喷射策略对某重型柴油机高原燃烧特性的影响

2020-07-14曹佳斌苏石川臧瑞斌周柳均

科学技术与工程 2020年17期

曹佳斌, 苏石川*, 臧瑞斌, 周柳均, 李毅

(1.江苏科技大学能源与动力工程学院，镇江 212003；2.常州玻璃钢造船厂有限公司，常州 213127；3.中国重汽集团杭州发动机有限公司，杭州 311215)

中国的高原区域面积广阔，占国土面积约37%[1]。因大气压力和氧浓度均随着海拔的增高而降低，所以高原为低压缺氧的环境[2]。特殊的高原环境使得柴油机燃烧性能恶化，造成柴油机动力性和经济性的下降、碳烟排放增加[3-4]、热负荷增大[5-6]、冷却性能下降、低温启动性能下降等问题。因此，为提高柴油机的性能，就需要合理地控制缸内的燃烧运动[7]。

为了解决高原低温低氧环境下造成的柴油机性能下降的问题，众多学者已经进行了相关的研究。谭丕强等[8]对高原环境下某重型柴油机进行了油-气-室匹配的试验与仿真研究发现，适当的提高压缩比，降低涡流比，选取适当的喷孔大小有利于提高油-气-室的匹配状况，改善高原柴油机的燃烧状况。刘永丰等[9-10]采用计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)方法对高原环境下柴油机缸内燃烧过程、附壁油膜的生成规律以及不同海拔高度条件下壁面热流分布的变化规律进行了研究，提供了改善高原条件下柴油机热负荷的理论依据。吴君华等[11]研究了供油提前角和排气再循环率的变化对发动机的排放影响，发现废气再循环系统(exhaust gas re-circulation，EGR)和推迟喷油都可以降低发动机NOx排放，伴随着HC和CO排放的升高。李若亭等[12]通过试验台架研究了不同转速与不同负荷下柴油机的燃烧特性、颗粒物与NOx排放。Liu等[13]建立了适用于不同海拔高度的可调节二级涡轮增压器，有效地提高了高海拔地区的发动机功率。目前研究的主要都是普通车用柴油机，对于高原环境重型大功率柴油机的研究偏少。

通过Star-CD软件对某重型柴油机的气缸建立计算模型，并根据试验结果验证该计算模型的有效性。基于建立的计算模型与结果分析不同喷射策略对柴油机缸内的燃烧过程与排放物的影响，对高原环境下重型柴油机的燃烧与排放的研究具有指导意义。

1 计算模型建立过程

1.1 试验条件

研究对象为某型六缸四冲程增压柴油机，柴油机主要参数如表1所示。试验大气压力为102.1 kPa，室内气温为30 ℃。试验所使用的主要设备及仪表为杭州奕科EIM030IDP/D型发动机台架试验测控仪、AVLGH13Z缸压传感器、AVL641燃烧分析仪、FCM05瞬态油耗测试仪。

1.2 边界条件确定

边界条件对整个燃烧过程的模拟计算有很大的影响，所以设置准确的边界条件至关重要。具体边界条件如表2所示。

1.3 计算模型

模型选用计算精度高的重整化群RNG模型来模拟缸内气体的流动过程[14]。重整化群RNG 模型是对瞬时的Navier-Stokes方程用重整化群的数学方法推导出来的模型。喷雾模型选用Huh雾化模型、Reitz/Diwakar破碎模型和Bai碰壁模型。燃烧模型选用ECFM-3Z燃烧模型[15]，该模型由ECFM模型发展而来，可以模拟两种燃烧模式AI(自燃点火)和PF(火焰传播)以及排放生成。ECFM-3Z是在火焰面密度输运方程的基础上增加了混合模型，并有空气区、混合区和燃油区的区域混合描述，能够描述非均匀湍流与混合和扩散燃烧过程[16]。

表1 柴油机的基本参数Table 1 Basic parameters of diesel engine

表2 边界条件Table 2 Boundary conditions

1.4 模拟计算验证

基于柴油机基本参数建立柴油机燃烧室三维模型。由于该柴油机的燃烧室是对称形状，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Star-CD中ES-ICE模块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，网格数为38 476个。燃烧室网格模型如图1所示。

图1 1/8燃烧室网格模型Fig.1 One eighth combustion chamber mesh model

图2 缸内压力曲线对比Fig.2 Comparison of in-cylinder pressure curves

设置模拟计算的始点与终点分别为194°CA和480°CA，并对比模拟结果和试验结果以验证模拟计算的有效性。标定工况下气缸内平均压力的模拟结果与试验结果如图2所示。由图2可知，虽然模拟结果与试验结果的具体数值大小有少许差异，但是曲线在形状与趋势上基本一致。模拟结果与试验结果存在误差的主要原因是由于计算模型的经验参数仅通过经验选取，但误差保持在5%之内说明模拟结果与实验结果吻合较好，该计算模型能够适用于下文的研究过程。

2 单次喷射策略

高原环境下气缸吸入的空气质量减少、气缸内的压力和温度都会降低导致滞燃期增长，燃料来不及在上止点左右及时燃烧，柴油机的热效率、动力性和经济性也随之降低。为了使速燃期、缓燃期和后燃期提前达到最佳状态，可以在高原环境适量地增大喷油提前角。本节对海拔4 550 m下喷油提前角5、9、10、11、12°CA 5种情况下的燃烧过程进行了数值模拟，其中5°CA为平原最佳喷油提前角。

不同喷油提前角下缸内局部可燃混合气的分布情况如图3所示，图中BTDC(before top dead center)代表上止点前。燃油喷入气缸内的时间随着喷油提前角变化而变化，缸内的气体分布情况也因此不同。从图3中可以看出，在相同时刻，缸内可燃混合物的分布区域随着喷油提前角的增大而变广，燃油喷射时缸内温度和排气阻力也随之减小，燃油与空气混合就更充分，有助于组织良好的预混合燃烧。着火时缸内气体的均匀程度随着喷油时刻的提前而更完全。

图3 380°CA时刻不同喷油提前角缸内燃油分布Fig.3 Fuel distribution of different fuel injection advance angles at 380°CA

图4所示为不同提前角下380°CA时刻缸内氧气分布图。喷油提前角增大，空气与燃油混合更完全，有利于预混合燃烧良好进行。如图4所示，氧气的分布范围随着喷油提前角的增大而减小，同时同一区域的氧气浓度也较低，燃烧持续时间越短。此外，也可以看出缸内燃烧发展的方向，有助于更加合理地优化缸内的燃烧。缸内的温度场分布随喷油提前角的变化如图5所示。

图4 380°CA时刻不同喷油提前角缸内氧气分布Fig.4 O2 distribution of different fuel injection advance angle cylinders at 380°CA

图5 380°CA时刻不同喷油提前角缸内温度分布Fig.5 In-cylinder temperature distribution of different fuel injection advance angles at 380°CA

由图5可知，燃油喷入气缸的时刻随着喷油的提前而提前，着火之前空气跟燃油的混合更好，着火范围增大，缸内平均温度愈大，达到最高温度所需的时间缩短。燃烧初期喷入燃烧室的油量随着喷油滞后而减小，导致着火滞后，燃烧后期喷油量增加，最高温度降低且达到最高温度所需时间增加。

图6和图7所示分别为平原和4 550 m条件下不同喷油提前角对NOx和碳烟排放的影响规律。随着喷油的提前，在滞燃期形成大量可燃混合气。大量可燃混合气在急燃期几乎同时燃烧，燃烧迅速，气缸内的温度增大，高温环境导致NOx排放量增加。与平原条件下喷油提前角为5°CA相比，使用较大喷油提前角时碳烟排放量有明显的减少。因为当喷油提前角滞后时，压缩压力升高，缸内气流运动更加剧烈，更多的燃油被卷走，吸附到缸壁上形成稀火焰区，碳烟排放增加；此外，滞后的喷油提前角使燃烧到排气的时间间隔缩短，导致生成的碳烟较难继续氧化。

图6 不同喷油提前角的NOx排放Fig.6 NOx emissions of different injection advance angles

图7 不同喷油提前角的碳烟排放Fig.7 Soot emissions of different injection advance angles

图8所示为海拔4 550 m和平原条件下，不同喷油提前角对应的缸内平均压力曲线。高原环境的空气密度较低，导致气缸所吸入的氧气量减少。尽管已经配备了满足要求的增压器来增加气缸的空气量，但从图中可以明显看出，海拔4 550 m条件下不同喷油提前角的平均缸内压力曲线比平原条件下的平均缸内压力曲线更窄，曲线变窄导致曲线和横轴所围成的面积减小，即柴油机的做功能力减弱。此外，随着喷油提前角的增加，平均缸内压力曲线和横轴所围成的面积增多，着火起始点提前，可燃混合气几乎在急燃期内一起燃烧导致最高爆发压力逐渐增大且出现时刻前移。由上可知，高原条件下柴油机的功率能够随着喷油提前角的增大得到一定程度的恢复。

图8 不同喷油提前角的缸内平均压力Fig.8 In-cylinder average pressure of different injection advance angles

图9所示为整个燃烧过程中气缸内温度随喷油提前角的变化规律。由图9可知，缸内温度急剧上升点出现的时刻随着喷油提前角的增大而提前，同一时刻的温度升高率也越大，温度峰值出现的时刻也越早。这是由于喷油提前角越大，燃油喷入气缸内的时刻越早，在着火之前喷入气缸内的燃油增多，能够与空气形成更多的可燃混合气，在着火之后能够迅速剧烈燃烧，因此温度升高率更大，达到峰值所需要的时间缩短。

图9 不同喷油提前角的缸内温度Fig.9 In-cylinder temperature of different injection advance angles

3 多次喷射策略

虽然选择合适的喷油提前角能够较好地恢复发动机的功率，但是为了寻求更好的功率恢复余量，尝试采用预喷+主喷的喷射方案。

预喷与主喷间隔角过小可能导致预喷燃烧不能及时完成，主喷燃油覆盖预喷火焰使主喷燃油和预喷燃油连在一起导致燃烧恶化，预喷与主喷间隔过长又会使得预喷燃油不能燃烧，实现不了引燃主喷的作用。经过大量试算发现，预喷油量为总油量的2%，预喷持续期为10°CA，主预喷间隔角为10°CA配合适度的主喷提前角效果较好。具体喷射方案如表3所示。

由图10和图11可以看出，预喷的引入有利于在缸内形成活化的气体氛围，缩短主喷射的着火延迟期。当预喷和主喷都提前时，燃油的分布范围更广。这是由于燃油喷射时气缸内的温度和排气阻力随着喷油的提前而减小，若保持燃油压力不变，喷射时油滴的初速度随着燃油喷射的压差增大而增大，燃油的分布范围也随之变广。随着预喷角和主喷角的增大，气缸内氧气的分布范围愈大，氧气与燃油能够更好地混合，有利于改善气缸内的燃烧情况。

表3 多次喷射方案Table 3 Multiple injection scheme

图10 360°CA时不同预喷和主喷下燃油的分布Fig.10 Fuel distribution of different multiple injection schemes at 360°CA

图11 360°CA时不同预喷和主喷下氧气的分布Fig.11 O2 distribution of different multiple injection schemes at 360°CA

图12所示为不同预喷和主喷角度的缸内温度云图。可以看出缸内温度分布和单次喷射一样，相对于平原有所升高同时缸内局部温度比较高。但相比于单次喷射来说局部高温区域变小，而这种局部高温区域变小使得主喷燃油的燃烧情况变好。而且还可以看出随着预喷射时刻的提前缸内温度分布比较均匀，因为预喷越早，预喷的燃油燃烧之后有足够的时间让温度扩散。

图12 360°CA时刻不同预喷和主喷缸内温度分布Fig.12 In-cylinder temperature distribution of different multiple injection schemes at 360°CA

图13和图14所示分别为不同预喷和主喷角度的NOx排放和碳烟排放规律。与单次喷射相比，NOx排放量和碳烟排放量均有一定程度的增加，这是因为缸内温度升高，高温环境有利于NOx和碳烟的生成。但随着预喷与主喷提前角的增加，NOx与碳烟排放量都逐渐减小。由图11和图12可知，随着预喷角和主喷角的提前，缸内氧气浓度降低，局部高温富氧区域减少，不利于NOx的形成，NOx的排放量逐渐降低。燃油和氧气分布范围随着预喷和主喷提前角的增大而变广，燃油与氧气的能够更好地混合，有效地改善了缸内燃烧情况，更多的燃油完全燃烧，抑制了碳烟的生成。

图13 不同预喷和主喷角度的NOx排放Fig.13 NOx emissions of different multiple injection schemes

图14 不同预喷和主喷角度的碳烟排放Fig.14 Soot emissions of different multiple injection schemes

图15 不同预喷和主喷的缸内平均压力Fig.15 In-cylinder average pressure of different multiple injection schemes

由图15和图16中可知，在加入预喷之后缸内压力都要高于无预喷时的缸内压力，采用预喷射时的缸压曲线脱离无预喷时的缸压曲线的时刻随着预喷角的增大而提前。这是因为预喷燃油喷入的时刻越早，预喷射的燃油燃烧的时间更充足，导致缸内的温度和压力升高。最高爆发压力随着预喷角增大而增大，缸内平均温度峰值没有太大变化，但是平均温度峰值出现的时间更早。

高海拔下预喷角度不宜过大，这是因为预喷过早，缸内压力和温度相对降低，燃油容易附着在缸壁上，滞燃期延长，不利于燃烧的改善。根据以上原则，经过比较后发现预喷提前角为22°CA BTDC，主喷提前角为2°CA BTDC时，示功图如图17所示，面积较单次喷射提前角为10BTDC时增加较多，大约可恢复至平原的85.6%，恢复效果明显。