喷射压力对燃油喷雾和油气混合特性的影响

解方喜，于泽洋，刘思楠，曹晓峰，贾贵起，洪 伟

（1.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022；2.东风朝阳朝柴动力有限公司，辽宁 朝阳 122000）

喷射压力对柴油机的性能和排放水平有显著的影响，提高喷油压力一直是柴油机燃油喷射系统追求的基本目标之一［1－2］。众多研究表明:提高喷射压力能使喷雾粒子更加细化，提高喷雾粒子的蒸发速度和形成燃油蒸汽，改善了燃油的扩散和油气混合特性，并且有利于降低PM、碳烟以及CO的排放。然而，在实际研究工作中和一些文献中均表明［3－4］，在传统喷雾扩散燃烧模式下喷射压力的提高对碳烟排放的改善效果存在一定限制，当喷射压力提高到一定程度后对碳烟的改善效果降低。

在前人研究的基础上，本文利用三维CFD软件Fire针对一台共轨柴油机研究了喷射压力对油气混合和有害排放物生成的影响。同时，在研究过程中笔者还对网格单元的一些微观参量进行了统计分析，从而对喷射压力的影响有了更为深入和定量的认识。

1 数学模型与计算方法

本文针对一台高压共轨柴油机进行研究，其主要技术参数如表1所示。图1所示为在上止点位置时的燃烧室网格，鉴于该柴油机的活塞形状为轴对称结构，且喷嘴上的喷孔分布也成均布结构，在建立燃烧室计算网格时仅采用该燃烧室实际尺寸的1／7。

表1 发动机技术参数Table 1 Engine specifications

图1 计算网格Fig.1 Computational mesh

在模拟过程中利用标准k－ε湍流模型对缸内气流运动进行描述；利用Dukowicz模型模拟油滴的温升和蒸发；利用Walljet1模型模拟油滴碰撞到壁面时的形貌和运动变化过程；利用Diesel core injection模型［5］模拟燃油射流油束的初次雾化过程，该模型中考虑了空穴、湍动能和气动力等多种因素的影响，且模拟过程中首先利用三维CFD软件对燃油在喷孔内的流动过程进行模拟，并将喷孔出口的流动特征参数赋值给该初次雾化模型，作为其初始边界条件；利用KH－RT模型对初次雾化过程行程的小液滴的二次破碎过程进行模拟；利用Shell模型描述缸内燃油的自燃过程；利用EBU湍流控制燃烧模型模拟燃烧室燃油的燃烧过程；利用扩大的Zeldovich模型模拟NO的生成过程；利用Kennedy＿Hiroyaru＿Magnussen模型对Soot生成和氧化过程进行模拟。模拟中采用SIMPLE算法进行计算，该算法是求解压力耦合方程的半隐式算法，基本思想是先假定一压力场，代入动量方程求得速度场，如果该速度场满足连续方程，则流场求解完毕。

2 结果及分析

2.1 喷射压力对燃油喷雾特性的影响

首先利用定容可视试验装置对喷雾模型进行校验。该装置主要由高速摄像机、大功率光源、可视容器、轨压控制装置和喷油器通断控制装置等组成，其实物图如图2所示。高速摄影机采用Phantom v7.3，每隔0.1ms拍摄一张照片。

图2 可视喷雾实验装置实物图Fig.2 Experiment apparatus of spray visual system

图3所示为环境背压为3.0MPa，燃油喷射压力分别为80、100、120和140MPa时的喷雾贯穿距离和锥角的实验结果与模拟结果对比情况。如图可见，当喷射压力升高后，喷雾油束的贯穿距离呈现增大的趋势，这与以前的研究结论相类似。原因是随着喷射压力的增大，燃油的射流速度加快，其所携带的动能提高，使得喷雾油束的贯穿距离增大。然而，通过如图3所示的喷雾锥角瞬态变化可以发现，不同喷射压力下的实测喷雾锥角的变化是极为不规则的，这主要是因为实验过程中喷油器的安装角度存在不足，致使喷雾体的形貌在投影平面上发生了重叠（如图2所示）。通过模拟获得的喷雾锥角结果发现，整体上喷雾锥角随喷射压力的增大呈现降低的趋势。

图3 喷射压力对喷雾贯穿距离和锥角的影响Fig.3 Influence of injection pressure on spray penetration and Spray cone angle

2.2 喷射压力对缸内油气混合过程的影响

图4所示为喷射压力分别为80、100、120和140MPa时对缸内喷雾油滴索特平均直径（SMD）的影响。在本文研究中，进行缸内模拟时，保持喷入缸内的燃油量不变，为30.8mg，故当喷射压力变化时，喷油持续期也会发生改变，当喷射压力为80MPa时喷油持续期为1295μs，140MPa时为814μs。

由图4可见，当喷射压力提高后，喷雾油滴的SMD变小，有利于改善燃油的雾化质量。这是因为喷射压力提高后燃油的运动速度加快，油束与空气之间的扰动作用加强，促进了喷雾油滴的破裂及雾化。同时，当喷射压力增大时，对于传统的喷雾扩散燃烧模式来说燃油的放热速度增大，缸内同比具有更高的压力与温度，这在一定程度上也会促进燃油雾化和蒸发。

图4 喷射压力对SMD的影响Fig.4 Influence of injection pressure on SMD

图5示出了喷射压力为80、100、120和140 MPa时的缸内燃油蒸发率的变化情况。燃油蒸发率定义为:已蒸发燃油质量与已喷入缸内燃油质量之比。由图可见，当喷射压力增大时，虽然单位时间内喷入缸内的燃油量会有所增加，但由于喷入缸内燃油的雾化和蒸发质量改善，使得燃油蒸发率仍呈现增加的趋势，即在相同曲轴转角下燃油蒸发率值相对较高。例如，在4°CA ATDC下，140MPa喷射压力时的燃油蒸发率为80MPa喷射压力时的1.54倍，燃油雾化质量显著提高。

图5 喷射压力对燃油蒸发率的影响Fig.5 Influence of injection pressure on fuel evaporation rate

为深入分析喷射压力对柴油机缸内燃油扩散和分布特性的影响，研究过程中对模拟结果进一步进行了后处理分析。图6和图7分别示出了喷射压力对缸内燃油不同浓度分布区间的体积比值ηeq和质量比重Meq的影响。研究中利用燃空当量比（eq）来表征各个网格单元内的混合气浓度状态，并通过预设的燃空当量比（eq）取值范围将全部缸内网格单元划分为10个子集合（见图6和图7）。ηeq为各浓度范围的网格单元子集合的体积之和与此时燃烧室总体积的比值；Meq为各浓度范围的网格单元子集合的未燃油质量之和与此时缸内未燃油总质量之比。

由图6可见，提高喷射压力后由于燃油喷射为缸内带来了更多的能量，使得未燃燃油的扩散能力加强，缸内燃油的空间分布体积快速增加，在燃烧过程中前期表现尤为明显。例如10°CA ATDC时，140MPa工况时eq＞0.1的体积比重达到了67%，而80MPa时仅为50%。同时，当喷油结束后，对于喷射压力较高的工况，其eq值较高区域的体积比重快速降低及消失。对于140 MPa喷射压力工况，其至35°CA ATDC时缸内eq＞1.5的区域基本消失殆尽。而对于80MPa工况eq值较高区域体积的缩小速度相对较慢，在40°CA ATDC时在缸内eq＞1.5的区域仍有15%左右。

图6 喷射压力变化对不同浓度ηeq的影响Fig.6 Influence of injection pressure onηeq of different fuel concentration ranges

由图7可见，燃油喷射过程开始后，对于喷射压力较高的工况，其高浓状态的未燃燃油的质量比例增加速度较快，并具有相对较高的比重峰值，140MPa工况时eq＞2的质量比例峰值达到了80%，而80MPa时为70%。由于提高喷射压力后燃油的喷射速率增加，相同时间内喷入缸内的燃油量增多，使得未燃燃油相对较多地聚集在一起。同时，当喷油结束后，对于喷射压力较高的工况，其高浓区燃油具有相对更高的扩散速度，高浓区域未燃燃油的质量比重快速降低。对于140 MPa喷射压力工况，至35°CA ATDC附近时缸内的未燃燃油基本均以eq＜1.5的浓度状态存在。而对于80MPa工况eq值较高区域的质量比重的降低速度相对较慢，在40°CA ATDC时缸内80%以上的未燃燃油以eq＞1.5的浓度状态存在。

图7 喷射压力变化对不同浓度Meq的影响Fig.7 Influence of injection pressure on Meqof different fuel concentration ranges

图8 喷射压力对燃油分布体积分数Фfv的影响Fig.8 Influence of injection pressure onФfv

图8所示为喷射压力为80、100、120和140 MPa时的缸内未燃燃油分布体积分数Фfv的变化情况。Фfv定义为eq大于0.1的网格单元体积加和与此时刻的燃烧室总体积的比值，在研究中发现eq大于0.1范围的未燃燃油质量可达缸内总的未燃燃油质量的95%以上。由图8可见，提高喷射压力后，缸内燃油的空间分布区域增大，且在燃烧中、前期（0～20°CA ATDC）表现尤为明显。然而，在燃烧过程后期（大于20°CA ATDC后）虽然对喷射压力较高的工况其Фfv也有一定程度的升高，但这种升高幅度已经极为微弱了。

图9所示为喷射压力为80、100、120和140 MPa时的缸内混合气平均浓度EQfm的变化情况。EQfm是以各网格单元内的未燃燃油质量分数作为加权因子的燃空当量比（eq）统计值，可以更好地反映燃油浓度整体的变化情况。从图中可以看到，在燃油喷射过程初期，对于喷射压力较高的工况其EQfm统计值升高更为迅速，并具有较高的峰值，当喷射压力由80MPa增加到140MPa后，EQfm统计值的峰值由3.8增加到4.7左右。结合前面所述可知，当喷射压力提高以后相同时间内喷入缸内的燃油量增加，形成的燃油蒸汽较多，虽然此时燃油的空间分布体积也有所增加，但是其空间扩散速度滞后于燃油量的增加速度，使得燃油的分布相对更为集中，燃油的平均浓度较高。同时，对于柴油机缸内进行的传统喷雾扩散燃烧模式而言，由于燃烧滞燃期极为短暂，且提高喷射压力后燃油的放热速度加快，相同时间内释放的热量较多［3－4］，使得缸内的温度相对较高，结合此时燃油较高的分布浓度，则非常有利于Soot的形成。同时，从图9中还可以看到，对于喷射压力较高的工况，当EQfm统计值到达峰值后迅速降低，且在燃烧过程中、后期EQfm统计值同比明显降低。对于喷射压力为140MPa的工况，在10°CA ATDC后，其EQfm统计值较80、100和120 MPa喷射压力工况均有明显降低。针对这一现象而言，提高喷射压力有利于改善混合气的形成质量，使燃油的分布浓度相对降低，且这在一定程度上也有利于促进Soot氧化过程的进行，降低Soot的最终生成量。

图9 喷射压力对EQfm的影响Fig.9 Influence of injection pressure on EQfm

2.3 喷射压力对NO和Soot的影响

图10所示为不同喷射压力下的Soot平均生成率与平均生成量曲线。从图10（a）可以发现，增加喷射压力后，Soot平均生成速度的峰值较高，上升速度较快，说明在此阶段对于高喷射压力工况将会有较多的Soot生成，图10（b）也证实了这一点。结合上面的论述可以发现，随喷射压力的提高，在燃烧过程中、前期，燃油蒸汽的分布相对更为集中，且燃油的燃烧速度较快，易于形成局部高温贫氧区，从而促进了Soot的形成。同时，对于喷射压力相对较高的工况，当其Soot平均生成速度到达峰值后会更为快速地降低到最小值，且Soot生成率的最低值相对更低。由于提高喷射压力后，缸内工质的运动得以加强，促进了工质之间的交换和混合气的形成，使得Soot的氧化加强。从图10（b）中看到，随着喷射压力的提高，Soot平均生成量的峰值及最终生成量都显著降低。然而，当喷射压力提高到一定程度后继续提高喷射压力对Soot生成量峰值和最终生成量的影响敏感性降低。从图中可见，当喷射压力由120MPa提高到140MPa后，Soot生成量峰值的降低趋势明显减弱，同时，提高喷射压力后燃烧过程末期的缸内温度相对较低［4］，使得Soot的后期氧化减弱，使得Soot最终生成量总量的降低趋势减弱。

图10 喷射压力对Soot生成率与生成量的影响Fig.10 Influence of injection pressure on yield and formation rate of soot

图11为喷射压力对NO生成量的影响。从图中可以发现，随喷射压力的提高，燃烧过程中NO的生成量均显著升高，这是因为提高喷射压力可使燃油的放热速度升高，缸内温度上升较为快速。

图11 喷射压力对NO生成量的影响Fig.11 Influence of injection pressure on yield of NO

图12为不同喷油压力条件下的消光烟度和NOx的实验结果。由图可见，随喷射压力的升高，NOx的排放增加，烟度下降，但在喷射压力较高（120～140MPa）时，喷射压力对碳烟影响的敏感性降低。通过前面的模拟研究发现，当喷射压力提高到一定程度后，一方面由于燃烧前期的油气混合相对更为集中，使得Soot生成量峰值的降低效果减弱，另一方面由于燃烧末期的Soot氧化减弱，使得喷射压力对排气中炭烟排放的影响敏感性降低。

图12 喷射压力对消光烟度和NOx影响的试验结果Fig.12 Experiment result of influence of injection pressure on soot and NOx

3 结 论

（1）提高喷射压力后，燃油的贯穿距离增大，雾化质量改善，且加强了其扩散运动，使得燃油的空间分布体积增加。

（2）提高喷射压力后，高浓燃油所占的质量分数增加速度较快，并具有相对较高的质量分数峰值。然而，当喷油结束后，高喷射压力工况的高浓区域的未燃燃油质量质量分数快速降低，油气混合情况改善。

（3）当喷射压力由80MPa提高到140MPa后，在燃烧过程中、前期，油气混合更为恶化，缸内混合气平均浓度峰值由3.8增大到4.7，促进了炭烟的形成。然而，整体上随喷射压力的提高炭烟的最终生成量降低，而NOx排放量增加。

（4）当喷射压力高于120MPa后，一方面由于燃烧前期的油气混合相对更为集中，使得炭烟生成量峰值的降低效果减弱，另一方面由于燃烧末期的炭烟氧化减弱，使得喷射压力对排气中炭烟排放的影响敏感性降低。

［1］Stone Richard.Introduction to Internal Combustion Engines［M］.2nd Edition.USA:SAE Inc，1997.

［2］Flynn P F，Durett R P，Hunter G L，et al.Diesel combustion:an integrated view combining laser diagnostics，chemical kinetics，and empirical validation［C］∥SAE Paper，1999－01－0509.

［3］田径，刘忠长，李勇，等.燃油喷射参数对共轨柴油机性能的影响规律［J］.工程热物理学报，2009，30（12）:2153－2156.Tian Jing，Liu Zhong－Chang，Li Yong，et al.Influence law of fuel injection parameters on performance of a common rail diesel engine［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2012，30（12）:2153－2156.

［4］李小平，姜北平，解方喜，等.喷射参数对柴油机燃烧与排放特性的影响［J］.内燃机学报，2012，30（1）:22－28.Li Xiao－ping，Jiang Bei－ping，Xie Fang－xi，et al.Effects of injection parameters on combustion and emissions of diesel engine［J］.Transactions of CSICE，2012，30（1）:22－28.

［5］Berg E V，Edelbauer W，Alajbegovic A，et al.Coupledsimulation of nozzle flow，primary fuel jet breakup，and spray formation［J］.Journal of Engineering for GasTurbines and Power，2005，127（4）:897－908.