高功率密度柴油机的喷油时刻对燃烧排放的研究

李树宇，续彦芳，刘若凡

（中北大学机械与动力工程学院，太原030051）

高功率密度柴油机的喷油时刻对燃烧排放的研究

李树宇，续彦芳，刘若凡

（中北大学机械与动力工程学院，太原030051）

运用AVL FIRE软件，建立某台单缸高功率密度柴油机模型，研究喷油时刻对该柴油机燃烧排放的影响规律，并用柴油机台架试验验证模型的合理性。着重仿真分析了不同喷油时刻对柴油机缸内压力、温度、放热率、功率、燃油消耗率以及排放的影响。分析结果表明：喷油时刻每提前3°曲轴转角，缸内压力和温度分别升高6.55%和2.8%；放热速率快，放热相对集中；NOx排放增加，碳烟排放降低；功率下降，燃油消耗率升高；当喷油时刻为上止点前16°曲轴转角时，NOx和碳烟排放都能满足排放法规要求，且动力性和经济性能较好。

高功率密度 柴油机 喷油时刻 燃烧 排放

1 前言

随着全球能源短缺和环境危害日益加剧，对柴油机燃烧、排放等性能提出更高的要求。高功率密度柴油机（HPD）由于结构小、升功率高、转速大等优点，在坦克装甲车辆以及重载车辆上得到广泛应用[1]。与同类的普通柴油机相比，HPD柴油机有更高的升功率，高达80～90 kW/L[2-3]，而且在降低排放方面也有优势。喷油时刻对HPD柴油机燃烧过程影响很大，主要影响HPD柴油机的滞燃期。通过调整滞燃期来控制燃烧过程，以满足HPD柴油机综合性能要求。

2 仿真研究

改变喷油时刻，是控制HPD柴油机燃烧过程最为可行的方案。应用FIRE软件，分析从进气门关闭（216°曲轴转角（℃A））到排气门打开（485℃A）的柴油机工作过程，研究了不同喷油时刻对HPD柴油机燃烧特性的影响规律，从而得到最佳喷油时刻，进而提高HPD柴油机动力性能和排放性能，降低噪声和减少排放[4]，为优化HPD柴油机喷油策略以及改进柴油机设计提供参数依据。

本项目研究的柴油机是某单缸HPD柴油机，喷油时刻为上止点前16℃A。通过改变喷油时刻来研究不同喷油时刻对该HPD柴油机性能的影响规律。研究的喷油时刻为，在上止点前16℃A基础上分别增加3℃A或减少3℃A，即为上止点前13℃A、上止点前16℃A和上止点前19℃A。

2.1 建立模型

用solidworks软件，建立了HPD柴油机3维实体模型，以STL文件格式保存。考虑到模型的复杂程度以及其对计算时间的影响，且该柴油机的喷油器有8孔，呈圆周分布，故分析1孔作为计算域。将其导入到AVLFIRE中进行网格划分和动网格设置，得到下止点网格模型，如图1所示；节点总数为625 980，单元总数为48 400。

图1 下止点时的网格模型

2.2 数学模型

喷雾和燃烧模型、以及初始条件设置等对求解的收敛有很大影响，因此在仿真研究中，采用k-zeta-f模型作为湍流流动模型，该模型精度高，稳定性好；压力-速度耦合计算采用SIMPLE方法，喷雾破碎模型采用WAVE模型，蒸发模型采用Dukowicn模型，撞壁模型采用Walljet1模型[5]，燃烧模型采用ECFM3Z模型及自带的着火模型。仿真研究中，温度边界条件采用恒温边界，其中缸套温度设置为450 K，活塞顶部温度为570 K，气缸盖底部为470 K；速度边界条件中，气缸盖和缸套壁面的速度设置为零，并假设活塞顶的速度等于活塞运动速度[6]。

3 模型验证

为验证所建模型的有效性，以柴油机主要参数为对象进行仿真研究，并对柴油机进行台架试验，测量相应参数，将仿真值与试验值进行比较。仿真和台架试验条件如下：转速为3 200 r/min，默认压缩上止点为360℃A，喷油持续期为24℃A。

3.1 试验装置

试验发动机为单缸4冲程增压直喷柴油机，柴油机参数见表1。

表1 柴油机参数

试验设备见图2。其中燃烧分析仪和废气分析仪是由AVL公司制造，缸内压力和温度传感器是由kistler公司制造。试验中，对柴油机功率、爆发压力、燃油消耗率、平均指示压力等进行了测量。

图2 试验设备

3.2 仿真值与试验值比较

仿真结果与试验数据对比结果见表2，最大误差在6%之内。缸内平均压力的仿真值与试验值对比见图3，仿真值总体上略大于试验值。一部分原因是仿真未考虑环境及测量因素；一部分原因是仿真的喷油规律、初始条件与试验条件略有差异。仿真结果与试验结果的差异在允许的误差范围之内，满足工程精度要求。此模型可以有效模拟喷油时刻对燃烧排放的影响。

表2 主要参数的试验值和仿真值

图3 缸内压力仿真值与试验值对比

4 喷油时刻对燃烧特性的分析

4.1 喷油时刻对滞燃期的影响

滞燃期的长短对HPD柴油机的性能有重大影响，而喷油时刻影响滞燃期。通过模拟计算，得到滞燃期随喷油时刻变化规律，见图4。随着喷油时刻的提前，滞燃期呈现出不断增加的趋势。在短滞燃期，集中喷入缸内的燃料减少，HPD柴油机工作稳定；在长滞燃期，缸内油气预混合加剧，在急燃期，放热相对集中，对温度和爆发压力都会造成影响。温度影响NOx和碳烟排放，压力影响HPD柴油机工作稳定性。根据仿真计算，喷油时刻为上止点前16℃A时，该HPD柴油机性能较好。

图4 滞燃期随喷油时刻变化规律

4.2 喷油时刻对压力和温度的影响规律

模拟计算得到喷油时刻对缸内平均温度和平均压力的影响规律，见图5和图6。从图5和图6可见，随着喷油时刻的提前，缸内最高平均温度和峰值压力都增加，且峰值对应的曲轴转角略有提前。喷油定时从上止点前13℃A增大到上止点前19℃A时，缸内最高峰值温度由1 658 K变化到1 752 K，二者温度相差94 K，且均出现在上止点附近；缸内最大爆发压力由17.66 MPa变化到19.98MPa，二者压力相差2.32MPa。导致温度和压力较高的原因是喷油时刻的提前，使得滞燃期加长，喷入缸内的燃料增多，在着火之前油气混合充分，在急燃期几乎同时燃烧，导致压力升高较快，温度相对较高，缸内爆发压力过大，对HPD柴油机动力性能产生不良影响，使缸体振动加大，噪声较高，加重了机械载荷，严重情况下会发生“爆震”现象；因此在保证HPD性能条件下，对最高爆发压力要有限制。温度是形成NOx和碳烟的先决条件，温度过高，对NOx形成有利。因此在保证HPD排放性能条件下，对温度要有所限制。对最高爆发压力和温度的限制均归结到喷油时刻上，因此应该合理控制喷油时刻，以满足HPD柴油机的性能要求。

图5 喷油时刻对缸内平均温度的影响规律

图6 喷油时刻对缸内平均压力的影响规律

4.3 喷油时刻对放热率的影响规律

图7 喷油时刻对放热率的影响规律

模拟计算得到喷油时刻对放热率和累计放热率的影响规律，见图7和图8。由图7和图8可知，随着喷油时刻的提前，放热率先升高后降低，瞬时燃烧放热率的最大值随着喷油时刻的提前而增大，整体放热率曲线向左移动。原因是随着喷油时刻的提前，放热速率增快，燃烧更加集中。随着喷油时刻的提前，滞燃期变长。在上止点之前，喷入气缸内的燃料较多，湍流运动加强，缸内速度场能够更早达到最大状态；而此时温度相对较高，燃油的蒸发速率较快，缸内油气混合分布广，使得燃烧始点提前，导致放热率升高。

图8 喷油时刻对累计放热率的影响规律

4.4 喷油时刻对排放的影响规律

HPD柴油机的排放主要是NOx和碳烟。图9是NOx质量分数变化规律。随着喷油时刻的提前，NOx质量分数升高，在390℃A时趋于稳定。可以看出喷油时刻越提前，NOx质量分数也越大。因为喷油时刻越提前，滞燃期越长，使得燃油在较低的温度和压力下喷入气缸，燃料的混合气所占比重上升，预混合油气加剧，在急燃期燃料迅速燃烧，放热率增大，温度上升，导致NOx排放增加。图10是碳烟质量分数变化规律。随着喷油时刻的提前，碳烟排放升高，在385℃A时，呈现下降趋势。主要是因为活塞在上止点之后开始下行，燃料在较低的膨胀比下开始放热，缸内初期最高燃烧温度和压力相对较低，氧气含量不足，氧化能力减弱，使得碳烟排放较大；在后燃期阶段，此时受到缸内“反挤流”作用，缸内的气流运动强烈，温度升高，氧浓度较高，使得碳烟被氧化的能力增强，造成总的碳烟生成量呈现出减少趋势；因此，应控制喷油定时，寻求NOx和碳烟质量分数的折中。

图9 NO x质量分数变化规律

图10 碳烟质量分数变化规律

NOx和碳烟排放的仿真值与试验值十分接近，如表3所示。随着喷油时刻的提前，NOx排放量逐渐增大，碳烟排放量逐渐减少。喷油时刻为上止点前16℃A时，NOx和碳烟生成物的质量分数的相对误差最小，准确度较高。这说明该模型可以可靠地模拟HPD柴油机工作过程，为降低排放量，实现低排放、高功率柴油机提供了理论指导。

表3 NO x和碳烟排放仿真值与实测值对比

4.5 喷油时刻对动力性和经济性的影响规律

表4为功率和燃油消耗率随喷油时刻的变化规律。由表4可知，功率随着喷油时刻的提前而增大，燃油消耗率随着喷油时刻的提前而减少。功率增大，缸内最高爆发压力增加，产生“爆震”现象的几率升高，因此应考虑二者此消彼长的关系，选择合理的喷油时刻。由HPD柴油机的特性及结构得知，选择喷油时刻为上止点前16℃A较为合理。表5为不同喷油时刻下的燃烧情况

表4 喷油器时刻对功率和燃油消耗率的影响规律

由表5可见，燃烧始点离上止点越近，混合气在缸内喷雾燃烧剧烈，燃烧就越完全，做功能力就越强，热效率就越高。

表5 不同喷油时刻下的燃烧情况 (°)CA

5 结论

以单缸HPD柴油机为研究对象，通过试验和仿真手段，研究了喷油时刻对缸内燃烧特性的影响规律，为优化喷油策略和改进喷油器提供了理论依据。结论如下：

（1）建立了计算HPD柴油机的有效模型并验证了模型的正确性，确定了该模型的数学模型。对此高功率密度柴油机而言，即原机喷油时刻为上止点前16℃A时，柴油机动力性能和经济性能较好，排放较低。

（2）随着喷油时刻的提前，滞燃期变长，缸内压力温度相对较高，放热快且相对集中，功率增大，燃油消耗率降低，这对HPD柴油机的动力性和经济性有较好影响，但对整机的可靠性有不良影响，爆发压力增大，导致“爆震”现象发生，机体振动噪声大。

当喷油提前角调到上止点前19℃A时，峰值温度高，形成了“高温富氧”的环境，对NOx的生成有利，因此必须设置合理的喷油时刻，并考虑其他因素的影响，以满足HPD柴油机综合性能的要求。

[1]何兵，平涛.大功率柴油机的研究发展[J].柴油机，2003(1)：4-8.

[2]张玉申.高功率密度柴油机及其关键技术[J].车用发动机，2004(3)：5-7,11.

[3]朱博.高强化柴油机总体性能优化及关键技分析[D].北京：北京交通大学，2011.

[4]蒋德明.高等内燃机原理[M].西安：西安交通大学出版社，2002.

[5]史春涛,秦德,唐琦,等.内燃机燃烧模型的发展现状[J].农业机械学报，2007，38(4)：181-186．

[6]崔家乐.高功率密度柴油机燃烧过程仿真研究[D].太原：中北大学,2014.

Study on Effectof Injection Timingon Combustion and Emissions ofHigh Power Density DieselEngine

LiShuyu,Xu Yanfang,Liu Ruofan
（North University ofChina,Taiyuan 030051,China)

Amodel of a single cylinder diesel engine of high power density was setup utilizing AVL FIRE to study the influence of injection timing on the combustion and emissions of the engine.Themodel was verified with engine testing.The simulation focused on the analyzing of the effectof different injection timings on the cylinder pressure,temperature,heat release rate,power,specific fuel consumption and emissions.The results show thatwith the advance of injection timing by 3 degrees in crank angle,pressure and temperature in cylinder increase by 6.55%and 2.8%respectively,heat release rate is great and heat release relatively concentrates,NOxemissions increase,soot reduces,power drops and fuel consumption increases.When the injection timing of the engine is 16 degrees in crank angle before TDC,NOxand soot emissionsmeet theemissions regulations,and engine powerand economic performancearebetter.

high power density,dieselengine,fuelinjection tim ing,combustion,em issions

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.04.003

来稿日期：2016-10-27

李树宇（1992-），男，硕士研究生，主要研究方向为内燃机CFD数值模拟。