喷油正时对正丁醇缸内直喷发动机性能影响分析

刘增斌，甄旭东，耿 杰，刘大明

喷油正时对正丁醇缸内直喷发动机性能影响分析

刘增斌，甄旭东，耿 杰，刘大明

（天津职业技术师范大学，天津 300222）

为解决正丁醇燃料应用于缸内直喷发动机时易造成混合气质量差的问题，以某款缸内直喷发动机为例，基于发动机的工作过程，采用三维计算流体力学（CFD）软件搭建了缸内直喷发动机的单缸物理模型，分析不同喷油正时对发动机性能的影响。研究结果表明，相对于推迟喷油，提前喷油提供了更多空气与燃料的混合时间，能够获得更好的混合气质量，从而能够达到较高的缸内压力，并能减少CO、soot和HC的排放，但NOX的排放增加。

正丁醇；缸内直喷；喷油正时；燃烧；排放

为满足日益增长的能源需求、提高国家能源安全以及实现“双碳”战略，开发清洁高效的可再生燃料迫在眉睫。正丁醇因为具有较高的能量密度和可再生的特点受到了越来越多科研人员的重视[1-2]。近年来，正丁醇的发酵方法取得了重大突破，极大地降低了其制取成本。但由于正丁醇较低的雾化性能和挥发性能，使得其应用于缸内直喷发动机中容易造成混合气质量差，进而导致燃烧性能恶化和排放污染物增加[3]。喷油正时对混合气形成至关重要，喷油正时过早或过晚都不利于良好混合气的形成[4-5]。内燃机中的喷雾和燃烧过程是多物理场间复杂的相互作用，而通过发动机台架实验的方法不能观察到具体的混合气形成和燃烧过程，采用数值模拟的方法能够获得完整的物理和化学反应过程[6-7]。本文利用一维和三维仿真平台，基于搭建的发动机单缸模型，采用详细的正丁醇化学反应动力学机理，在一台缸内直喷火花点火发动机中研究了喷油正时对纯正丁醇燃料燃烧和排放性能的影响，旨在探索正丁醇燃料应用于发动机中的最佳喷油正时。

1 模型建立及验证

1.1 发动机模型

一台直列四缸缸内直喷发动机被用于研究，发动机的进气方式为废气涡轮增压。发动机的三维模型计算区域如图1所示。三维发动机模型的计算区域包括进气道、排气道和燃烧室。喷油器安装在进气侧，喷油器与缸壁之间的夹角为45°，每个喷孔的直径为158 μm。火花塞安装在汽缸盖的中心位置。活塞顶的形状为凹型，混合气的形成方式为壁面引导。发动机的主要技术参数及初始和边界条件如表1所示。定义0°CA为压缩行程上止点。三维发动机模型的初始和边界条件来自一维发动机模型，一维发动机模型已经与实验进行过标定。

1.2 数值模型

三维计算流体力学仿真平台被用于模拟缸内湍流运动、喷雾和化学反应过程。RNG k-ε模型被用于模拟缸内湍流运动。Bai-Gosman模型被用于模拟液滴和壁面的碰撞反应[8]。使用KH-RT模型模拟喷雾液滴的破碎过程。SAGE详细化学反应动力学模型被用于模拟缸内整体的化学反应过程。正丁醇的详细化学反应动力学机理使用了Black等[9]的研究结果。该反应机理共包含234个组分和1 399个化学反应，能够准确地模拟正丁醇燃烧的化学反应过程。所建立的三维模型的基础网格尺寸为1 mm，在上止点附近的网格数为20万，在计算过程中的最大网格数为150万。

1.3 模型验证

为了确保模型能够准确模拟发动机的实际工作过程，在仿真之前需要对所建立的模型进行准确性标定。在本研究中，正丁醇喷雾和燃烧缸内压力与实验结果进行了标定。喷雾实验在高压气动喷雾试验台中进行。喷雾标定实验和仿真均喷射到定容弹中，实验台中的定容弹配置了加温和加压装置。图2(a)可以观察到实验与仿真的贯穿距拟合较好，表明建立的喷雾模型能够准确模拟正丁醇的喷射过程。燃烧模型与Li等[10]的实验结果进行了标定。图2(b)表明实验与仿真之间的缸内燃烧压力曲线误差较小，因此该模型能够满足仿真要求。在建模过程中对网格敏感性进行了分析，如图2(c)所示，不同网格尺寸下的计算结果基本相同，表明所选择的基础网格尺寸能够达到仿真精度。

2 结果与分析

本文中，发动机的节气门处于全开状态，在进气冲程进行燃油喷射。燃烧模式为均质燃烧，缸内整体当量比设置为1。发动机的转速设置为1 500 r/min。喷油正时设置为-320°、-300°、-280°和-260°CA。燃油喷射压力为18 MPa，喷射质量为54.9 mg，喷油持续期为30.2°CA。发动机的主要运行条件如表2所示。

表2 数值计算模型

2.1 喷射正时对混合气形成的影响

图3为不同喷油正时下喷油之后30°CA的缸内速度场剖面图，箭头的方向为流场的方向。可以观察到，由进气形成的流场方向为顺时针方向。在喷油正时为-320°CA喷射时，喷雾羽束对进气流场的发展阻碍作用最大。而随着喷油正时的推迟，喷雾羽束方向与进气流场方向相同的趋势增加，喷雾羽束对进气流场的发展阻碍作用减小。

图3 不同喷油正时下喷油之后30°CA的缸内速度场剖面图

图4(a)为不同喷油正时下的缸内滚流比。本文设定由进气形成的缸内滚流为正向滚流。随着喷油正时的提前，缸内滚流比逐渐减小，通过联系图3可以观察到发现，随着喷油正时的提前，燃油喷射对进气滚流的阻碍作用增大。尤其是在-320°CA喷油，燃油喷射对缸内滚流的阻碍作用最大，在缸内形成了明显的负滚流，直到点火时刻缸内滚流比仍然较小。在喷油正时为-260°CA时，缸内滚流比与未喷油时的滚流比大致相同，甚至有略微增加的趋势，表明此时喷雾羽束方向与进气流场方向大致接近。

图4(b)为不同喷油正时下的液膜质量。从图中可以观察到，除喷油正时为-260°CA外，随着喷油正时的推迟，液膜质量逐渐减少。这是因为随着喷油正时的推迟，喷油器与缸壁之间的距离增大，喷雾羽束的贯穿距离增加使得更多的正丁醇在到达壁面之前就已经蒸发，从而减少了正丁醇附壁的质量。而在喷油正时为-260°CA时，由于进气流场方向与喷雾羽束方向基本相同，流场携带着更多的液滴碰撞到了壁面从而提高了液膜质量。但在所有喷油正时下的液膜在-100°CA前均已完全蒸发，而且喷油正时越早，液膜开始蒸发的时间提前，蒸发完成的时间越早。

图4 喷油正时对滚流比、液膜质量、蒸发速度和混合气不均匀性的影响

图4(c)为正丁醇的蒸发速度曲线。随着喷油正时的推迟，正丁醇蒸发完成的时刻推迟。喷油正时从-320°CA到-260°CA 95%的正丁醇从液态蒸发成气态的时刻分别为-214.5°CA、-174.4°CA、-123.6°CA和-116.7°CA。由此可见在低发动机转速下，正丁醇的蒸发速度受蒸发时间的影响更大。即随着喷油正时的推迟，正丁醇的蒸发时间推迟，因此蒸发完成的时刻也相应推迟。

图4(d)为不同喷油正时下的混合气不均匀性指数。混合气不均匀性指数根据网格的当量比标准差计算所得，数值越小表示混合气越均匀。从图中可以观察到，除喷油正时为-320°CA外，随着喷油正时的推迟，点火时刻混合气的均匀性越低。这是因为随着喷油正时的推迟，燃料随流场扩散的时间缩短，因此混合气的均匀性降低。而在-320°CA喷油时的混合气均匀性低于喷油正时为-300°CA，这是由于喷油正时为-320°CA时，燃油喷射极大的减小了缸内滚流比，因此降低了缸内流场强度，使得浓混合气随流场扩散的趋势降低，从而抵消了早喷具有更长混合时间带来的优势。

2.2 喷射正时对燃烧的影响

图5(a)为不同喷油正时下的燃烧相位图。CA10、CA50和CA90分别表示缸内10%、50%和90%的正丁醇燃烧所需要的时间。可以观察到CA90与点火时刻的混合气不均匀性指数有一定的联系，即混合气不均匀性指数越高，CA90的时间越长。喷油正时为-300°CA时的CA50和CA90明显短于其他喷油正时。这归因于喷油正时为-300°CA时，混合气均匀性高，因此火焰传播速度较快，加速了燃料的燃烧，缩短了CA50和CA90。随着喷油正时的推迟，混合气的均匀性降低，因此火焰传播速度降低从而延长了CA90。喷油正时为-260°CA时，虽然混合气均匀性较低，但其CA10和CA50也相对较短，这是由于该工况缸内流场速度较快，加速了初始火核的形成从而缩短了CA10和CA50。

图5 不同喷油正时下的燃烧相位、缸内压力和缸内温度

图5(b)为不同喷油正时下的缸内压力和放热率曲线。可以观察到在喷油正时为-320°CA时，因为混合气均匀性较低，因此缸压峰值低于喷油正时为-300°CA。喷油正时为-300°CA的缸内压力峰值达到了8.3 MPa。这是因为在该工况时燃烧相位CA90最短，大部分的燃料都在上止点附近燃烧，容积效率高因此具有较高的缸压峰值。而随着喷油正时的推迟，燃烧相位CA90延长，燃烧放热时间相对靠后并逐渐远离上止点，降低了容积效率从而使得缸压峰值下降。从放热率曲线也可以观察到，喷油正时为-300°CA时，燃烧速度最快，放热相位最靠前且峰值较高，而喷油正时为-260°CA时的燃烧速度较慢，放热率峰值最低且放热持续期长。

图5(c)为不同喷油正时下的缸内温度曲线。可以发现，在喷油正时为-300°CA时，由于大部分燃料都在上止点附近燃烧，而且此时容积效率较高，使得缸内温度峰值较高。而喷油正时为-260°CA时，燃烧相位靠后，而且此时容积效率较低，导致缸内温度较低。

2.3 喷射正时对排放的影响

图6(a)为不同喷油正时下的soot和NOX的排放。可以观察到soot与NOX的排放量有着相反的趋势。除喷油正时为-320°CA外，随着喷油正时的推迟，soot的排放逐渐升高，而NOX的排放量逐渐降低。这是因为随着喷油正时的推迟，混合气均匀性降低，因此增加了soot的生成。但由于随着喷油正时的推迟，燃烧缓慢导致燃烧温度下降，因此NOX的生成量降低。

图6 不同喷油正时下的CO、NOX、soot和HC排放

图6(b)为不同喷油正时下的CO和HC的排放。可以发现CO和HC有着相同的排放趋势。这主要是因为CO和HC都容易在燃烧不完全的情况下生成。当混合气不均匀时，存在局部过浓和过稀的混合气，导致部分区域的燃料燃烧不完全从而增加了CO和HC的排放。尤其是喷油正时为-280°CA和-260°CA时，混合气质量相对较差，因此CO和HC的排放量较高。

3 结论

本文通过数值模拟的方法研究了喷油正时对燃用纯正丁醇燃料的缸内直喷发动机混合气形成过程、燃烧和排放特性的影响。

1）对于正丁醇这种低挥发性和雾化性能的燃料，相对于推迟喷油，在-300°CA时喷油提供了更多空气与燃料混合的时间，从而能够获得更高的混合气均匀性，而过早地喷油也会降低混合气均匀性。

2）喷油正时为-300°CA时由于具有更高的混合气质量，从而能够达到较高的缸内压力，并减少CO、soot和HC的排放，但NOX的排放增加。而提前或者推迟喷油都会造成燃烧压力下降。尤其是推迟喷油，缸内压力下降明显。

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Analysis of the Impact of Injection Timing on the Performance of an N-Butanol Direct Injection Engine

LIU Zengbin, ZHEN Xudong, GENG Jie, LIU Daming

( Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222, China )

To improve the suboptimal air-fuel mixture quality found when using n-Butanol fuel in direct injection engines, this study uses a specific engine model as an example and establishes a single-cylinder physical model with 3D computational fluid dynamics (CFD) software, based on the engine’s operational process. The study aims to analyze how various injection timings influence engine performance. The investigation reveals that advancing the injection timing, compared to delayed injection, provides more time for the air and fuel to mix, resulting in a better air-fuel mixture quality. Improved mixture quality leads to increased in-cylinder pressure and decreased emissions of CO, soot, and HC. However, it is imperative to note that this adjustment engenders an increment in the emission of NOX.

N-Butanol; In-cylinder direct injection; Injection timing; Combustion; Emission

TK421

A

1671-7988(2023)21-48-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.010

刘增斌（1997－），男，硕士研究生，研究方向为替代燃料发动机燃烧性能，E-mail:1843847684@ qq.com。