基于多次喷射的柴油机燃烧过程数值模拟

韩雁鹏，高小瑞，朱 钰

(集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021)

0 引言

随着世界各国对船舶柴油机排放的要求日趋严格，改善其燃烧过程，减少有害物排放成为研究的热点。文献[1-2]解释了传统柴油机燃烧造成高NOx和Soot(碳烟)排放的原因，并揭示了缸内燃烧路线控制的方向，即低温、均混。文献[3-6]通过改变柴油喷射策略，釆用大喷射提前角，多次喷射，可以得到较为均匀的柴油浓度分布，从而改变燃烧室内燃烧条件，实现对燃烧生成物的控制，达到降低有害物排放的目的。文献[7]通过改进燃烧室结构，并采用多次喷射策略，更有效地降低了柴油机的有害物排放。文献[8-9]在高速柴油机上采用多次喷射技术，在一定的负载范围内，大幅降低了NOx、Soot以及CO和未燃碳氢UHC(uncombusted hydrocarbon)的排放。

综上可见，采用多次喷射技术可以有效控制柴油机燃烧。本文以4190ZLC船舶中速柴油机为研究对象，利用AVL FIRE软件平台，数值模拟研究，在额定工况下，采用多次喷射对柴油机燃烧及排放性能的影响。

1 多次喷射方案

通过柴油机试验台和油泵试验台[10]测量得到额定工况下柴油机原始的喷油规律，如图1所示。该工况时，喷射起始角为698°CA，单缸单循环喷油量为387 mg。

为了研究多次喷射对柴油机缸内燃烧和排放性能的影响，在保证柴油机输出功率的情况下，增大喷射提前角，采用总喷油量不变的原则，设计了2次、3次、6次喷射方案，具体如图2所示。

1)方案一是在原来1次100%喷射的基础上，改为2次等量喷射，如图2a所示。两次喷射起始角分别为668°CA和698°CA，喷射持续角度均为17.4°CA；两次喷射起始角度之间的间隔约30°CA，在上止点(即720°CA)之前完成全部燃油喷射。

2)为了达到减少预混合燃烧油量的目的，方案二(如图2b所示)在方案一的基础上，推后第1次喷射起始角，由668°CA改为680°CA，喷油量为总喷油量的18%；为了降低燃油分布浓度，改善缸内混合气分布，第2次喷射油量约为总喷油量的36%，并在712°CA时增加一次喷射作为第3次喷射，喷射持续角度为15°CA，喷油量占总喷油量的46%。

3)方案三(如图2c所示)是在方案二的基础上进一步优化得到的。继续减少第1次和第2次的喷油量，改为脉冲喷射，喷油量仅为总油量的5%，略提前第1次和第2次的喷射起始角度，分别为679°CA和692°CA；第3次喷射起始角不变，但喷油量增加到总油量的90%；为减小喷油持续期，第3次喷射后期增大喷射速率，以缩短燃烧持续期，提高效率。

4)方案四(如图2d所示)借鉴了文献[7]中关于5次喷射控制参数的优化方法，并在方案三的基础上，设计了5次预喷射加1次主喷射的方案。第1次喷射起始角提前到655°CA；前4次喷射等油量等间隔，单次喷射油量约为总油量的3.47%，第5次喷射油量约为总油量的7%，前5次喷射起始角度之间的间隔均约10°CA；第6次喷射为主喷射，喷射起始角为714°CA，且喷射起始角度与第5次喷射起始角之间的间隔为19°CA，喷油量约为总油量的79.12%。

2 4190ZLC柴油机燃烧室模型建立与求解器设定

根据4190ZLC柴油机燃烧室的实际形状，利用AUTO CAD进行几何建模，再导入AVL FIRE - ESE Diesel，确定喷嘴位置及参数。由于燃烧室是对称形状，喷嘴有8个喷油孔，为了缩短计算机仿真时间，选取了燃烧室的1/8作为计算域；利用ESE Diesel模块中的网格划分工具，完成燃烧室的静态和动态网格划分，通过网格质量检查确认无负体积网格的出现，图3为燃烧室网格模型。

求解器设置中，激活Species Transport物质输运模块、Combustion燃烧模块、Emission排放模块和Spray喷雾模块；湍流流动模型为K-ε模型；喷雾破碎模型为Wave 模型；液滴蒸发模型选用Dukowicz 模型；碰壁模型选用Walljet1 模型；燃烧模型选用Coherent Flame Model模型；NOx排放物生成模型选用Extended Zeldovich模型；碳烟模型选用Kinetic Model模型；瞬态计算最大迭代次数为60，残差值的精度为0.001；模型校验、边界及初始条件设定参照文献[11]。

3 基于多次喷射的压缩燃烧膨胀过程仿真结果分析

排气阀开启前，曲轴转角为836°CA时，方案一和原机数据NOx、Soot、CO以及温度在缸内的分布云图，如图4所示。

可以发现：采用2次喷射后，缸内的温度及各种生成物分布更加均匀，浓度从中心区域到缸套边缘有明显的梯度存在；而原机的一次喷射则集中在燃烧室及上方区域，说明2次喷射燃油分布更广，雾化更好，燃烧更加均匀。

额定工况下，采用不同喷射方案柴油机缸内压力、温度、NOx和Soot排放与原机数据的对比。结果如图5所示。

为了更清楚的表示采用方案三和方案四时NOx和Soot的排放量，绘制了如图6。

1) 从图5a可以看出：采用方案一时，柴油机缸内压力较原机缸内压力有大幅增高，柴油机的机械负荷增加，工作粗暴，最高爆发压力接近14 MPa，超过了4190ZLC柴油机的机械许用极限；采用方案二时，缸内压力有所下降，但仍高于原机压力水平，最高爆发压力下降，接近12 MPa；采用方案三和方案四时，缸内压力有较大幅度下降，均低于原机压力；方案四的缸内压力水平最低，此时，柴油机工作最平稳。

2)从图5b可以看出：采用方案一时，缸内温度比原机有大幅度的升高；采用方案二时，缸内温度水平有所下降，但仍高于原机温度水平；采用方案三时，缸内温度水平进一步下降，略低于原机缸内温度水平；采用方案四时，缸内温度水平较方案三呈现小幅度下降；此时，柴油机的热负荷最小。

3)从图5c可以看出：采用方案一和方案二时，NOx的排放量较原机均有较大幅度的增长，这是缸内温度升高导致的，虽然燃烧更完全，但NOx的排放量增加，不利于生态环境；与方案一和方案二比较，采用方案三和方案四，NOx的排放量均显著降低，均低于原机NOx的排放量；从图6a可见，采用方案四时，NOx的排放量最低，仅为原机NOx排放量的70%。

4)从图5d可以看出：采用方案一时，Soot的排放量几乎为零，这是因为全部的燃油喷射在上止点之前完成的，燃油得到充分燃烧，因而，Soot的排放量低；采用方案二时，Soot的排放量略高于方案一时的排放量，但仍远低于原机的排放量；采用方案三和方案四时，Soot的排放量有所上升，且高于原机Soot排放量；从图6b可见，采用方案四时，Soot的排放量低于方案三时的排放量。

综上可见，采用多次少量喷射的策略(即预喷射+主喷射的喷射策略)，可以使缸内油气分布更均匀，缸内压力和温度水平均下降，柴油机工作更平稳。

4 结论

本文以4190ZLC船舶中速柴油机为研究对象，基于AVL FIRE平台，在额定工况下，通过多次仿真模拟，并优化多次喷射方案，得到以下结论：

1)采用多次喷射可以有效改善柴油机的燃烧过程，降低NOx的排放量。通过对多个喷射方案的对比发现，方案一虽可使柴油机的经济性更好，但是最高爆发压力超过了该柴油机的机械许用极限，且NOx的排放量明显增多。方案二采用3次喷射后，最高爆发压力在柴油机的许用范围内，缸内压力和温度较方案一有所下降，NOx的排放量进一步下降；相比于方案一和方案二的多次喷射，方案三和方案四均采用了预喷射加主喷射的喷油策略，缸内压力和温度均有大幅下降，且均低于原机数据。特别是方案四，在额定工况下NOx排放量大幅下降，仅为原机的70%。

2)采用方案四的多次喷射规律时，提前第1次预喷射起始角度(为655°CA)，有利于燃油与空气的均匀混合，但预喷射量不宜过大(总油量的20%左右)，推迟主喷射的起始角度(714°CA)，使缸内燃烧温度控制在较低水平，从而使NOx排放量在四个方案中最低。

3)要实现额定工况下NOx和Soot的排放量同时下降，多次喷射方案仍需进一步优化。