多次噴射對柴油機雙ω燃燒系統性能影響的模擬研究

崔柳正 朱濤 陳明山

【摘 要】柴油機的燃燒室形狀、混合氣的形成、燃燒過程和噴射次數，對其動力性、經濟性以及排放污染物的生成具有重要的影響。本文選用ZS1100M型柴油機，設計了一種雙ω型燃燒室，采用多次噴射策略，利用AVL FIRE軟件對燃燒過程進行了模擬計算，對比分析計算結果。研究表明，較大的后噴量可以降低燃燒過程峰值溫度，有效降低NO的排放。在多組實驗中，其中主噴-后噴策略，且后噴量為6mg的策略，可以改善燃燒，有利于油氣的混合，也有利于減少SOOT和NO的排放，使NO和SOOT有一個較好的折中值。

【關鍵詞】多次噴射；雙ω燃燒室；數值模擬

一、研究內容

多次噴射是一種降低柴油機排放中的NOX，PM和噪聲的有效策略。多次噴射策略可以很好地提高柴油機可燃混合氣的質量，優化燃燒過程，進而提高柴油機的動力性，減少成本，還能降低污染物的排放。除了噴射策略外，燃燒室形狀也影響著缸內混合氣的形成，并進一步影響著燃燒的整個過程。因此可以通過燃燒室形狀來改善混合氣的形成和優化燃燒過程。

為解決混合氣不均勻的狀況，本研究提出一種雙ω型燃燒室，配合多次噴射的噴射方式[1]。雙ω燃燒室能夠改善柴油機噴霧空間分布，提高缸內混合氣形成質量。采用多次噴射方式，通過改變預噴量和后噴量，進行多次模擬計算，并分析實驗數據，使NO和SOOT排放有一個較好的折中值。

二、物理化學模型設置

三、模型的建立

（一）研究對象及模型

本文以ZS1100M柴油機為依據，建立雙ω型燃燒室模型。

（二）燃燒室模型的建立

本文計算的燃燒室為新設計的直噴雙ω型燃燒室。首先，利用Solidworks三維制圖軟件，繪制雙ω型燃燒室模型。然后導入AVL FIRE中的ESE-Diesel模塊，進行劃分網格，物理建模等[2]。圖3.1為燃燒室結構簡圖。紅色線為噴油角度[3]。

因為設置的噴油器是垂直中置的，是中心對稱模型。ZS1100M型柴油機設置的是四個噴孔，因此簡化計算，選擇一個噴孔所在的扇形區域即1/4的燃燒室對噴霧和燃燒進行模擬計算。圖3.2即為1/4的燃燒室的網格劃分。

（三）初始條件和邊界條件確定

在Fire ESE模塊中，默認燃燒上止點為720°CA（在之后繪圖時，采用origin8畫圖，將燃燒上止點移到0°CA），在本次研究中，計算區間選擇560°CA至850°CA（畫圖及之后提及區間為-160°CA至130°CA）。開始計算時，取缸內的初始氣體處于均勻分布，并且有相同的溫度和壓力。初始參數表詳見表3.2。

（四）計算模型驗證

利用AVL FIRE對設計的雙ω型燃燒室進行單次噴射模擬研究。將計算得到的模擬缸壓曲線與原機的實驗缸壓曲線進行對比，圖3.3即為對比結果。兩者缸壓曲線基本一致，模擬值在峰值略微高于實驗值，誤差很小。所以，雙ω燃燒室模型比較準確，可用于模擬計算。

四、多次噴射對雙ω燃燒室的數值模擬

結合實際情況與數值模擬得出的結論，優化缸內的燃油燃燒，提出5種不同的預噴——主噴——后噴方案。保證每循環供油量不變（每循環噴油量為45.3mg），使預噴與后噴燃油量總和不變為6mg，改變預噴與后噴的燃油質量。對這五種多次策略進行數值模擬研究，并與單次噴射結合比較，分析優劣。噴射策略如下表4.1。

在本次多次噴射策略中，通過控制主噴射量，保證主噴量和后噴量總量控制在6mg。在缸內壓力圖4.1和缸內溫度圖4.2中，可以看到，采用預噴射，使缸內的壓力和溫度變化更加平滑，其中，溫度曲線和壓力曲線最平滑的是multiple1-3。采用多次噴射，降低了主噴量，使缸內峰值壓力和峰值溫度都降低了一些。由于multiple1-1只采用了主噴和后噴策略，缸內壓力和缸內溫度都有突變，燃燒劇烈。NO生成圖4.3顯示，multiple1-1生成量最低，而在圖4.4中，SOOT生成量在這六組數據中不是很高。最高缸內壓力大概在7.2MPa，最高溫度約為1540K。在本次研究中，采用multiple1-1即主噴-后噴策略對NO和SOOT排放控制更好。

五、數值模擬結果分析

（一）切片位置選擇及彩色云圖

FIRE軟件中，manager模塊可以提供三維彩色云圖。三維彩色云圖可以更形象地展現燃燒的整個過程，我們可以對燃燒過程有一個具體的認識。接下來，選擇single、multiple1-1和multiple1三種多次噴射次略，從燃燒室的溫度場、燃空當量比以及NO、SOOT濃度場來分析比較柴油機氣缸內部的燃燒過程。

（二）彩色云圖分析

multiple1采取預噴-主噴-后噴相結合的策略且預噴量和后噴量均為3mg；single采用的是單次噴射策略；multiple1-1采用的是主噴-后噴策略，且后噴量為6mg，占總噴油量的13.2%。

（1）燃空當量比分析：在圖5.2中，由于預噴時間是曲軸轉角的-20°CA至-16°CA，只有采用預噴的multiple1出現了油束。因為主噴時間是曲軸轉角的-8°CA至12°CA，在-5°CA時，都看到了油束，單次噴射因為沒有預噴和后噴，在相同噴射時間內噴射更多的燃油量，當量比其他兩組大大。由0°CA的當量比分布可知，受缸內氣體流動的影響，原先的燃油蒸汽已經擴散分散，逐漸散布在燃燒室中，霧化的燃油蒸汽貼著氣缸壁面。由5°CA及15°CA當量比分布云圖顯示，燃油蒸汽向周圍繼續擴散，一部分向上擴散進入余隙容積部分，當量比最高的地方集中在間隙處。由25°CA的當量比分布云圖可知，由于multiple1有后噴，油束剛剛噴完，當量比仍然挺高的，multiple1-1的后噴量比multiple1高，所以當量比也比multiple1高。

（2）燃燒時溫度場分析：由溫度場分布圖5.3可知，油束的顏色較深，顯然溫度是低于缸內溫度的，因為燃油中夾雜著空氣，并且在蒸發的過程中，吸收周圍的熱量。最先噴射的油開始蒸發，并與缸內的空氣混合，形成可燃混合氣。相比較而言，單次噴射single油束霧化較好，溫度較高。而multiple1和multiple1-1溫度在5°CA至25°CA相差不多。

（3）NO濃度場分析：觀察NO濃度場圖5.4，并結合燃空當量比分布圖5.2和溫度場分布圖5.3，可以看出，NO的主要生成于高溫富氧的區域。因為single的溫度較高，從5°CA到25°CA屬于擴散燃燒，油氣的當量比極不均勻，有利于形成高溫富氧的環境，導致NO的生成量增加。從圖中可以看出，在凸脊處NO生成量較多，從5°CA開始，NO生成的起點，隨著曲軸轉角的變化，NO生成逐步擴散開來。multiple1和multiple-1在溫度分布相差不多，在NO排放上也相差不多，不過，還是multiple1-1的生成量少些。綜合溫度場分布圖和NO生成量分布圖，可知NO大多生成在 1812K～2306K。

（4）SOOT濃度場分析：從圖5.5中可看出，SOOT主要生成在噴油的盡頭，還有燃油霧化的部分。因為燃油霧化蒸發，氣流的運動導致周圍的空氣不多。綜合NO和SOOT生成量分布圖可知，SOOT大多生成于近壁面，有些在余隙容積處生成。SOOT生成區域是NO生成區域的子域，SOOT和NO生成大多在當量比不均勻的地方。燃氣均勻性較好的策略是multiple1-1。所以在NO和SOOT排放量方面，相應減少。可以看到，NO生成量在三種噴射策略中最少，SOOT含量也不算高。

六、結論

①NO和SOOT大多生成于當量比不均勻的地方，合理控制當量比，控制混合氣盡量均勻，有助于降低SOOT和NO的排放。

②NO的生成條件是高溫富氧的環境。預混合燃燒會產生較高的溫度，同時在主噴之后的燃燒會帶來持續的高溫，這樣的環境會生成大量的NO。

③SOOT的生成主要有兩個方面：一是SOOT的直接生成，二是SOOT的氧化。SOOT生成主要集中在近壁面，氣流流動緩慢，周圍廢氣多，氧濃度低，不易造成SOOT的氧化。

④綜合比較本實驗的多次噴射策略，發現multiple1-1生成的SOOT和NO的生成量都較低，故選擇此策略做為本實驗的最佳策略，即預噴量為0，后噴量為6mg。

【參考文獻】

[1] 馮立巖， 隆武強， 魏勝利，等. 新型傘狀噴霧柴油預混合壓燃數值模擬研究[J]. 內燃機學報， 2006， 24（2）：134-140.

[2] AVL FIRE v2008缸內計算控制參數說明.

[3]陳歡. 柴油機雙ω燃燒系統燃燒及排放性能數值模擬[D]. 江蘇大學， 2013.