噴射壓力對燃油噴霧和油氣混合特性的影響

解方喜，于澤洋，劉思楠，曹曉峰，賈貴起，洪 偉

（1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022；2.東風朝陽朝柴動力有限公司，遼寧 朝陽 122000）

噴射壓力對柴油機的性能和排放水平有顯著的影響，提高噴油壓力一直是柴油機燃油噴射系統追求的基本目標之一［1－2］。眾多研究表明:提高噴射壓力能使噴霧粒子更加細化，提高噴霧粒子的蒸發速度和形成燃油蒸汽，改善了燃油的擴散和油氣混合特性，并且有利于降低PM、碳煙以及CO的排放。然而，在實際研究工作中和一些文獻中均表明［3－4］，在傳統噴霧擴散燃燒模式下噴射壓力的提高對碳煙排放的改善效果存在一定限制，當噴射壓力提高到一定程度后對碳煙的改善效果降低。

在前人研究的基礎上，本文利用三維CFD軟件Fire針對一臺共軌柴油機研究了噴射壓力對油氣混合和有害排放物生成的影響。同時，在研究過程中筆者還對網格單元的一些微觀參量進行了統計分析，從而對噴射壓力的影響有了更為深入和定量的認識。

1 數學模型與計算方法

本文針對一臺高壓共軌柴油機進行研究，其主要技術參數如表1所示。圖1所示為在上止點位置時的燃燒室網格，鑒于該柴油機的活塞形狀為軸對稱結構，且噴嘴上的噴孔分布也成均布結構，在建立燃燒室計算網格時僅采用該燃燒室實際尺寸的1／7。

表1 發動機技術參數Table 1 Engine specifications

圖1 計算網格Fig.1 Computational mesh

在模擬過程中利用標準k－ε湍流模型對缸內氣流運動進行描述；利用Dukowicz模型模擬油滴的溫升和蒸發；利用Walljet1模型模擬油滴碰撞到壁面時的形貌和運動變化過程；利用Diesel core injection模型［5］模擬燃油射流油束的初次霧化過程，該模型中考慮了空穴、湍動能和氣動力等多種因素的影響，且模擬過程中首先利用三維CFD軟件對燃油在噴孔內的流動過程進行模擬，并將噴孔出口的流動特征參數賦值給該初次霧化模型，作為其初始邊界條件；利用KH－RT模型對初次霧化過程行程的小液滴的二次破碎過程進行模擬；利用Shell模型描述缸內燃油的自燃過程；利用EBU湍流控制燃燒模型模擬燃燒室燃油的燃燒過程；利用擴大的Zeldovich模型模擬NO的生成過程；利用Kennedy＿Hiroyaru＿Magnussen模型對Soot生成和氧化過程進行模擬。模擬中采用SIMPLE算法進行計算，該算法是求解壓力耦合方程的半隱式算法，基本思想是先假定一壓力場，代入動量方程求得速度場，如果該速度場滿足連續方程，則流場求解完畢。

2 結果及分析

2.1 噴射壓力對燃油噴霧特性的影響

首先利用定容可視試驗裝置對噴霧模型進行校驗。該裝置主要由高速攝像機、大功率光源、可視容器、軌壓控制裝置和噴油器通斷控制裝置等組成，其實物圖如圖2所示。高速攝影機采用Phantom v7.3，每隔0.1ms拍攝一張照片。

圖2 可視噴霧實驗裝置實物圖Fig.2 Experiment apparatus of spray visual system

圖3所示為環境背壓為3.0MPa，燃油噴射壓力分別為80、100、120和140MPa時的噴霧貫穿距離和錐角的實驗結果與模擬結果對比情況。如圖可見，當噴射壓力升高后，噴霧油束的貫穿距離呈現增大的趨勢，這與以前的研究結論相類似。原因是隨著噴射壓力的增大，燃油的射流速度加快，其所攜帶的動能提高，使得噴霧油束的貫穿距離增大。然而，通過如圖3所示的噴霧錐角瞬態變化可以發現，不同噴射壓力下的實測噴霧錐角的變化是極為不規則的，這主要是因為實驗過程中噴油器的安裝角度存在不足，致使噴霧體的形貌在投影平面上發生了重疊（如圖2所示）。通過模擬獲得的噴霧錐角結果發現，整體上噴霧錐角隨噴射壓力的增大呈現降低的趨勢。

圖3 噴射壓力對噴霧貫穿距離和錐角的影響Fig.3 Influence of injection pressure on spray penetration and Spray cone angle

2.2 噴射壓力對缸內油氣混合過程的影響

圖4所示為噴射壓力分別為80、100、120和140MPa時對缸內噴霧油滴索特平均直徑（SMD）的影響。在本文研究中，進行缸內模擬時，保持噴入缸內的燃油量不變，為30.8mg，故當噴射壓力變化時，噴油持續期也會發生改變，當噴射壓力為80MPa時噴油持續期為1295μs，140MPa時為814μs。

由圖4可見，當噴射壓力提高后，噴霧油滴的SMD變小，有利于改善燃油的霧化質量。這是因為噴射壓力提高后燃油的運動速度加快，油束與空氣之間的擾動作用加強，促進了噴霧油滴的破裂及霧化。同時，當噴射壓力增大時，對于傳統的噴霧擴散燃燒模式來說燃油的放熱速度增大，缸內同比具有更高的壓力與溫度，這在一定程度上也會促進燃油霧化和蒸發。

圖4 噴射壓力對SMD的影響Fig.4 Influence of injection pressure on SMD

圖5示出了噴射壓力為80、100、120和140 MPa時的缸內燃油蒸發率的變化情況。燃油蒸發率定義為:已蒸發燃油質量與已噴入缸內燃油質量之比。由圖可見，當噴射壓力增大時，雖然單位時間內噴入缸內的燃油量會有所增加，但由于噴入缸內燃油的霧化和蒸發質量改善，使得燃油蒸發率仍呈現增加的趨勢，即在相同曲軸轉角下燃油蒸發率值相對較高。例如，在4°CA ATDC下，140MPa噴射壓力時的燃油蒸發率為80MPa噴射壓力時的1.54倍，燃油霧化質量顯著提高。

圖5 噴射壓力對燃油蒸發率的影響Fig.5 Influence of injection pressure on fuel evaporation rate

為深入分析噴射壓力對柴油機缸內燃油擴散和分布特性的影響，研究過程中對模擬結果進一步進行了后處理分析。圖6和圖7分別示出了噴射壓力對缸內燃油不同濃度分布區間的體積比值ηeq和質量比重Meq的影響。研究中利用燃空當量比（eq）來表征各個網格單元內的混合氣濃度狀態，并通過預設的燃空當量比（eq）取值范圍將全部缸內網格單元劃分為10個子集合（見圖6和圖7）。ηeq為各濃度范圍的網格單元子集合的體積之和與此時燃燒室總體積的比值；Meq為各濃度范圍的網格單元子集合的未燃油質量之和與此時缸內未燃油總質量之比。

由圖6可見，提高噴射壓力后由于燃油噴射為缸內帶來了更多的能量，使得未燃燃油的擴散能力加強，缸內燃油的空間分布體積快速增加，在燃燒過程中前期表現尤為明顯。例如10°CA ATDC時，140MPa工況時eq＞0.1的體積比重達到了67%，而80MPa時僅為50%。同時，當噴油結束后，對于噴射壓力較高的工況，其eq值較高區域的體積比重快速降低及消失。對于140 MPa噴射壓力工況，其至35°CA ATDC時缸內eq＞1.5的區域基本消失殆盡。而對于80MPa工況eq值較高區域體積的縮小速度相對較慢，在40°CA ATDC時在缸內eq＞1.5的區域仍有15%左右。

圖6 噴射壓力變化對不同濃度ηeq的影響Fig.6 Influence of injection pressure onηeq of different fuel concentration ranges

由圖7可見，燃油噴射過程開始后，對于噴射壓力較高的工況，其高濃狀態的未燃燃油的質量比例增加速度較快，并具有相對較高的比重峰值，140MPa工況時eq＞2的質量比例峰值達到了80%，而80MPa時為70%。由于提高噴射壓力后燃油的噴射速率增加，相同時間內噴入缸內的燃油量增多，使得未燃燃油相對較多地聚集在一起。同時，當噴油結束后，對于噴射壓力較高的工況，其高濃區燃油具有相對更高的擴散速度，高濃區域未燃燃油的質量比重快速降低。對于140 MPa噴射壓力工況，至35°CA ATDC附近時缸內的未燃燃油基本均以eq＜1.5的濃度狀態存在。而對于80MPa工況eq值較高區域的質量比重的降低速度相對較慢，在40°CA ATDC時缸內80%以上的未燃燃油以eq＞1.5的濃度狀態存在。

圖7 噴射壓力變化對不同濃度Meq的影響Fig.7 Influence of injection pressure on Meqof different fuel concentration ranges

圖8 噴射壓力對燃油分布體積分數Фfv的影響Fig.8 Influence of injection pressure onФfv

圖8所示為噴射壓力為80、100、120和140 MPa時的缸內未燃燃油分布體積分數Фfv的變化情況。Фfv定義為eq大于0.1的網格單元體積加和與此時刻的燃燒室總體積的比值，在研究中發現eq大于0.1范圍的未燃燃油質量可達缸內總的未燃燃油質量的95%以上。由圖8可見，提高噴射壓力后，缸內燃油的空間分布區域增大，且在燃燒中、前期（0～20°CA ATDC）表現尤為明顯。然而，在燃燒過程后期（大于20°CA ATDC后）雖然對噴射壓力較高的工況其Фfv也有一定程度的升高，但這種升高幅度已經極為微弱了。

圖9所示為噴射壓力為80、100、120和140 MPa時的缸內混合氣平均濃度EQfm的變化情況。EQfm是以各網格單元內的未燃燃油質量分數作為加權因子的燃空當量比（eq）統計值，可以更好地反映燃油濃度整體的變化情況。從圖中可以看到，在燃油噴射過程初期，對于噴射壓力較高的工況其EQfm統計值升高更為迅速，并具有較高的峰值，當噴射壓力由80MPa增加到140MPa后，EQfm統計值的峰值由3.8增加到4.7左右。結合前面所述可知，當噴射壓力提高以后相同時間內噴入缸內的燃油量增加，形成的燃油蒸汽較多，雖然此時燃油的空間分布體積也有所增加，但是其空間擴散速度滯后于燃油量的增加速度，使得燃油的分布相對更為集中，燃油的平均濃度較高。同時，對于柴油機缸內進行的傳統噴霧擴散燃燒模式而言，由于燃燒滯燃期極為短暫，且提高噴射壓力后燃油的放熱速度加快，相同時間內釋放的熱量較多［3－4］，使得缸內的溫度相對較高，結合此時燃油較高的分布濃度，則非常有利于Soot的形成。同時，從圖9中還可以看到，對于噴射壓力較高的工況，當EQfm統計值到達峰值后迅速降低，且在燃燒過程中、后期EQfm統計值同比明顯降低。對于噴射壓力為140MPa的工況，在10°CA ATDC后，其EQfm統計值較80、100和120 MPa噴射壓力工況均有明顯降低。針對這一現象而言，提高噴射壓力有利于改善混合氣的形成質量，使燃油的分布濃度相對降低，且這在一定程度上也有利于促進Soot氧化過程的進行，降低Soot的最終生成量。

圖9 噴射壓力對EQfm的影響Fig.9 Influence of injection pressure on EQfm

2.3 噴射壓力對NO和Soot的影響

圖10所示為不同噴射壓力下的Soot平均生成率與平均生成量曲線。從圖10（a）可以發現，增加噴射壓力后，Soot平均生成速度的峰值較高，上升速度較快，說明在此階段對于高噴射壓力工況將會有較多的Soot生成，圖10（b）也證實了這一點。結合上面的論述可以發現，隨噴射壓力的提高，在燃燒過程中、前期，燃油蒸汽的分布相對更為集中，且燃油的燃燒速度較快，易于形成局部高溫貧氧區，從而促進了Soot的形成。同時，對于噴射壓力相對較高的工況，當其Soot平均生成速度到達峰值后會更為快速地降低到最小值，且Soot生成率的最低值相對更低。由于提高噴射壓力后，缸內工質的運動得以加強，促進了工質之間的交換和混合氣的形成，使得Soot的氧化加強。從圖10（b）中看到，隨著噴射壓力的提高，Soot平均生成量的峰值及最終生成量都顯著降低。然而，當噴射壓力提高到一定程度后繼續提高噴射壓力對Soot生成量峰值和最終生成量的影響敏感性降低。從圖中可見，當噴射壓力由120MPa提高到140MPa后，Soot生成量峰值的降低趨勢明顯減弱，同時，提高噴射壓力后燃燒過程末期的缸內溫度相對較低［4］，使得Soot的后期氧化減弱，使得Soot最終生成量總量的降低趨勢減弱。

圖10 噴射壓力對Soot生成率與生成量的影響Fig.10 Influence of injection pressure on yield and formation rate of soot

圖11為噴射壓力對NO生成量的影響。從圖中可以發現，隨噴射壓力的提高，燃燒過程中NO的生成量均顯著升高，這是因為提高噴射壓力可使燃油的放熱速度升高，缸內溫度上升較為快速。

圖11 噴射壓力對NO生成量的影響Fig.11 Influence of injection pressure on yield of NO

圖12為不同噴油壓力條件下的消光煙度和NOx的實驗結果。由圖可見，隨噴射壓力的升高，NOx的排放增加，煙度下降，但在噴射壓力較高（120～140MPa）時，噴射壓力對碳煙影響的敏感性降低。通過前面的模擬研究發現，當噴射壓力提高到一定程度后，一方面由于燃燒前期的油氣混合相對更為集中，使得Soot生成量峰值的降低效果減弱，另一方面由于燃燒末期的Soot氧化減弱，使得噴射壓力對排氣中炭煙排放的影響敏感性降低。

圖12 噴射壓力對消光煙度和NOx影響的試驗結果Fig.12 Experiment result of influence of injection pressure on soot and NOx

3 結 論

（1）提高噴射壓力后，燃油的貫穿距離增大，霧化質量改善，且加強了其擴散運動，使得燃油的空間分布體積增加。

（2）提高噴射壓力后，高濃燃油所占的質量分數增加速度較快，并具有相對較高的質量分數峰值。然而，當噴油結束后，高噴射壓力工況的高濃區域的未燃燃油質量質量分數快速降低，油氣混合情況改善。

（3）當噴射壓力由80MPa提高到140MPa后，在燃燒過程中、前期，油氣混合更為惡化，缸內混合氣平均濃度峰值由3.8增大到4.7，促進了炭煙的形成。然而，整體上隨噴射壓力的提高炭煙的最終生成量降低，而NOx排放量增加。

（4）當噴射壓力高于120MPa后，一方面由于燃燒前期的油氣混合相對更為集中，使得炭煙生成量峰值的降低效果減弱，另一方面由于燃燒末期的炭煙氧化減弱，使得噴射壓力對排氣中炭煙排放的影響敏感性降低。

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