可变锥角喷射对轻型车用柴油机预混低温燃烧燃烧影响的数值模拟研究

徐斌

摘要：为应对基于早喷策略的预混低温燃烧模式下因喷射正时提前造成燃油湿壁，燃烧效率以及排放恶化的问题，提出了可变锥角喷射的喷射方法，其特征是喷油器具有两排不同喷射锥角喷孔，多次喷射条件下，在不同喷射正时下采用不同的喷射锥角。通过CFD软件KIVA建立预混低温燃烧计算模型，分析了不同喷射方法（固定小锥角、固定大锥角、可变锥角喷射）对预混低温燃烧柴油机燃烧的影响。研究结果表明：可变锥角喷可以有效改善早喷以及多次喷射带来的喷射变化范围大带来的燃油着壁及混合气部分过浓，在早喷及多次喷射较大喷射范围下，有效利用燃烧室及余隙内气流运动，促进燃油的雾化和蒸发，形成更为均匀的混合气。

关键词：柴油机;预混低温燃烧;可变锥角喷射;燃烧

中图分类号：TK 16

引言

随着石油资源的日益匮乏和环境问题的日益突出，实现柴油机的“高效清洁”燃烧，满足节能减排的要求，成为当前的研究热点。燃烧过程是决定柴油机各项性能指标的关键，合理组织燃烧过程是改善柴油机综合性能的根本途径[1-2]。因此国内外研究学者围绕新一代清洁燃烧理论及技术开展了一系列创新性研究工作[3-6]。

新一代清洁燃烧理论的基本特征是均质压燃和低温火焰燃烧，根据这一理论涌现出一系列的燃烧概念和燃烧系统。国内外研究表明采用早喷策略或晚喷策略均可以延长滞燃期，提高混合气均匀度，从而结合废气再循环技术以实现预混合低温燃烧，同时改善NOx和碳烟排放[7]。其中，采用早喷策略时，较传统的上止点附近喷射而言活塞远离上止点，喷射过程中缸内气流运动强度、缸内温度和压力均较低，不利于燃油的雾化和蒸发。另一方面，喷射过程中活塞与气缸的相对位置较传统的上止点附近喷射也有着较大的变化。

1  计算模型

1.1  试验样机参数

以某轻型车用柴油机为研究对象，其主要技术参数如表1所示。

1.2  计算网格

样机为二气门结构，其油嘴中心、气缸中心以及燃烧室中心三者采用非对称的设计。根据柴油机结构参数，通过K3prep建立燃烧室三维网格。

2  计算方案及结果分析

2.1  计算方案

本文在保持喷油量及边界条件不变的情况下，通过设置改变主预喷锥角，研究不同喷射策略对油气混合、燃烧过程及排放性能的影响。

2.2  混合气均匀程度的评价

本文研究中引入均质度（HF Homogeneous Factor）这个参数作为评价混合气着火前均匀程度。不均质度（Heter（θ））表示为计算域网格内燃油质量的标准差（standard deviation）。HF（θ）表征为混合气均质度，其值越大，说明混合气越均匀。

2.3  可变锥角喷射对燃烧性能的影响

喷射锥角为130°下，放热率峰值以及缸内平均温度峰值相对较小。喷射锥角为155°以及130-155°（可变锥角喷射）下，瞬时放热率以及缸内平均温度相差不大，这是由于预喷油量和主喷相比相对较小，主喷喷射都是采用155°锥角，主喷油量喷射环境及气流运动相对一致，这说明基于早喷策略典型预混合的低温燃烧模式下，多次喷射中主喷锥角对柴油机燃烧及排放性能的影响占主导作用。

为进一步分析喷射锥角对混合气形成及分布的影响，统计每个喷射方法下的计算域区间内个温度区间的网格数以及混合气均质度（HF）。由温度区间分布可知，着火始点CA5时，缸内温度分布在较大的温度区间内，多集中在900K以上的高温区域。喷射锥角为130°时，温度区间集中在960-980，980-1000 K温度区间范围内，喷射锥角为130-155°以及155°喷射锥角喷射则集中在980-100K高温区间范围内，且变锥角喷射高温区域网格数明显多于固定大锥角喷射。

着火始点混合气均质数表征了着火前混合气均匀程度，变锥角喷射下混合气均质数大于固定锥角喷射，固定大锥角喷射混合气均匀程度明显大于固定小锥角喷射，变锥角喷射较固定锥角喷射能够有效改善混合气的不均匀度，在着火前形成更为均匀的混合气。说明在早喷条件，尤其是在引入多次噴射条件下，喷射范围变广，单一使用小锥角喷射并并不能有效改善混合气的均匀程度，甚至出现混合气不均匀，体现了可变锥角喷射的优势。

3  结论

通过分析固定小锥角，可变锥角喷射，固定大锥角喷射对缸内气体流动、油气混合过程、燃烧性能的影响，主要结论如下：

（1）基于早喷策略的典型预混合低温燃烧模式下，喷射正时提前，喷射锥角宜采用小锥角喷射。随着多次喷射策略的引入，因其喷射区间范围变大，单一的使用小锥角喷射，不能够在着火前形成较为均匀的混合气，甚至出现局部过浓区。

（2）可变锥角喷射可以在早喷及多次喷射较大喷射范围下，有效利用燃烧室及余隙内气流运动，促进燃油的雾化和蒸发，形成更为均匀的混合气。

（3）多次喷射条件下，主喷锥角对混合气形成及燃烧性能影响较大。

参考文献

[1]苏万华，赵华，王建昕，等.均质压燃低温燃烧发动机理论与技术[M].  北京：科学出版社，2010：10-11.

[2]尹必峰， 王佳， 何建光， 等. 轻型柴油机预混合低温燃烧路径优化试验及分析[J]. 农业工程学报， 2014， 30（15）： 83-92.