船舶中速柴油机喷油正时优化研究

孙豫，钱叶剑，唐彬彬，位晓飞，孙显，方玉龙

（1.合肥工业大学 汽车与交通工程学院，合肥 230009；2.安庆中船柴油机有限公司，安庆 246003）

0 概述

柴油机的燃烧过程与喷油策略密切相关。文献［2］中基于单缸增压柴油机数值模型研究了预喷-主喷喷油策略对燃烧过程和排放特性的影响。文献［3］中建立了YC-6K船用高速柴油机一维仿真模型，研究发现喷油正时和燃烧时刻基本呈现正相关趋势，并指出柴油机的控制策略应以喷油正时为控制变量。文献［4］中建立了MAN 6L16/24型船用柴油机的数值模型，仿真研究表明通过修正喷油脉宽和喷油正时等参数可以实现柴油机的燃烧控制。文献［5］中研究了喷油正时、喷射角度、喷射器凸出长度和涡旋比对船用中速柴油机燃烧过程的影响，指出喷油正时和涡旋比是影响缸内燃烧的主要因素。文献［6］中基于高压共轨柴油机碳烟排放的台架试验结果，利用随机森林算法分析了各影响因素的权重大小，发现轨压的影响权重最大，喷油正时次之，预喷量和主预喷间隔角的影响权重最小。文献［7］中在中速柴油机上研究了二次喷射技术的影响，证明了喷油正时和压力对缸内燃烧影响明显。文献［8］中模拟研究了喷油正时对船用直喷柴油机排放特性的影响，研究结果表明：喷油正时提前，缸内的温度和压力增加，氮氧化物（nitrogen oxide，NOx）排放量增加，碳烟排放量减少，同时颗粒物直径减小。文献［9］中研究了多次喷射对大缸径船用柴油机性能和排放的影响，发现预喷正时会显著影响燃油消耗量，主喷正时是影响NOx排放的最显著参数。文献［10］中基于详细的化学动力学机理模型，模拟研究了喷油正时和进气门关闭正时对预混压缩点火（premixed controlled compressor ignition，PCCI）柴油机性能的影响，发现采用延迟进气门关闭和优化喷油正时相互配合，会显著降低缸内燃烧温度，减少NOx排放。文献［11］中基于条件矩封闭（conditional moment closure，CMC）湍流模型研究了喷油正时对碳烟颗粒密度和粒径变化的影响，表明喷油正时对粒径和碳烟密度的影响小，高负荷下总体粒径会偏向于较大方向。文献［12］中研究发现在低温燃烧模式下喷油正时为上止点前（before top dead center，BTDC）40°时柴油机的颗粒物密度最小，平均粒径最大。

从上述研究可以看出，优化喷油正时可以明显改善大缸径船用柴油机的燃烧过程。基于船舶中速柴油机优化升级需求，考虑到试验优化需要高昂的经济成本和时间成本，本文中建立了该发动机的计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）计算模型，针对常用场景模拟研究了不同负荷工况下喷油正时对燃烧过程和排放特性的影响，为该型柴油机的燃烧优化和排放改善提供理论依据和数据支撑，降低升级成本。

1 仿真计算模型建立与试验设计

1.1 柴油机仿真模型的建立

发动机型号为DE-23的6缸中速船用柴油机，具体参数如表1所示。本文中曲轴转角在上止点前用负数表示，曲轴转角在上止点后（after top dead center，ATDC）用正数表示。

表1 柴油机主要技术参数

三维计算模型包含燃烧室、进气道和排气道，燃烧室为ω型，模型细节如图1所示。

图1 模型计算网格

考虑计算精度与效率，网格尺寸选取为15 mm，网格无关性验证如图2所示。模型计算节点不大于1 500 000个，燃油喷雾与燃烧过程进行局部网格加密。采用不同网格尺寸计算缸内压力随曲轴转角的变化，压缩上止点设为0°。仿真计算时间设置在压缩冲程开始阶段（-180°）与膨胀冲程结束（180°）之间。喷油器位于燃烧室的缸盖圆心位置，喷头12个喷孔的位置如图1所示。

图2 网格无关性验证

计算模型耦合了化学反应动力学相关子模型，具体的子模型如表2所示。

表2 模拟子模型

1.2 试验工况

选取标定转速900 r/min的5个不同负荷工况点进行试验，如表3所示。所选取工况点可较全面地覆盖发动机工作区间。

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表3 5个关键工况点

为了保证模拟结果的准确性，边界条件中的几何形状、进气状态参数、循环喷油量和喷油规律由相关验证试验和一维数值模型计算获得。大缸径船用柴油机的供油一般采用柱塞泵供油方式，本文中喷油正时优化试验中可通过改变燃油凸轮相位实现喷油参数可调。在仿真研究工作中，喷油正时设置为-7°～-11°，发动机负荷设置为10%、50%和100%。台架试验中测量柴油机排放的仪器设备如表4所示。

表4 台架试验仪器

2 计算结果与分析

2.1 模型验证

模型验证采用了该型号船机理论设计喷油参数下的试验数据。利用模型模拟计算了理论设计最佳喷油正时（-9°）下缸内燃烧情况，模拟结果与该工况下试验采集的缸内压力如图3所示。

图3 模拟缸压与实际测量对比

从图3中可以看出模拟计算值与试验数据的变化趋势一致，数值相近，两者的误差范围为2%～5%。图4为在不同负荷工况下的排气温度验证。试验过程中多次测量的数值波动范围通过测量波动标出，模型输出值在试验测量波动范围内，说明所建模型的计算精度符合要求，可以开展后续模拟研究工作。

图4 发动机排气温度验证

2.2 缸内燃烧情况分析

由于研究对象的工作工况相对固定，本文中选择10%负荷、50%负荷和100%负荷3个固定工况来进行分析。图5为不同负荷工况下喷油正时对缸内压力和放热率的影响。

图5 不同负荷工况下喷油正时对缸压和放热率的影响

由图5（a）可知，随着喷油提前角增加，缸内最高燃烧压力从4.4 MPa增加至5.5 MPa，提升幅度达到了20%以上。结合图中的放热率变化可知，喷油正时为-8°时缸内燃烧过程不稳定，原因可能是缸内燃烧条件未达最佳，造成燃烧不充分。当喷油正时调整为-9°时，缸内压力提升明显，随着喷油正时的进一步提前，缸内压力增加趋势变得平缓，相同曲轴转角对应缸压也随着喷油提前角的加大而增大。不过，当喷油正时大于-9°后，压力变化基本保持不变，只在压力峰值处有细微变化，对应放热率的数值保持在同一水平。由图5（b）可观察到，随着喷油正时的改变，缸压和放热率的变化趋势与图5（a）中变化趋势相近。不过，在50%负荷工况下，喷油正时-9°下的缸压峰值比喷油正时-8°下的增加了26%。随着喷油正时的进一步增加，缸内压力的峰值稳步增长，但是增加幅度都小于10%。图5（c）中缸压和放热率的变化趋势与图5（a）和图5（b）相似，但喷油正时-9°下的缸内压力峰值相较于-8°增大了20%，增加幅度小于50%负荷工况。

总体对比图5，可以看出在10%、50%和100%负荷工况，喷油正时为-7°下放热率显著低于其他工况。结合文献［10］的研究结果，原因可能是喷油时刻接近压缩上止点时，由于此时缸内温度和压力已达到燃点，燃料与空气的混合时间变短，燃烧室内部的当量比分布不均匀，部分燃料没有参与燃烧，放热率处于较低水平。图5中的放热率的变化规律与文献［13］的台架试验结果相似。

燃烧过程的关键相位有CA10、CA50和CA90，分别指燃烧循环过程中累积释放10%、50%、90%热量对应的曲轴转角位置。CA10体现火焰核的形成过程，较短的CA10意味着更好的燃烧稳定性和火焰质量。早期燃烧时间定义为CA10到CA50之间的曲轴转角，用于评价燃烧效率；燃烧持续期定义为CA10到CA90之间的曲轴转角，直接影响到发动机的热效率；燃烧起始阶段定义为燃油起始喷射（start of injection，SOI）时刻至CA10的曲轴转角。图6为不同负荷工况燃烧相位的变化规律。不同负荷工况下发动机的燃烧持续期相差很小，CA50随着喷油提前角的增加而有所提前，使得整个燃烧过程相对集中于上止点附近，燃烧更加充分，指示热效率升高，燃油消耗率降低，经济性会提升。但CA50接近上止点会导致最高燃烧压力和压力升高率急剧增加［14］，对柴油机的可靠性产生不利影响。从图6还可观察到，100%负荷工况CA50的相位相对10%和50%工况最滞后，可能的原因是柴油机的燃烧期控制一般是通过喷油控制来实现的［15］，燃烧的方式为扩散燃烧，100%负荷下燃油供给量较大，喷油持续角较大，所以整个循环的燃烧期相对较长。

图7～图9展示了不同负荷工况下发动机缸内温度的分布云图。选取温度分布云图对应的曲轴转角分别为0°、30°和80°，分别对应喷油正时-7°～-11°工况。可以看出，0°时刻是缸内火焰形成的稳定阶段，缸内温度较低。由于研究对象大缸径船用柴油机的燃烧模式为扩散燃烧，高温区域主要是燃油喷雾前峰面燃烧所形成的稳定火焰面。随着喷油提前角的增加，燃油喷雾扩散的范围也变大，高温区域的范围更广。在30°和80°对应的剖面图上，随着喷油提前角的加大，缸内的高温范围变大。值得注意的是，在100%负荷和50%负荷工况下缸内中心部位温度偏低，原因可能是机型采用的12孔高压喷头产生的燃油喷雾与壁面相互作用［16］，喷雾与缸内相对静止的空气产生了较大的速度梯度，喷雾的上下边缘处产生了涡流团。涡流团尺寸和强度与喷孔直径正相关，对于大缸径船用柴油机，因为供油量较大，喷油孔的直径较大（一般在0.3 mm左右），容易产生尺寸和强度较大的涡流团。涡流团会产生剧烈的传质卷吸现象［17］，将喷雾边缘的雾化燃油卷出，使得气缸中心区域的当量比过低，无法燃烧，产生图中显示的低温区域。

图7 10%负荷下发动机缸内温度分布

图9 100%负荷下发动机缸内温度分布

图8 50%负荷下发动机缸内温度分布

2.3 喷油策略对排放污染物的影响

柴油机的主要污染物是NOx和碳烟（soot）等。根据仿真结果计算燃烧1 kg燃油污染物的排放量变化规律。

不同负荷工况下喷油正时对NOx排放的影响如图10所示。在10%负荷、喷油正时-8°工况下，NOx排放量最大，生成速率也最快。在50%和100%负荷工况，最大NOx排放对应的喷油正时为-9°。在10%和50%负荷工况下，最小NOx排放量对应的喷油正时为-10°；在100%负荷工况下，最低的NOx排放对应的喷油正时为-11°。柴油机缸内主要是热力型NOx［18］，温度是重要的影响因素之一。负荷升高，缸内温度和压力大幅上升，NOx的排放量增加。

图10中3个负荷工况下喷油正时为-10°和-11°时产生的NOx都处于较低水平，可能的原因是：结合燃烧相位可知，喷油参数对燃烧期影响很小，主要的燃烧期都处于上止点之后，膨胀行程的局部燃烧温度和压力对NOx的形成有着重要影响［9］，图中NOx排放量增加区域集中在0°～30°区间。随着喷油提前角的加大，喷油时缸内温度与压力也相对较高，CA50相位前移，燃油喷雾在缸内的扩散程度不断加大，总体燃油混合气的浓度减小，高当量比浓度的区域减少，燃烧过程更接近低温燃烧，所以NOx的量随之降低。根据文献［18］的研究结论，为了减少NOx的排放，缸内燃烧温度应该尽量避免高于2 300 K。图10（a）和图10（b）显示喷油正时为-10°和-11°工况下的缸内低温区域较多，NOx排放低。

图10 不同负荷工况下喷油正时对NOx排放量的影响

图11为不同负荷下喷油正时对CO排放的影响规律。随着发动机负荷上升，缸内产生的CO排放量增加。CO作为燃烧中间产物，负荷上升，燃油消耗量增加，缸内当量比变大，部分区域燃烧不充分，出现相对低温区域，如图7～图9中的三维温度分布截图所示，所以CO的排放量随着负荷上升而增加。此外，图11中可观察到喷油提前角对CO排放量影响不明显。

图11 不同负荷工况下喷油正时对CO排放量的影响

图12为不同负荷下喷油正时对碳氢化合物（hydrocarbon，HC）排放的影响。CO和HC都是燃烧不完全产物。喷油提前角加大，缸内混合气更均匀，HC的排放量降低。图12中10%和50%负荷工况下HC排放量变化趋势是符合此规律的，但100%负荷工况下，随着喷油提前角加大，出现了HC排放上升的现象，可能的原因是高负荷工况下缸内压力变大，随着喷油正时的提前，更多的燃料进入了缸内余隙。此外滞燃期变长，燃油裂解程度加深，HC排放增加［8］。

图12 不同负荷下喷油正时对HC排放量的影响

柴油机燃烧过程中，碳烟颗粒物主要生成于缺氧和高温的扩散燃烧中。图13为不同负荷工况下喷油正时对碳烟排放量的影响规律。随着喷油提前角的加大，碳烟排放量增加。文献［8］中对小缸径柴油机喷油参数影响的研究表明，随着喷油提前角的增加，涡流作用可以更好地促进燃油喷雾与空气混合，燃烧更加充分，呈现出碳烟排放下降而NOx排放增加的现象。而图13中观察到的现象与此结论相反。原因可能是：本文中的研究对象为大缸径船用柴油机，活塞环与缸壁之间的间隙绝对量相对更大些，喷油提前角加大时，活塞位置相对靠下，部分燃油会由于碰壁作用进入到缸壁与活塞的缝隙之中，这部分燃料不能够进行充分燃烧，会形成大量的颗粒物。

图13 不同负荷下喷油正时对碳烟排放量的影响

图14为曲轴转角0°下缸内物质质量分布。由图14可以观察到，余隙中物质质量明显分布较多，在相同0°曲轴转角的截图中，不同负荷情况下缸内的物质分布较多集中在边缘，发动机余隙中物质质量明显分布较多，文献［19］中的低温燃烧研究也发现了这一现象。

图14 曲轴转角0°下发动机缸内物质质量分布

在图13中观察到-7°喷油正时工况下碳烟的排放量相对最少。碳烟排放量随喷油提前角加大而增加。文献［20］中对不同喷油正时下形成的碳烟颗粒展开研究发现，喷油正时提前，空气与燃料混合较好，气缸温度较高，滞燃期较长，先导喷射会使碳烟颗粒的一次粒径更小，纳米结构更有序，石墨化程度更高；若喷油正时推后，产生的含有机碳较多的煤烟颗粒尺寸更大，边界更模糊。在实际反应过程中，碳烟颗粒的纳米结构越无序，有机碳含量越高，其氧化反应性越好，碳烟排放量越小，和图13中碳烟排放量与喷油正时的关系趋势相同。

2.4 试验结果与分析

分析前文模拟研究结果的趋势，考虑相关污染物排放限值，将该型号的大缸径船用柴油机的最优喷油正时调整为-10°，在试验台架上研究了喷油正时对排放特性的影响。

图15为不同负荷下不同污染物的试验值与模拟值对比结果。观察可知，在-10°喷油正时下，NOx排放在50%负荷以下最低。100%负荷、-10°喷油正时下，NOx的排放量低于该负荷下-9°喷油正时工况的NOx排放量。并且100%负荷、-10°喷油正时工况下的CO排放量和碳烟排放量也是相对最低的。碳烟排放量在-10°喷油正时工况下为0.04 g/（kW·h），低于其他喷油正时工况下0.12 g/（kW·h）～0.16 g/（kW·h）的碳烟排放量。虽然在-10°喷油正时工况下，HC排放量在中高负荷工况下相对较高，但最大排放量差值仅比其他两个工况高不到30%。综合考虑，-10°喷油正时在发动机全负荷工况下是相对较优的控制参数。此外可观察到，在不同发动机负荷工况下，排放浓度试验值的变化趋势与模拟计算值的变化趋势相同。此结果证明了基于仿真结果的试验工况优化工作对实际工程应用具有指导意义，可降低研发工作中的经济成本，缩短研发周期。

图15 不同负荷下污染物的试验值与仿真值对比

3 结论

（1）模拟计算结果表明，大缸径船用柴油机的缸内燃烧过程较为缓慢，燃烧方式以扩散燃烧为主。最高燃烧压力与喷油正时密切相关，在喷油正时为-8°和-9°时，最高燃烧压力出现明显提升。原因是缸内涡流团运动，燃油喷雾扩散运动和燃烧相位改变的综合作用。喷油正时提前，滞燃期延长，燃油喷雾扩散程度加大，缸内混合气相对均匀，燃料燃烧更加充分，放热率峰值也与喷油提前角的增加呈正比关系。

（2）随着柴油发动机缸径的增大，适用于中小缸径柴油机的污染物生成规律可能不再适用。大缸径船用柴油机的试验和模拟计算结果表明，随着喷油提前角的增加，NOx排放降低，碳烟排放少量增加。原因是大型柴油发动机运转速度偏慢，喷油提前角加大使扩散时间增加，缸内的高当量比区域减少，燃烧过程更接近低温燃烧。碳烟排放增加的原因是不能忽略大缸径发动机余隙容积的影响，余隙中的燃料无法充分燃烧，容易形成碳烟颗粒。

（3）依据模拟计算结果，确定-10°为该大缸径船用柴油机的最佳喷油正时。柴油机的NOx、CO和HC排放的台架试验数据变化趋势与模拟计算结果一致。