关键喷油参数对柴油机性能影响研究

字进远

摘要：應用AVL的FIRE软件，以某型高压共轨柴油机为仿真对象，在不同的喷油正时条件下，对缸内喷雾及燃烧过程进行三维模拟计算，分析这个参数的变化对柴油机温度场、压力场、碳烟和氮氧化物浓度分布等的影响。仿真计算结果表明，喷油正时提前，缸内最高压力、最高燃烧温度上升，NO排放浓度增加，碳烟排放浓度降低。当喷油正时提前10°CA时，缸内最高压力增加4.2MPa，最高燃烧温度上升282.02K，NO排放浓度增加5.43倍，最高碳烟排放浓度降低了1.33倍。

Abstract： Apply AVL FIRE software， choose a type of high pressure common rail diesel engine as the simulation object， under different fuel injection timing conditions， to do three-dimensional simulation of the spray and combustion process in the cylinder， analyze the influence of the change of this parameter on the temperature field， pressure field， soot and nitrogen oxide concentration distribution in diesel engine. The simulation results show the injection time is advanced， the maximum pressure in the cylinder， the highest combustion temperature rise， the NO emission concentration increases， the smoke emission concentration decreases. When the injection timing is advanced 10° CA， the maximum pressure in the cylinder increases by 4.2MPa， the maximum combustion temperature rises by 282.02K， the NO emission concentration increases 5.43 times， the maximum smoke emission concentration decreases by 1.33 times.

关键词：柴油机；高压共轨；喷油正时；仿真计算；FIRE

Key words： diesel engine；high pressure common rail；fuel injection timing；simulation calculation；FIRE

中图分类号：TK423 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）16-0124-04

0 引言

近年来，高压共轨柴油机在我国得到广泛应用，不仅有喷油正时控制及喷油压力、喷油量灵活可调等优势，还能够实现多次喷射，且在满足各项基础功能的前提下，还能够利用较少的成本同时控制微粒和氮氧化物，实现排放达标[1]。柴油机包含元素众多，各类元素多多少少都影响着柴油机的性能，其中喷油参数对柴油机的油气混合和燃烧品质具有直接的影响，应对此予以重视。为此，很多专家学者研究了喷油参数对柴油机的影响，发现喷油参数中喷油正时跟柴油机燃烧进程之间存在直接的联系，影响着柴油机的燃油经济性、工作柔和程度及排放。在这种情况下，系统研究喷油正时对高压共轨柴油机燃烧和排放性能的影响规律很有必要。AVL FIRE软件的出现为该研究提供了便利，它能够精确模拟复杂的多维气体流动现象，有利于研究喷油正时对柴油机各项参数的影响规律，包括温度场、燃烧压力场、碳烟和NOx排放浓度场等。

1 计算模型的建立及验证

1.1 模拟计算条件

本文主要研究了水冷、四冲程、直列四缸、直喷式增压柴油机，其参数如表1所示。

1.2 几何模型

利用UG软件将燃烧室的几何实体模型建立起来，并将其导入到AVL-FIRE软件内。由于应用软件自带Fame Meshing功能，能够自动划分燃烧室网格，从而形成体网格。之后利用Fame Engine生成动网格，并采用网格工具将其更加合理性，处理后的活塞表面结构网格如图1所示。

1.3 计算模型的选取

实际上对发动机缸内进行多维数值模拟的过程就是对可压缩粘性流体的Navies-Stokes方程进行数值求解的过程[7]。该过程遵循多个方程，包括理想气体状态方程、质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程[8]。选取Kinetic Model模型作为Soot排放模型；选取Extended Zeldovich模型作为NOX排放模型；选取ECFM 3Z-Coherent Flame Model模型作为燃烧模型；选取WAVE模型作为油滴破碎模型；选取Dukowicz模型作为蒸发模型；选取Schmidt模型作为粒子相互作用模型；选取k-zeta-f模型作为湍流模型。

1.4 初始条件及边界

1.4.1 初始条件

为使求解过程收敛，计算结果准确，应对初始条件进行合理的设定。在FIRE软件中，发动机缸内的燃烧过程计算是以曲轴转角为步长进行计算的，为研究缸内燃烧和排放情况，选择计算起始角为584°CA（进气门关），关闭角为860°CA（排气门开）。根据湍动能（TKE）和湍流长度尺度（TLS）计算公式[9]，可确定进气门关闭时，燃烧室内TKE=22.2338m^2/s^2，TLS=4.827mm。

1.4.2 边界条件

边界条件分为温度边界条件和速度边界条件。温度边界条件采用恒温边界，缸盖底面温度为544K，活塞顶面温度为558K，气缸壁面温度为482K。速度边界条件设定[10]：气缸壁面为静止壁面，活塞顶面速度为活塞的运动速度。

1.5 模型验证

本文对比分析了转矩为200N·m，转速为2200r/min工况下的模拟数据和测量数据，结果如图2所示，以此来验证仿真模型是否可行。分析图2可知，测量压力曲线和模拟压力曲线几乎一致，虽然两者之间存在一定程度上的误差，但是误差都小于5%，属于合理的范围，能够满足模拟计算的要求。由此可得出如下结论：该型柴油机的实际燃烧过程能够由此计算模型反映出来，通过对该模型进行计算能够获取柴油机实际燃烧过程的一些参数，有利于对其燃烧过程和排放影响的研究。

2 计算结果及分析

在建立模型和设定边界条件的基础上，把喷油正时分别设定为：11°BTDC、9°BTDC、7°BTDC、5°BTDC、3°BTDC、1°BTDC（活塞上止点为720°CA），然后对模型逐一计算。

2.1 喷油正时对缸内平均压力及压力场的影响

由图3可知，喷油正时提前气缸内最大爆发压力Pmax就会越大，喷油正时提前11°CA，最高压力增加了4.2MPa。这是因为喷油提前角增加，滞燃期会变长，在滞燃期进入燃烧室的燃料就会增多，在着火前形成的可燃混合气就增多。喷油正时为11°BTDC，9°BTDC，7°BTDC时，压力曲线最高点附近无明显的第二个波峰，而喷油正时为5°BTDC，3°BTDC，1°BTDC时，出现了较为明显的压力波动变化，这说明随着喷油的滞后，燃油蒸发过程会明显降低缸内温度，影响缸内压力变化。

压力场受不同喷油正时下部分转角的影响，为了解其影响规律，对其进行了必要分析，发现在喷油后5°CA～30°CA范围内压力场的变化最为明显。压力场随着喷油正时下部分转角的不同而表现出明显的不同，当喷油正时是7°BTDC，11°BTDC时，其压力场较高，而当喷油正时是3°BTDC ，5°BTDC时，其压力场较低，且两种情况之间存在明显的区别，然而当喷油后5°CA～10°CA范围内，后两者的压力场反而比前两者的压力场稍高，压力上升趋势明显。另外，若喷油正时提前会对压力场造成直接的影响，且影响较大。

由此可知，在忽略滞燃期因素的前提下，通过适当地提前喷油正时能够一定程度上改善燃烧过程。但需要注意的是喷油提前角既不能过大，也不能过小，因为过大或者过小都不利于燃烧过程，具体来说：若喷油提前角过小，那么无法确保燃料的充分燃烧，还会增大缸内压力波动，提高各部件之间受到的冲击性动力载荷，客观上增加了燃烧噪声；若喷油提前角过大，那么在滞燃期内燃油有了充分的时间和空间准备，一旦开始燃烧局部压力会在短时间内快速升高，如此其冲击破势必很大，燃烧噪声也由此增大[11]。

2.2 喷油正时对缸内平均温度及温度场的影响

分析图4发现，气缸内最高燃烧温度Tmax会随着喷油正时提前而逐渐变大，究其原因发现若喷油提高，那么在着火前气缸内形成的可燃混合气就会增多，此时一旦开始燃烧，由于燃料已经和空气进行了充分接触，且存储量更大，客观上整个燃烧过程累计放热量一定会得到提高。由此可知，利用推迟喷油正时，能够达到减低燃烧温度的目的，而减低燃烧温度能够有效改善柴油发动机的NOx排放。

分析表3可知，温度场分布受到不同喷油正时条件下部分曲轴转角的影响，且影响程度较大，比较分析喷油正时为11°BTDC，3°BTDC时其温度场分布发现，喷油提前会提高气缸最高燃烧温度，温度场变化从喷油后10°CA～30°CA范围内最为明显，温度场随着喷油正时下部分曲轴转角的不同而表现出明显的不同，当喷油正时是7°BTDC，11°BTDC时，其温度差出现波动较大，而当喷油正时是3°BTDC，5°BTDC时，其温度差出现波动较小，且两种情况之间存在明显的区别。发动机的排放特性和燃烧温度的高低之间有着直接的关系，燃烧温度越低，NOx排放越少，因此，为了减少NOx排放，在满足发动机基础功能的前提下，应尽量降低燃烧温度。

2.3 喷油正时对NO排放的影响及NO浓度场分布

随着滞燃期的延长，若喷油正时提前，那么气缸内可燃混合气就会大大增加，此时一旦开始燃烧，燃烧过程将其喷油正时更加充分，导致缸内最高温度增加，再加上燃料的增加，延长了燃烧时间，使得NO排放增加。由此可知，NO排放量会受到喷油正时提前的影响，此影响表现为喷油正时提前，最高燃烧温度较高，NO排放量较大，而喷油正时推迟，最高燃烧温度较低，同时也大大降低了NO排放，因此推迟喷油可有效地降低NO排放。

分析表4不難发现，NO浓度场分布受到不同喷油正时条件的影响，此影响表现为喷油提前会导致缸内NO浓度提高。另外，NO在燃烧室内的分布并不均匀，多集中在某个局部。NO浓度场分布随着不同喷油正时条件的变化而表现出明显的不同，当喷油正时是7°BTDC，11°BTDC时，其NO分布区域较大且均匀，而当喷油正时是3°BTDC ，5°BTDC时，其NO分布范围较窄，基本比较集中，且两种情况之间存在明显的区别。但观察发现在两种不同的情况下，NO的分布位置存在明显变化，当喷油正时为前两者时，其分布位置是燃烧室内接近气缸壁的地方，而到喷油正时为后两者时，其分布位置是燃烧室内凹坑上方，这意味着NO会随着喷油的滞后而滞后。由此可知，NO的排放浓度增加跟燃烧室内温度或火焰温度之间有着直接的关系，要想降低NO排放浓度，必须采取降低燃烧室内温度或火焰温度措施，而要想达到降低燃烧室内温度或火焰温度目的，推迟喷油是最直接有效的措施。因此，推迟喷油是降低柴油机NO排放最有效的方法，且简单易操作。

2.4 喷油正时对碳烟排放的影响

因为柴油机混合气成分不均匀，所以难免会生成碳烟。由表5可知，喷油正时为11°BTDC，7°BTDC时，碳烟浓度要比喷油正时为5°BTDC，3°BTDC的要低一些。

3 结论

①喷油正时提前气缸内最大爆发压力Pmax升高，喷油正时提前11°CA，最高压力增加了4.2MPa。

②喷油正时提前气缸内最高燃烧温度Tmax增加，将喷油正时提前11°CA，缸内最高温度增加282.02K。较小的喷油提前角，会使缸内温度场分布不均匀，但可降低燃烧温度利于柴油发动机NOx排放的改善。

③喷油正时提前，造成最高NO浓度随着喷油提前10°CA而增加了5.43倍，同时使得燃烧室内NO分布极不平衡。喷油正时提前会使碳烟浓度降低，将喷油提前11°CA，碳烟最高浓度降低了1.33倍。

参考文献：

[1]J. Galindo，，J.M. Luja'n，，J.R. Serrano，，V. Dolz，，S. Guilain.Description of a heat transfer model suitable to calculate transient processes of turbocharged diesel engines with one-dimensional gas-dynamic codes. Applied Thermal Engineering. 2006.

[2]刘琦，欧阳光耀，杨昆，常远.可调靴形喷油规律的燃烧排放性能仿真研究[J].中南大学学报（自然科学版），2016（02）.

[3]Tim L.The Influence of Variable valve actuation on the part load fuel economy of a modern light-duty diesel engine. SAE paper2003-01-0028. 2003.

[4]吴亚兰，兰欣，唐娟.一种新型柴油机喷油规律测试系统的实验研究[J].小型内燃机与摩托车，2008（02）.

[5]Noguchi Noboru，Terao Hideo，Sakata Chikanori et al. Performance improvement by control of flow rates and diesel injection timing on dual-fuel engine with ethanol [J]. Bioresource Technology，1996，56（1）：35-39.

[6]Avinash Kumar Agarwal，Dhananjay Kumar Srivastava，Atul Dhar et al. Effect of fuel injection timing and pressure on combustion， emissions and performance characteristics of a single cylinder diesel engine [J]. Fuel，2013，111：374-383.

[7]杨光，杨振中.基于AVL-FIRE的氢发动机燃烧过程分析[J].机械设计与制造，2013（4）：90-93.

[8]吴健，王明远，马志豪，等.喷油器参数对柴油机混合气形成和燃烧的影响——基于FIRE三维数值模拟[J].农机化研究，2010（12）：202-205.

[9]CFD Solver，FIRE Version 8.3.

[10]周斌.基于FIRE的柴油機燃烧过程的CFD研究[J].柴油机设计与制造，2011（4）：6-11.

[11]陈南.汽车振动与噪声控制[M].北京：人民交通出版社，2005.

[12]石秀勇.喷油规律对柴油机性能与排放的影响[D].山东：山东大学，2007.

[13]Benajes J，Pastor J V，Payri Ret al.Analysis of the influenceof diesel nozzle geometry in the injection rate characteristic. Journal of Fluid Mechanics. 2004.