正時對碳煙排放的影響

因為柴油機混合氣成分不均勻，所以難免會生成碳煙。由表5可知，噴油正時為11°BTDC，7°BTDC時，碳煙濃度要比噴油正時為5°BTDC，3°BTDC的要低一些。

3 結論

①噴油正時提前氣缸內最大爆發壓力Pmax升高，噴油正時提前11°CA，最高壓力增加了4.2MPa。

②噴油正時提前氣缸內最高燃燒溫度Tmax增加，將噴油正時提前11°CA，缸內最高溫度增加282.02K。較小的噴油提前角，會使缸內溫度場分布不均勻，但可降低燃燒溫度利于柴油發動機NOx排放的改善。

③噴油正時提前，造成最高NO濃度隨著噴油提前10°CA而增加了5.43倍，同時使得燃燒室內NO分布極不平衡。噴油正時提前會使碳煙濃度降低，將噴油提前11°CA，碳煙最高濃度降低了1.33倍。

參考文獻：

[1]J. Galindo，，J.M. Luja'n，，J.R. Serrano，，V. Dolz，，S. Guilain.Description of a heat transfer model suitable to calculate transient processes of turbocharged diesel engines with one-dimensional gas-dynamic codes. Applied Thermal Engineering. 2006.

[2]劉琦，歐陽光耀，楊昆，常遠.可調靴形噴油規律的燃燒排放性能仿真研究[J].中南大學學報（自然科學版），2016（02）.

[3]Tim L.The Influence of Variable valve actuation on the part load fuel economy of a modern light-duty diesel engine. SAE paper2003-01-0028. 2003.

[4]吳亞蘭，蘭欣，唐娟.一種新型柴油機噴油規律測試系統的實驗研究[J].小型內燃機與摩托車，2008（02）.

[5]Noguchi Noboru，Terao Hideo，Sakata Chikanori et al. Performance improvement by control of flow rates and diesel injection timing on dual-fuel engine with ethanol [J]. Bioresource Technology，1996，56（1）：35-39.

[6]Avinash Kumar Agarwal，Dhananjay Kumar Srivastava，Atul Dhar et al. Effect of fuel injection timing and pressure on combustion， emissions and performance characteristics of a single cylinder diesel engine [J]. Fuel，2013，111：374-383.

[7]楊光，楊振中.基于AVL-FIRE的氫發動機燃燒過程分析[J].機械設計與制造，2013（4）：90-93.

[8]吳健，王明遠，馬志豪，等.噴油器參數對柴油機混合氣形成和燃燒的影響——基于FIRE三維數值模擬[J].農機化研究，2010（12）：202-205.

[9]CFD Solver，FIRE Version 8.3.

[10]周斌.基于FIRE的柴油機燃燒過程的CFD研究[J].柴油機設計與制造，2011（4）：6-11.

[11]陳南.汽車振動與噪聲控制[M].北京：人民交通出版社，2005.

[12]石秀勇.噴油規律對柴油機性能與排放的影響[D].山東：山東大學，2007.

[13]Benajes J，Pastor J V，Payri Ret al.Analysis of the influenceof diesel nozzle geometry in the injection rate characteristic. Journal of Fluid Mechanics. 2004.