基于CONVERGE的車用柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒及排放的仿真研究

王宏達(dá)，許俊峰，張鑫華，魏福祥，馬天翔 ，李玉峰

(1. 中北大學(xué) 能源動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051； 2. 中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，山西 大同 037001)

0 引言

2020年以后，內(nèi)燃機(jī)排放法規(guī)日益嚴(yán)格，使得原始設(shè)備制造商有必要尋找經(jīng)濟(jì)高效的解決方案來提高內(nèi)燃機(jī)效率并降低其排放。高效燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)可以受益于冷卻外部廢氣重新計(jì)算和進(jìn)氣加濕等技術(shù)。在這些技術(shù)中，進(jìn)氣加濕可以作為一種有前途的方法來減輕爆震和顯著減少二氧化碳及氮氧化物排放。進(jìn)氣加濕不是新技術(shù)[1-3]，早在第二次世界大戰(zhàn)之前，水噴射到燃燒室這一概念就已經(jīng)用于軍用飛機(jī)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，以便在需要高推力時(shí)，如起飛或空戰(zhàn)，在短時(shí)間內(nèi)增加功率輸出。噴水主要用于航空工業(yè)[4]，只有少數(shù)帶有增壓器或渦輪增壓器的高性能汽車配備了噴水系統(tǒng)。進(jìn)氣加濕具體機(jī)理有以下三點(diǎn)：1)混合氣體中的氧濃度可被加水有效降低；2)水有比較大的蒸發(fā)潛熱以及較高的比熱容；3)水分子可以在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)分解生成O2和H2。因此，可以提升燃燒效率，反應(yīng)的具體化學(xué)式為2H2O=2H2+O2。這三種效應(yīng)分別被稱為加水策略的稀釋效應(yīng)、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)[5]。

一些研究表明，進(jìn)氣加濕對(duì)降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的氮氧化物和碳煙排放有顯著效果。文獻(xiàn)[6]分析了進(jìn)氣加濕對(duì)增壓汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡的影響，探討了進(jìn)氣加濕提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的原因。進(jìn)氣加濕可以顯著降低工質(zhì)溫度，使得廢氣中所含能量變少，從而降低排氣損失。文獻(xiàn)[7]研究了進(jìn)氣加濕對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響，在中負(fù)荷和高負(fù)荷下，通過向混合物中加水和提前點(diǎn)火時(shí)間，可以顯著降低粒子排放。文獻(xiàn)[8]通過實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究了進(jìn)氣加濕的冷卻及稀釋效應(yīng)，并與EGR技術(shù)在減排能力上進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在高負(fù)荷和PM排放較少時(shí)，進(jìn)氣加濕更能有效降低NOx的排放。文獻(xiàn)[9]探討了進(jìn)氣加濕結(jié)合米勒循環(huán)，在進(jìn)氣門晚關(guān)10°CA以及水油比為0.3時(shí)，可以有效降低NOx的排放，但是HC、CO以及油耗增加。

現(xiàn)階段下，關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣加濕的研究主要集中在對(duì)燃燒及排放產(chǎn)物的參數(shù)定性分析以及注水后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的影響上，而在不同注水情況下對(duì)缸內(nèi)溫度分布、當(dāng)量比分布、湍動(dòng)能、燃燒重心以及有害排放物影響方面的研究較少。本文將采用CONVERGE軟件進(jìn)行三維CFD數(shù)值模擬，研究不同注水量對(duì)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒的影響以及排放產(chǎn)物減少的內(nèi)在機(jī)理、量化減排程度，為車用柴油機(jī)的減排設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算模型的基本參數(shù)及驗(yàn)證

1.1 仿真模型的建立

本文以某型車用高強(qiáng)化柴油機(jī)為研究對(duì)象，在Pro/e中建立模型見圖1。前期已完成對(duì)模型的標(biāo)定。在進(jìn)氣道設(shè)置水噴口一個(gè)，噴水過程在進(jìn)氣前結(jié)束。

圖1 噴口位置示意圖

運(yùn)用CONVERGE軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，柴油機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

表1 高強(qiáng)化柴油機(jī)的基本參數(shù)

1.2 計(jì)算模型的選用及條件

在模擬過程中，計(jì)算模型選用的湍流模型使用雷諾平均(RANS)的重整化群(RNG)k-ε模型；噴霧破碎模型選用KH-RT組合模型；碰撞模型選用O’Rourke模型；碰壁模型選用Slide/Rebound燃油碰壁模型；蒸發(fā)模型選用Frossling經(jīng)驗(yàn)公式和Chiang經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算液滴直徑變化率，選用SAGE燃燒模型；排放模型基于調(diào)用“mech. dat”文件，結(jié)合激活的燃燒模型計(jì)算得出相關(guān)排放物，其中包含的碳煙(Soot)和氮氧化物(NOx)子模型。

本文研究主要是針對(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)在全負(fù)荷(100%負(fù)荷、轉(zhuǎn)速為3 800r/min)情況下進(jìn)行的瞬態(tài)模擬，模擬計(jì)算范圍為0 °CA～720 °CA。計(jì)算從進(jìn)氣沖程時(shí)開始，隨著排氣沖程的結(jié)束而結(jié)束，噴水從50 °CA時(shí)刻開始，在169 °CA時(shí)刻結(jié)束，歷時(shí)119 °CA；噴油從348 °CA時(shí)刻開始，結(jié)束時(shí)刻為384.5 °CA，噴油持續(xù)期為36.5 °CA，噴油量為206.7mg，噴孔直徑為0.22mm，燃油溫度313K。將進(jìn)氣壓力0.461MPa和缸內(nèi)溫度343K作為計(jì)算起始條件。利用CONVERGE自帶的網(wǎng)格診斷以及自適應(yīng)加密技術(shù)，對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格處理，網(wǎng)格加密方案如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格加密方案

1.3 計(jì)算模型的驗(yàn)證

在單缸機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，轉(zhuǎn)速3 800r/min、全負(fù)荷工況下，測得了充氣量、NOx排放量及缸壓曲線等數(shù)據(jù)，如圖3(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問咨詢作者)、表2所示。為了驗(yàn)證模型的有效性及模擬結(jié)果的可靠性，將實(shí)驗(yàn)與模擬重要參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，圖3是實(shí)驗(yàn)與模擬缸壓對(duì)比圖，在368.96 °CA時(shí)刻，實(shí)驗(yàn)缸內(nèi)峰值壓力為20.31MPa，模擬缸內(nèi)峰值壓力在368.70 °CA時(shí)達(dá)到20.24MPa。二者相比模擬較實(shí)驗(yàn)峰值相位提前0.26 °CA，峰值壓力偏差0.34%。通過表2得知，模擬值與實(shí)驗(yàn)值在NOx的排放、充氣量兩項(xiàng)分別偏差0.48%、1.59%，三者均在工程允許誤差范圍內(nèi)，證明模擬結(jié)果是可信的，模型是可靠的。

圖3 實(shí)驗(yàn)與模擬缸壓對(duì)比圖

表2 模擬值與實(shí)驗(yàn)值關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比 單位：kg

1.4 油水比的定義

為了研究噴水量的大小對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒的影響，直觀地表征加濕程度，引進(jìn)了油水比(缸內(nèi)噴油量與進(jìn)氣道噴水量的比值)的概念。設(shè)計(jì)了6種仿真方案，進(jìn)氣道未噴水工況及5種不同油水比工況：0.583、1.17、1.78、2.40、3.05。在仿真過程中，保持轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、噴油質(zhì)量不變。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 油水比對(duì)缸內(nèi)燃燒的影響

圖4是油水比從0.583增加到3.05時(shí)，缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化圖。隨著油水比的不斷增加，缸內(nèi)峰值壓力先降低再升高，并在油水比0.583時(shí)缸內(nèi)峰值壓力達(dá)到最低，為19.42MPa，與進(jìn)氣道未噴水工況比較，降低0.82MPa，降幅為4.05%。這種趨勢表明缸內(nèi)壓力隨著油水比的不斷增加而升高，其內(nèi)在原因是，進(jìn)氣中水蒸氣含量的不斷下降增加了等容燃燒程度，從而升高了缸內(nèi)壓力。在油水比為1.78時(shí)，缸內(nèi)峰值壓力為19.80MPa，峰值相位提前0.8°CA，燃燒相位優(yōu)化，缸內(nèi)壓降較未噴水工況降幅為2.03%。

圖4 油水比對(duì)缸內(nèi)壓力的影響

圖5是在不同油水比時(shí)，缸內(nèi)溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化圖。由圖可知，缸內(nèi)溫度峰值為1 523.3K，存在于未噴水工況下，隨著噴水量的不斷增加，缸內(nèi)平均溫度逐漸降低，峰值溫度降低為水油比0.583時(shí)的1 427.9K，較未噴水工況下降95.4K，降幅為6.26%。這表明，進(jìn)氣道噴水對(duì)降低缸內(nèi)溫度效果明顯，可有效降低缸內(nèi)爆震爆燃趨勢。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒相位優(yōu)化，且利于低溫燃燒的進(jìn)行，有助于降低有害物質(zhì)的排放。當(dāng)油水比逐漸降低，<1.78時(shí)，由于水的冷卻和稀釋作用，使得燃燒速率減緩，缸內(nèi)溫度大幅下降，對(duì)燃燒相位的負(fù)面影響超過了點(diǎn)火時(shí)刻提前帶來的積極影響。

圖5 油水比對(duì)缸內(nèi)平均溫度的影響

圖6為油水比對(duì)燃燒重心CA50的影響，由圖可知，隨著油水比的提高，燃燒重心CA50相位逐漸提前。這是由于進(jìn)氣中水的占比不斷下降，在進(jìn)氣完成后，氧含量不斷上升，在缸內(nèi)發(fā)生燃燒反應(yīng)時(shí)，燃料獲得足夠的氧氣來發(fā)生燃燒反應(yīng)，使得燃燒速率上升，從而提前了燃燒重心。

圖6 油水比對(duì)燃燒重心CA50的影響

2.2 油水比對(duì)油耗的影響

圖7所示為油水比對(duì)油耗率的影響。圖中可見，在油水比不斷提高的過程中，油耗率先降低后升高，并在油水比為1.78時(shí)，油耗率降幅最高，為10.5%，其主要原因是由于燃燒相位的優(yōu)化，使得發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率有了提升。

圖7 油水比對(duì)油耗率的影響

2.3 油水比對(duì)排放的影響

圖8所示為排放特性隨油水比的變化圖。圖中可見，隨著油水比的不斷提高，NOx的峰值排放量不斷上升。在進(jìn)氣道未噴水時(shí)，NOx峰值排放量最大，為2.3×10-6kg，將油水比提高到0.583，NOx峰值排放量大幅下降，此時(shí)排放量為3.5×10-7kg，較前工況降幅為84.8%。高溫型NO是NOx的主要來源，噴水量占比不斷提高，導(dǎo)致缸內(nèi)峰值火焰溫度不斷降低，且降幅越來越大，有利于抑制高溫型NO的生成，從而使得NOx生成質(zhì)量下降。隨著油水比的不斷降低，峰值排放量由未噴水工況時(shí)的9.55×10-6kg提升至油水比為0.583時(shí)的1.07×10-5kg，升幅為12%。在油水比為1.78時(shí)，較未噴水工況，NOx排放量下降61.7%、碳煙排放量上升4.7%。

圖8 油水比對(duì)NOx、碳煙排放的影響

圖9為CA50時(shí)刻，不同油水比情況下NOx在缸內(nèi)的分布。從云圖中可以看出，NOx分布的區(qū)域主要存在于靠近氣門處的擠氣區(qū)以及ω型燃燒室的凹坑內(nèi)。主要原因是油束從噴油口噴出后，撞擊燃燒室壁面后向周圍擴(kuò)散，擴(kuò)散區(qū)域具有NOx生成的良好條件，因而在燃燒反應(yīng)過后，此區(qū)域產(chǎn)生大量的NOx。隨著噴水量占比的不斷提高，NOx在此區(qū)域的濃度下降十分明顯，說明進(jìn)氣加濕導(dǎo)致的缸內(nèi)低溫燃燒對(duì)NOx減排效果十分明顯。

圖9 不同油水比CA50時(shí)刻缸內(nèi)NOx分布

圖10為CA50時(shí)刻，不同油水比對(duì)缸內(nèi)當(dāng)量比分布的影響。從當(dāng)量比分布云圖可以看出，當(dāng)量比分布區(qū)域主要存在于擠氣區(qū)以及ω型燃燒室的凹坑內(nèi)。在此區(qū)域內(nèi)高當(dāng)量比分布面積隨著油水比的提高略有增加，濃度也有所提高，這會(huì)使得碳煙排放進(jìn)一步增加。進(jìn)氣道噴水量的提高減少了進(jìn)氣中的氧含量以及降低了缸內(nèi)的燃燒溫度，使得碳煙后期的氧化能力下降，導(dǎo)致碳煙排放惡化。

圖10 不同油水比CA50時(shí)刻缸內(nèi)當(dāng)量比分布

3 結(jié)語

通過建立某型車用柴油機(jī)三維仿真模型，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及局部網(wǎng)格加密，確定了進(jìn)氣道噴水的仿真條件。設(shè)計(jì)了6種仿真方案，并采用CFD三維數(shù)值模擬軟件CONVERGE模擬了進(jìn)氣道噴水對(duì)缸內(nèi)燃燒及排放的影響過程。仿真結(jié)果證明，進(jìn)氣道噴水對(duì)柴油機(jī)的減排及熱效率的提升有一定的效果。具體結(jié)論如下：

1)隨著油水比的不斷提高，缸內(nèi)峰值壓力及缸內(nèi)峰值溫度先降低后升高，峰值相位出現(xiàn)先提前后推遲的規(guī)律，燃燒重心CA50相位前移。

2)隨著進(jìn)氣道噴水量不斷提升，點(diǎn)火時(shí)刻提前，燃燒相位得以優(yōu)化，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高，油耗水平下降。當(dāng)油水比為1.78時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率最低，燃油可節(jié)省10.5%。

3)進(jìn)氣道噴水會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低，高溫型NOx的排放大幅減少，但碳煙排放量有所上升。采用最佳油水比1.78，可使總體排放量保持在較低水平。