噴油正時對正丁醇缸內直噴發動機性能影響分析

劉增斌，甄旭東，耿 杰，劉大明

噴油正時對正丁醇缸內直噴發動機性能影響分析

劉增斌，甄旭東，耿 杰，劉大明

（天津職業技術師范大學，天津 300222）

為解決正丁醇燃料應用于缸內直噴發動機時易造成混合氣質量差的問題，以某款缸內直噴發動機為例，基于發動機的工作過程，采用三維計算流體力學（CFD）軟件搭建了缸內直噴發動機的單缸物理模型，分析不同噴油正時對發動機性能的影響。研究結果表明，相對于推遲噴油，提前噴油提供了更多空氣與燃料的混合時間，能夠獲得更好的混合氣質量，從而能夠達到較高的缸內壓力，并能減少CO、soot和HC的排放，但NOX的排放增加。

正丁醇；缸內直噴；噴油正時；燃燒；排放

為滿足日益增長的能源需求、提高國家能源安全以及實現“雙碳”戰略，開發清潔高效的可再生燃料迫在眉睫。正丁醇因為具有較高的能量密度和可再生的特點受到了越來越多科研人員的重視[1-2]。近年來，正丁醇的發酵方法取得了重大突破，極大地降低了其制取成本。但由于正丁醇較低的霧化性能和揮發性能，使得其應用于缸內直噴發動機中容易造成混合氣質量差，進而導致燃燒性能惡化和排放污染物增加[3]。噴油正時對混合氣形成至關重要，噴油正時過早或過晚都不利于良好混合氣的形成[4-5]。內燃機中的噴霧和燃燒過程是多物理場間復雜的相互作用，而通過發動機臺架實驗的方法不能觀察到具體的混合氣形成和燃燒過程，采用數值模擬的方法能夠獲得完整的物理和化學反應過程[6-7]。本文利用一維和三維仿真平臺，基于搭建的發動機單缸模型，采用詳細的正丁醇化學反應動力學機理，在一臺缸內直噴火花點火發動機中研究了噴油正時對純正丁醇燃料燃燒和排放性能的影響，旨在探索正丁醇燃料應用于發動機中的最佳噴油正時。

1 模型建立及驗證

1.1 發動機模型

一臺直列四缸缸內直噴發動機被用于研究，發動機的進氣方式為廢氣渦輪增壓。發動機的三維模型計算區域如圖1所示。三維發動機模型的計算區域包括進氣道、排氣道和燃燒室。噴油器安裝在進氣側，噴油器與缸壁之間的夾角為45°，每個噴孔的直徑為158 μm。火花塞安裝在汽缸蓋的中心位置。活塞頂的形狀為凹型，混合氣的形成方式為壁面引導。發動機的主要技術參數及初始和邊界條件如表1所示。定義0°CA為壓縮行程上止點。三維發動機模型的初始和邊界條件來自一維發動機模型，一維發動機模型已經與實驗進行過標定。

1.2 數值模型

三維計算流體力學仿真平臺被用于模擬缸內湍流運動、噴霧和化學反應過程。RNG k-ε模型被用于模擬缸內湍流運動。Bai-Gosman模型被用于模擬液滴和壁面的碰撞反應[8]。使用KH-RT模型模擬噴霧液滴的破碎過程。SAGE詳細化學反應動力學模型被用于模擬缸內整體的化學反應過程。正丁醇的詳細化學反應動力學機理使用了Black等[9]的研究結果。該反應機理共包含234個組分和1 399個化學反應，能夠準確地模擬正丁醇燃燒的化學反應過程。所建立的三維模型的基礎網格尺寸為1 mm，在上止點附近的網格數為20萬，在計算過程中的最大網格數為150萬。

1.3 模型驗證

為了確保模型能夠準確模擬發動機的實際工作過程，在仿真之前需要對所建立的模型進行準確性標定。在本研究中，正丁醇噴霧和燃燒缸內壓力與實驗結果進行了標定。噴霧實驗在高壓氣動噴霧試驗臺中進行。噴霧標定實驗和仿真均噴射到定容彈中，實驗臺中的定容彈配置了加溫和加壓裝置。圖2(a)可以觀察到實驗與仿真的貫穿距擬合較好，表明建立的噴霧模型能夠準確模擬正丁醇的噴射過程。燃燒模型與Li等[10]的實驗結果進行了標定。圖2(b)表明實驗與仿真之間的缸內燃燒壓力曲線誤差較小，因此該模型能夠滿足仿真要求。在建模過程中對網格敏感性進行了分析，如圖2(c)所示，不同網格尺寸下的計算結果基本相同，表明所選擇的基礎網格尺寸能夠達到仿真精度。

2 結果與分析

本文中，發動機的節氣門處于全開狀態，在進氣沖程進行燃油噴射。燃燒模式為均質燃燒，缸內整體當量比設置為1。發動機的轉速設置為1 500 r/min。噴油正時設置為-320°、-300°、-280°和-260°CA。燃油噴射壓力為18 MPa，噴射質量為54.9 mg，噴油持續期為30.2°CA。發動機的主要運行條件如表2所示。

表2 數值計算模型

2.1 噴射正時對混合氣形成的影響

圖3為不同噴油正時下噴油之后30°CA的缸內速度場剖面圖，箭頭的方向為流場的方向。可以觀察到，由進氣形成的流場方向為順時針方向。在噴油正時為-320°CA噴射時，噴霧羽束對進氣流場的發展阻礙作用最大。而隨著噴油正時的推遲，噴霧羽束方向與進氣流場方向相同的趨勢增加，噴霧羽束對進氣流場的發展阻礙作用減小。

圖3 不同噴油正時下噴油之后30°CA的缸內速度場剖面圖

圖4(a)為不同噴油正時下的缸內滾流比。本文設定由進氣形成的缸內滾流為正向滾流。隨著噴油正時的提前，缸內滾流比逐漸減小，通過聯系圖3可以觀察到發現，隨著噴油正時的提前，燃油噴射對進氣滾流的阻礙作用增大。尤其是在-320°CA噴油，燃油噴射對缸內滾流的阻礙作用最大，在缸內形成了明顯的負滾流，直到點火時刻缸內滾流比仍然較小。在噴油正時為-260°CA時，缸內滾流比與未噴油時的滾流比大致相同，甚至有略微增加的趨勢，表明此時噴霧羽束方向與進氣流場方向大致接近。

圖4(b)為不同噴油正時下的液膜質量。從圖中可以觀察到，除噴油正時為-260°CA外，隨著噴油正時的推遲，液膜質量逐漸減少。這是因為隨著噴油正時的推遲，噴油器與缸壁之間的距離增大，噴霧羽束的貫穿距離增加使得更多的正丁醇在到達壁面之前就已經蒸發，從而減少了正丁醇附壁的質量。而在噴油正時為-260°CA時，由于進氣流場方向與噴霧羽束方向基本相同，流場攜帶著更多的液滴碰撞到了壁面從而提高了液膜質量。但在所有噴油正時下的液膜在-100°CA前均已完全蒸發，而且噴油正時越早，液膜開始蒸發的時間提前，蒸發完成的時間越早。

圖4 噴油正時對滾流比、液膜質量、蒸發速度和混合氣不均勻性的影響

圖4(c)為正丁醇的蒸發速度曲線。隨著噴油正時的推遲，正丁醇蒸發完成的時刻推遲。噴油正時從-320°CA到-260°CA 95%的正丁醇從液態蒸發成氣態的時刻分別為-214.5°CA、-174.4°CA、-123.6°CA和-116.7°CA。由此可見在低發動機轉速下，正丁醇的蒸發速度受蒸發時間的影響更大。即隨著噴油正時的推遲，正丁醇的蒸發時間推遲，因此蒸發完成的時刻也相應推遲。

圖4(d)為不同噴油正時下的混合氣不均勻性指數。混合氣不均勻性指數根據網格的當量比標準差計算所得，數值越小表示混合氣越均勻。從圖中可以觀察到，除噴油正時為-320°CA外，隨著噴油正時的推遲，點火時刻混合氣的均勻性越低。這是因為隨著噴油正時的推遲，燃料隨流場擴散的時間縮短，因此混合氣的均勻性降低。而在-320°CA噴油時的混合氣均勻性低于噴油正時為-300°CA，這是由于噴油正時為-320°CA時，燃油噴射極大的減小了缸內滾流比，因此降低了缸內流場強度，使得濃混合氣隨流場擴散的趨勢降低，從而抵消了早噴具有更長混合時間帶來的優勢。

2.2 噴射正時對燃燒的影響

圖5(a)為不同噴油正時下的燃燒相位圖。CA10、CA50和CA90分別表示缸內10%、50%和90%的正丁醇燃燒所需要的時間。可以觀察到CA90與點火時刻的混合氣不均勻性指數有一定的聯系，即混合氣不均勻性指數越高，CA90的時間越長。噴油正時為-300°CA時的CA50和CA90明顯短于其他噴油正時。這歸因于噴油正時為-300°CA時，混合氣均勻性高，因此火焰傳播速度較快，加速了燃料的燃燒，縮短了CA50和CA90。隨著噴油正時的推遲，混合氣的均勻性降低，因此火焰傳播速度降低從而延長了CA90。噴油正時為-260°CA時，雖然混合氣均勻性較低，但其CA10和CA50也相對較短，這是由于該工況缸內流場速度較快，加速了初始火核的形成從而縮短了CA10和CA50。

圖5 不同噴油正時下的燃燒相位、缸內壓力和缸內溫度

圖5(b)為不同噴油正時下的缸內壓力和放熱率曲線。可以觀察到在噴油正時為-320°CA時，因為混合氣均勻性較低，因此缸壓峰值低于噴油正時為-300°CA。噴油正時為-300°CA的缸內壓力峰值達到了8.3 MPa。這是因為在該工況時燃燒相位CA90最短，大部分的燃料都在上止點附近燃燒，容積效率高因此具有較高的缸壓峰值。而隨著噴油正時的推遲，燃燒相位CA90延長，燃燒放熱時間相對靠后并逐漸遠離上止點，降低了容積效率從而使得缸壓峰值下降。從放熱率曲線也可以觀察到，噴油正時為-300°CA時，燃燒速度最快，放熱相位最靠前且峰值較高，而噴油正時為-260°CA時的燃燒速度較慢，放熱率峰值最低且放熱持續期長。

圖5(c)為不同噴油正時下的缸內溫度曲線。可以發現，在噴油正時為-300°CA時，由于大部分燃料都在上止點附近燃燒，而且此時容積效率較高，使得缸內溫度峰值較高。而噴油正時為-260°CA時，燃燒相位靠后，而且此時容積效率較低，導致缸內溫度較低。

2.3 噴射正時對排放的影響

圖6(a)為不同噴油正時下的soot和NOX的排放。可以觀察到soot與NOX的排放量有著相反的趨勢。除噴油正時為-320°CA外，隨著噴油正時的推遲，soot的排放逐漸升高，而NOX的排放量逐漸降低。這是因為隨著噴油正時的推遲，混合氣均勻性降低，因此增加了soot的生成。但由于隨著噴油正時的推遲，燃燒緩慢導致燃燒溫度下降，因此NOX的生成量降低。

圖6 不同噴油正時下的CO、NOX、soot和HC排放

圖6(b)為不同噴油正時下的CO和HC的排放。可以發現CO和HC有著相同的排放趨勢。這主要是因為CO和HC都容易在燃燒不完全的情況下生成。當混合氣不均勻時，存在局部過濃和過稀的混合氣，導致部分區域的燃料燃燒不完全從而增加了CO和HC的排放。尤其是噴油正時為-280°CA和-260°CA時，混合氣質量相對較差，因此CO和HC的排放量較高。

3 結論

本文通過數值模擬的方法研究了噴油正時對燃用純正丁醇燃料的缸內直噴發動機混合氣形成過程、燃燒和排放特性的影響。

1）對于正丁醇這種低揮發性和霧化性能的燃料，相對于推遲噴油，在-300°CA時噴油提供了更多空氣與燃料混合的時間，從而能夠獲得更高的混合氣均勻性，而過早地噴油也會降低混合氣均勻性。

2）噴油正時為-300°CA時由于具有更高的混合氣質量，從而能夠達到較高的缸內壓力，并減少CO、soot和HC的排放，但NOX的排放增加。而提前或者推遲噴油都會造成燃燒壓力下降。尤其是推遲噴油，缸內壓力下降明顯。

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Analysis of the Impact of Injection Timing on the Performance of an N-Butanol Direct Injection Engine

LIU Zengbin, ZHEN Xudong, GENG Jie, LIU Daming

( Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222, China )

To improve the suboptimal air-fuel mixture quality found when using n-Butanol fuel in direct injection engines, this study uses a specific engine model as an example and establishes a single-cylinder physical model with 3D computational fluid dynamics (CFD) software, based on the engine’s operational process. The study aims to analyze how various injection timings influence engine performance. The investigation reveals that advancing the injection timing, compared to delayed injection, provides more time for the air and fuel to mix, resulting in a better air-fuel mixture quality. Improved mixture quality leads to increased in-cylinder pressure and decreased emissions of CO, soot, and HC. However, it is imperative to note that this adjustment engenders an increment in the emission of NOX.

N-Butanol; In-cylinder direct injection; Injection timing; Combustion; Emission

TK421

A

1671-7988(2023)21-48-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.010

劉增斌（1997－），男，碩士研究生，研究方向為替代燃料發動機燃燒性能，E-mail:1843847684@ qq.com。