不同喷油正时的柴油机PCCI燃烧过程数值模拟

梅德清，涂立志，雎志轩，姜士阳，王向丽，袁银男

（1.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013；2.镇江船艇学院装备保障系，江苏镇江212013；3.南通大学机械工程学院，江苏南通226019）

不同喷油正时的柴油机PCCI燃烧过程数值模拟

梅德清1，涂立志1，雎志轩1，姜士阳2，王向丽3，袁银男3

（1.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013；2.镇江船艇学院装备保障系，江苏镇江212013；3.南通大学机械工程学院，江苏南通226019）

应用CFD软件对采用预喷-预喷 主喷喷油策略的单缸增压柴油机燃烧过程进行数值模拟，分析不同喷油正时方案对燃烧过程及NO和soot排放物生成历程的影响.结果表明：随着喷油时刻推迟，缸内压力逐渐降低，主放热峰下降且不断远离上止点，预混燃烧比例增加，缸内低温PCCI燃烧模式更加明显；放热率10%（q10）时刻以稀预混燃烧为主，soot生成量减少，但因预混放热快而使NO生成量增多，缸内整体的低温效应使q90时刻NO生成量降低，soot生成量先增加后又因燃烧空间扩大及预混燃烧比例增加而下降；柴油机低温PCCI燃烧模式可实现NO与soot排放兼顾控制.

预混充量压燃；多段喷射；喷油正时；数值模拟；排放

世界范围内愈加严格的排放法规促使研究者们寻找新的策略来改善内燃机的燃烧和排放性能.柴油机由于热效率高、功率范围广以及可靠性强，被广泛应用于汽车、船舶、发电机组上.但柴油机的氮氧化合物（nitrogen oxides，NOx）和碳烟（soot）排放十分突出，对二者折中关系的探讨已成为控制柴油机排放的热点［1］.近年来，国内外学者提出了创新性的燃烧思想及模式，如均质充量压燃（homogeneous charge compressed ignition，HCCI）、预混充量压燃（premixed charge compressed ignition，PCCI）、稀扩散燃烧（lean diffusion combustion，LDC）等［2］，其实质是在高密度、高增压和稀扩散等缸内混合与燃烧细节的基础上，通过对柴油机油气混合及燃烧等理化过程的控制，促使燃烧放热及热功转换向更高效率方向发展，同时积极避开有害物质易于形成的区域，达到节能与减排的双重目的.

HCCI燃烧模式的着火过程受化学动力学控制，燃烧速率和相位难以控制，其稀混特性导致了运行工况范围窄［3］.而PCCI燃烧模式则利用提前或滞后喷油等多阶段喷射策略和大比例废气再循环（ex haust gas recirculation，EGR）等综合手段来控制燃烧相位和燃烧速率［4］.如文献［5］通过可视化试验，探讨了喷油压力、喷油时刻和EGR对PCCI柴油机燃烧和排放性能的影响，优化的喷油时刻耦合EGR能同时降低soot和NOx排放.文献［6］通过改变预喷量来研究其对预喷着火过程的影响，预喷策略可应用于低负荷高预混工况，HC，CO及与负荷相关的循环变动减小.文献［7］分析了不同的喷射策略在改进燃油雾化和减少废气排放等方面的作用，证实了EGR耦合多段喷油策略是可同时降低NOx和soot的一种有效方法.文献［8］对多次燃油喷射的缸内过程进行了数值模拟，发现多次喷射比单次喷射更易取得NOx和soot之间良好的折中关系.文献［9］应用CFD软件模拟了喷油正时和进气门关闭时刻对PCCI柴油机的影响，研究表明进气门晚关配合优化的喷油正时可以降低燃烧温度，从而减少NOx排放.文献［10］建立3维CFD耦合化学反应动力学模型，对缸内多脉冲喷射形成的预混燃烧产生的NOx，CO和未燃HC来源进行了探讨，为深入理解和控制多脉冲喷射预混燃烧这一复杂物理化学过程提供指导.

目前，大多采用预喷 主喷、主喷 后喷和预喷-主喷 后喷策略来研究多段喷射策略对柴油机燃烧及排放特性的影响，对两段预喷射策略研究较少.在两段预喷的喷油策略中，若第1段预喷将足够的燃油喷入预混，第2段预喷决定了着火时刻，可灵活控制燃烧过程并使热效率更高、排放更低［11］.笔者在较高EGR氛围下，对采用预喷 预喷 主喷燃油喷射策略的柴油机燃烧过程进行数值模拟，选取放热率10%，50%和90%这3个特征时刻，在恒定预喷油量下探讨不同喷油正时对燃烧过程及NO x和soot生成的影响.

1 计算模型

应用AVL Fire计算流体力学模拟软件，其基于有限体积法以及压力分离式解法，在计算压力 速度耦合的过程中应用PISO算法.针对柴油机工作过程高压缩性、强瞬变的特点，其喷雾过程模拟分别选用WAVE液滴破碎模型（该模型假设喷射的油滴与喷孔直径尺寸相同）、Dukowicz蒸发模型、Walljet1撞壁模型.

采用kzetaf湍流模型，在黏性漩涡模型的基础上增加控制湍流运动的时间和空间尺度，并在考虑湍动能及其耗散率的基础上提高数值计算的稳定性.鉴于本研究中目标柴油机所采用的燃烧方式需要更加准确地对缸内的湍流特性进行描述，所以选用了kzetaf模型.

以层流小火焰单元为基础的相关火焰模型（co herent flamelet model，CFM），在单独处理湍流相和化学相上区分得更为清楚.其中，ECFM 3Z子模型通过主要参数mixingmodel parameter可实现对扩散燃烧阶段柴油与空气混合速度进行控制，能对燃油与空气的混合过程进行细致准确的描述，适用于采用多段燃油喷射的燃烧过程调控.柴油机缸内燃烧过程仅考虑燃烧放热导致的高温对NOx形成的影响，相应地选取扩展Zeldovich机理.缸内碳烟的生成则选用Kinetic Model来描述.

研究的目标样机是一台高压共轨单缸柴油机，从4缸Daim ler OM646柴油机机械改造而来.目标样机采用7孔且沿圆周方向均匀分布的喷油器，因此选择气缸圆周的1／7建模，可减小模拟计算工作量.缸内过程仿真模拟从进气门关闭（IVC）时刻（上止点后238o，文中角度除特别说明外，均为曲轴转角）开始，至排气门开启（EVO）时刻（上止点后476°）结束.基于目标样机燃烧室所建立的仿真模型如图1所示.缸内初始压力设定为0.153 MPa，初始温度为337 K，燃油温度为330 K，EGR率为36%.燃烧室扇形体周向相对的两面可作为循环边界，气缸套和缸盖等作为固定壁面，温度条件根据经验可分别设为403 K和553 K，而作为移动边界的活塞顶面的温度同样可依据经验公式确定为593 K.

图1 燃烧室模型计算网格

试验样机的燃油喷射系统可调节参数：第1段预喷、第2段预喷和主喷的喷油正时θPI1，θPI2及θMI，以及3段喷射对应的喷油量分别为QPI1，QPI2及QMI.发动机目标工况：缸内平均指示压力pmi＝0.80 MPa，转速n＝1 900 r·min－1.在初始与边界条件不发生变化的情况下，燃油喷射的参数遵循试验方案的设定，如表1所示.可见在不同喷油正时条件下，3段喷射相位整体推迟，而第1段预喷和第2段预喷的喷油量（QPI1和QPI2）保持不变，通过微调主喷段油量QMI实现目标pmi.

表1 不同燃油喷射方案

2 燃烧过程及排放特性分析

2.1 模型验证

在目标工况pmi＝0.80 MPa，n＝1 900 r·min－1下，实施不同燃油喷射方案的发动机缸内实测压力与仿真模拟结果如图2所示，由模拟计算得到的缸内压力与实测值较为接近，误差不超过5%.由于气缸压力是柴油机燃油喷射、雾化和燃烧等过程的综合体现，模拟计算得到的压力值与实测值较为接近，表明所建模型合理，可用于不同喷油参数下的发动机燃烧过程内部细节及有害排放物生成特性的比较分析.

图2 缸内压力的模拟值与实测值比较

2.2 燃烧放热率特性

在pmi＝0.80 MPa，n＝1 900 r·min－1工况下，依据不同喷油方案模拟计算得到的瞬时放热率如图3所示.

图3 不同喷油方案的瞬时放热率曲线

从图3可以看出：随着喷油推迟，主放热峰逐渐偏离上止点位置，因此缸内压力较低，低温燃烧趋势越发明显，热功转换效率由于损失增多而下降.随着预喷开始时刻逐渐靠近上止点，此时缸内所处温度氛围有利于燃油低温氧化，预喷燃油着火延迟期不断缩短.此外，放热率曲线中主放热峰的“双峰形态”随着喷油时刻推迟而逐渐消失，这也从侧面预示着预混燃烧放热比例不断增加.推迟喷油配合较高EGR氛围，共同控制主喷油束的蒸发速率、着火相位及主燃烧期的燃烧速率，致使由预喷引起的初始阶段放热比例逐渐增加.在缸内较低温度氛围下，此阶段释放的热量促进油束蒸发雾化，使预混燃烧所占比例不断增加，更有利于PCCI燃烧模式的实施.

2.3 缸内燃烧过程分析

累积放热率为10%，50%和90%时，分别对应燃烧开始、燃烧中心和燃烧结束3个阶段，选取这3个典型特征时刻对缸内燃烧过程进行分析.

从不同喷油正时方案下，放热率达10%（q10）时刻的缸内燃空当量比、温度、NO和soot分布如图4所示，w为质量分数，随着喷油推迟，燃烧室内局部燃空当量比增大，混合气分布均匀程度变差，燃料浓区增多，且主要集中在凹坑附近.这表明随喷油逐渐推迟到上止点0°，燃料与空气混合的综合条件逐渐恶劣.

在燃烧开始阶段，q10时刻缸内燃烧主要以预喷燃油燃烧为主，放热较少，NO生成量也较少，且主要分布在温度较高的凹坑及唇口附近.但随喷油推迟，预喷燃油因燃烧条件得到改善，放热升温的效果明显，在q10时刻NO排放逐渐增多.此时，q10时刻的放热主要以预喷燃油形成的较稀混合气为主，缸内环境限制了soot的生成，soot分布区域较少.

图4 不同喷射正时方案下，q10时刻缸内燃空当量比、温度、NO及soot分布

不同喷油正时方案下，放热率达50%（q50）时刻的缸内燃空当量比、温度、NO和soot分布如图5所示.在q50时刻，随着喷油正时从方案1推迟至方案4，缸内燃烧温度整体体现低温效应，NO生成量随喷油推迟而逐渐减少，推迟至方案5，缸内较高的基础温度使预喷或主喷油束的着火延迟缩短，且预混合燃烧比例增加，使主燃烧持续期缩短，因而在q50时刻燃烧反应更剧烈，此时刻NO生成量随喷油推迟而逐渐增多.

随着燃烧反应的进行，在主喷燃油及缸内体积不断缩小的影响下，局部区域的可燃混合气燃空比增大，燃烧放热速率加快，氧气消耗加速，缸内高温缺氧环境促使燃油裂解，形成大量soot.随着喷油正时不断推迟，燃油与空气混合空间逐渐减小，混合气燃空比有所升高，且缸内温度降低，燃烧条件逐渐恶化.在以上影响soot生成与氧化等因素的综合作用下，q50时刻的缸内soot分布区域逐步扩大.

不同喷油正时方案下，放热率达90%（q90）时刻的缸内燃空当量比、温度、NO和soot分布情况如图6所示.

图5 不同喷射正时方案下，q50时刻缸内燃空当量比、温度、NO及soot分布

图6 不同喷射正时方案下，q90时刻缸内燃空当量比、温度、NO及soot分布

相比于稀混合气，较浓混合气燃烧时参与化学 反应的燃料较多，因此放热量更多，从而加快后续燃烧化学反应速率.根据图6燃烧室内可燃混合气燃空当量比及温度场分布，可见缸内高温区域与燃空当量比浓区几乎一致.随喷油推迟，q90时刻所处位置逐步远离上止点，局部高温区域减少，且主要集中在燃烧室凹坑附近.受喷油推迟降低缸内温度的影响，q90时刻NO质量分数缸内分布区域逐渐减少，因而NO的生成量下降.主喷从上止点后－9°至上止点0°时，q90时刻soot的生成量逐渐增加，且在上止点后0°时达到峰值.当喷油推迟到一定程度后，由于适时气缸体积变化，燃油与空气之间的混合扩散更充分，soot生成的环境得以改善，形成soot的区域逐渐减少.

综合分析发现：soot主要分布在燃空当量比较大且温度较高的局部区域，因为燃油在高温下易发生裂解反应，供氧不足就会形成soot；随着燃烧继续进行，soot生成区域逐渐向凹坑附近集中.这是由于喷入气缸的燃油受重力的影响，易在燃烧室下游形成燃油富集区，形成较浓可燃混合气，大部分燃油在此局部区域里集中燃烧放热.

2.4 排放物生成特性

不同喷射正时缸内NO质量分数的变化历程如图7所示.由试验得到的NO排放数据可以参考文献［12］.

图7 缸内NO的生成特性

从图7可以看出：更晚的喷油正时对应着较迟的NO生成时刻，燃烧末期累积的NO质量分数亦随之逐渐降低.缸内燃烧放热的高温状态对NO的生成时刻起决定性作用.NO生成开始时刻主要受预喷放热的影响，随着喷油推迟，预喷放热峰值出现位置逐渐推迟，缸内燃烧温度总体下降，因而需要高温才能形成的NO生成时刻推迟.此外，由于缸内大部分的燃烧放热随着喷油推迟逐渐远离上止点，缸内难以维系较高温度，因而NO生成速率下降，NO生成量减少.

缸内soot的生成历程如图8所示.随着喷油推迟，soot生成时刻亦推迟，soot质量分数随燃烧反应的进行呈现先升高后降低的趋势，最终趋于稳定.柴油机soot排放是由缸内soot生成环境与氧化氛围共同作用的结果，在燃烧早期soot生成占主导作用，缸内soot质量分数逐渐增多并达到峰值；随着燃烧继续进行，先期形成的soot快速氧化消减，其质量分数逐渐降低；最终soot的生成与氧化达到平衡而趋于稳定.当推迟喷油至方案4，一方面缸内燃烧温度逐渐降低，soot氧化条件变差；另一方面，燃油喷射逐渐靠近上止点，燃油与空气的混合空间不断被压缩，使得某些局部区域单位空间内的燃油浓度逐渐升高，促进了soot的生成.这二者都造成由喷油方案1至方案4的soot排放不断恶化，但其后继续推迟喷油，在缸内相对较高的基础温度环境下形成更大比例的预燃混合气，改善了soot形成所需的浓度氛围，因而soot排放又略下降.这与文献［12］中的soot试验数据规律较为一致.

图8 缸内soot的生成特性

3 结 论

1）应用3维CFD软件模拟计算预喷 预喷-主喷多段燃油喷射的预混燃烧过程，通过不断推迟的喷油策略实现更高预混比例的低温PCCI燃烧，详细分析了缸内油气混合气浓度场、温度场及有害排放物NO和soot的分布状况.随着喷油推迟，燃烧放热逐渐远离上止点，缸内整体的低温效应使NO生成速率及总生成量下降.主喷从上止点后－9℃逐渐推迟至上止点时，油气混合空间缩小，燃空比升高，最高燃烧温度下降，soot生成量不断升高；但当主喷在上止点之后时，预混燃烧比例增大，且适时气缸容积增大使油气混合更充分，soot生成量下降.

2）在q10特征时刻，燃空当量比较小且缸内温度较低，以稀预混燃烧为主，NO和soot形成量较少.在q50特征时刻，缸内空燃比随喷油推迟而增大，主喷从上止点后－9°逐渐推迟至上止点，NO的生成量随缸内温度下降而减少，但上止点后过晚的喷油使燃烧放热更剧烈且集中，因而NO生成量在局部时刻增多.在q90特征时刻，缸内高温区域与燃空当量比浓区基本重合，NO生成区域和高温区域一致，soot生成区域与燃空当量比有很好的吻合.

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Numerical simulation of PCCI combustion in diesel engine w ith different injection tim ing

MEIDeqing1，TU Lizhi1，JU Zhixuan1，JIANG Shiyang2，WANG Xiangli3，YUAN Yinnan3
（1.School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China；2.Department of Equipment Support，College of ZhenjiangWatercraft，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China；3.School of Mechanical Engineering，Nantong University，Nantong，Jiangsu 226019，China）

The combustion process in a single cylinder turbocharged diesel engine with pilot pilot main injection strategy was simulated by the computational fluid dynamics（CFD）software.The effects of injection timing on combustion process，NO generation and sootwere analyzed in detail.The results show thatwhen the injection timing is retarded，the in cylinder pressure is decreased gradually with reduced main heat release peak，and the position of heat release peak moves far away from the top dead center with increased premixed combustion fraction to show more apparent feature of low temperture PCCI combustion mode.For10%heat release（q10）with retarding of fuel injection timing，the sootgeneration is decreased as the lean premixed combustion takes the major，while more NO is generated due to the rapid heat release of premixed mixture.For 90%heat release（q90），NO emission is decreased due to the total low temperature effect in cylinder，while the soot is increased with latter decreasing due to the extended combustion space and the high premixed combustion fraction.The favorable tradeoff between ____NO and PM emissions can be well compromised in a diesel engine with the low temperature PCCImode.

premixed charge compression ignition（PCCI）；multiple injection；injection timing；numerical simulation；emission

10.3969／j.issn.1671－7775.2018.01.002

TK421

A

1671－7775（2018）01－0007－07

2017－02－21

国家自然科学基金资助项目（51376095，51506101）；江苏高校品牌专业建设工程资助项目（苏政办发［2014］82号）；江苏省科技厅重点研发计划项目（BE2016139）

梅德清（1974—），男，江苏仪征人，副教授（meideqing＠ujs.edu.cn），主要从事发动机替代能源及排放控制研究.

涂立志（1994—），男，江苏镇江人，硕士研究生（18352862141＠163.com），主要从事内燃机燃烧控制研究.

梅德清，涂立志，雎志轩，等.不同喷油正时的柴油机PCCI燃烧过程数值模拟［J］.江苏大学学报（自然科学版），2018，39（1）：7－13.

（责任编辑 贾国方）