高功率密度柴油機的噴油時刻對燃燒排放的研究

李樹宇，續彥芳，劉若凡

（中北大學機械與動力工程學院，太原030051）

高功率密度柴油機的噴油時刻對燃燒排放的研究

李樹宇，續彥芳，劉若凡

（中北大學機械與動力工程學院，太原030051）

運用AVL FIRE軟件，建立某臺單缸高功率密度柴油機模型，研究噴油時刻對該柴油機燃燒排放的影響規律，并用柴油機臺架試驗驗證模型的合理性。著重仿真分析了不同噴油時刻對柴油機缸內壓力、溫度、放熱率、功率、燃油消耗率以及排放的影響。分析結果表明：噴油時刻每提前3°曲軸轉角，缸內壓力和溫度分別升高6.55%和2.8%；放熱速率快，放熱相對集中；NOx排放增加，碳煙排放降低；功率下降，燃油消耗率升高；當噴油時刻為上止點前16°曲軸轉角時，NOx和碳煙排放都能滿足排放法規要求，且動力性和經濟性能較好。

高功率密度 柴油機 噴油時刻 燃燒 排放

1 前言

隨著全球能源短缺和環境危害日益加劇，對柴油機燃燒、排放等性能提出更高的要求。高功率密度柴油機（HPD）由于結構小、升功率高、轉速大等優點，在坦克裝甲車輛以及重載車輛上得到廣泛應用[1]。與同類的普通柴油機相比，HPD柴油機有更高的升功率，高達80～90 kW/L[2-3]，而且在降低排放方面也有優勢。噴油時刻對HPD柴油機燃燒過程影響很大，主要影響HPD柴油機的滯燃期。通過調整滯燃期來控制燃燒過程，以滿足HPD柴油機綜合性能要求。

2 仿真研究

改變噴油時刻，是控制HPD柴油機燃燒過程最為可行的方案。應用FIRE軟件，分析從進氣門關閉（216°曲軸轉角（℃A））到排氣門打開（485℃A）的柴油機工作過程，研究了不同噴油時刻對HPD柴油機燃燒特性的影響規律，從而得到最佳噴油時刻，進而提高HPD柴油機動力性能和排放性能，降低噪聲和減少排放[4]，為優化HPD柴油機噴油策略以及改進柴油機設計提供參數依據。

本項目研究的柴油機是某單缸HPD柴油機，噴油時刻為上止點前16℃A。通過改變噴油時刻來研究不同噴油時刻對該HPD柴油機性能的影響規律。研究的噴油時刻為，在上止點前16℃A基礎上分別增加3℃A或減少3℃A，即為上止點前13℃A、上止點前16℃A和上止點前19℃A。

2.1 建立模型

用solidworks軟件，建立了HPD柴油機3維實體模型，以STL文件格式保存?？紤]到模型的復雜程度以及其對計算時間的影響，且該柴油機的噴油器有8孔，呈圓周分布，故分析1孔作為計算域。將其導入到AVLFIRE中進行網格劃分和動網格設置，得到下止點網格模型，如圖1所示；節點總數為625 980，單元總數為48 400。

圖1 下止點時的網格模型

2.2 數學模型

噴霧和燃燒模型、以及初始條件設置等對求解的收斂有很大影響，因此在仿真研究中，采用k-zeta-f模型作為湍流流動模型，該模型精度高，穩定性好；壓力-速度耦合計算采用SIMPLE方法，噴霧破碎模型采用WAVE模型，蒸發模型采用Dukowicn模型，撞壁模型采用Walljet1模型[5]，燃燒模型采用ECFM3Z模型及自帶的著火模型。仿真研究中，溫度邊界條件采用恒溫邊界，其中缸套溫度設置為450 K，活塞頂部溫度為570 K，氣缸蓋底部為470 K；速度邊界條件中，氣缸蓋和缸套壁面的速度設置為零，并假設活塞頂的速度等于活塞運動速度[6]。

3 模型驗證

為驗證所建模型的有效性，以柴油機主要參數為對象進行仿真研究，并對柴油機進行臺架試驗，測量相應參數，將仿真值與試驗值進行比較。仿真和臺架試驗條件如下：轉速為3 200 r/min，默認壓縮上止點為360℃A，噴油持續期為24℃A。

3.1 試驗裝置

試驗發動機為單缸4沖程增壓直噴柴油機，柴油機參數見表1。

表1 柴油機參數

試驗設備見圖2。其中燃燒分析儀和廢氣分析儀是由AVL公司制造，缸內壓力和溫度傳感器是由kistler公司制造。試驗中，對柴油機功率、爆發壓力、燃油消耗率、平均指示壓力等進行了測量。

圖2 試驗設備

3.2 仿真值與試驗值比較

仿真結果與試驗數據對比結果見表2，最大誤差在6%之內。缸內平均壓力的仿真值與試驗值對比見圖3，仿真值總體上略大于試驗值。一部分原因是仿真未考慮環境及測量因素；一部分原因是仿真的噴油規律、初始條件與試驗條件略有差異。仿真結果與試驗結果的差異在允許的誤差范圍之內，滿足工程精度要求。此模型可以有效模擬噴油時刻對燃燒排放的影響。

表2 主要參數的試驗值和仿真值

圖3 缸內壓力仿真值與試驗值對比

4 噴油時刻對燃燒特性的分析

4.1 噴油時刻對滯燃期的影響

滯燃期的長短對HPD柴油機的性能有重大影響，而噴油時刻影響滯燃期。通過模擬計算，得到滯燃期隨噴油時刻變化規律，見圖4。隨著噴油時刻的提前，滯燃期呈現出不斷增加的趨勢。在短滯燃期，集中噴入缸內的燃料減少，HPD柴油機工作穩定；在長滯燃期，缸內油氣預混合加劇，在急燃期，放熱相對集中，對溫度和爆發壓力都會造成影響。溫度影響NOx和碳煙排放，壓力影響HPD柴油機工作穩定性。根據仿真計算，噴油時刻為上止點前16℃A時，該HPD柴油機性能較好。

圖4 滯燃期隨噴油時刻變化規律

4.2 噴油時刻對壓力和溫度的影響規律

模擬計算得到噴油時刻對缸內平均溫度和平均壓力的影響規律，見圖5和圖6。從圖5和圖6可見，隨著噴油時刻的提前，缸內最高平均溫度和峰值壓力都增加，且峰值對應的曲軸轉角略有提前。噴油定時從上止點前13℃A增大到上止點前19℃A時，缸內最高峰值溫度由1 658 K變化到1 752 K，二者溫度相差94 K，且均出現在上止點附近；缸內最大爆發壓力由17.66 MPa變化到19.98MPa，二者壓力相差2.32MPa。導致溫度和壓力較高的原因是噴油時刻的提前，使得滯燃期加長，噴入缸內的燃料增多，在著火之前油氣混合充分，在急燃期幾乎同時燃燒，導致壓力升高較快，溫度相對較高，缸內爆發壓力過大，對HPD柴油機動力性能產生不良影響，使缸體振動加大，噪聲較高，加重了機械載荷，嚴重情況下會發生“爆震”現象；因此在保證HPD性能條件下，對最高爆發壓力要有限制。溫度是形成NOx和碳煙的先決條件，溫度過高，對NOx形成有利。因此在保證HPD排放性能條件下，對溫度要有所限制。對最高爆發壓力和溫度的限制均歸結到噴油時刻上，因此應該合理控制噴油時刻，以滿足HPD柴油機的性能要求。

圖5 噴油時刻對缸內平均溫度的影響規律

圖6 噴油時刻對缸內平均壓力的影響規律

4.3 噴油時刻對放熱率的影響規律

圖7 噴油時刻對放熱率的影響規律

模擬計算得到噴油時刻對放熱率和累計放熱率的影響規律，見圖7和圖8。由圖7和圖8可知，隨著噴油時刻的提前，放熱率先升高后降低，瞬時燃燒放熱率的最大值隨著噴油時刻的提前而增大，整體放熱率曲線向左移動。原因是隨著噴油時刻的提前，放熱速率增快，燃燒更加集中。隨著噴油時刻的提前，滯燃期變長。在上止點之前，噴入氣缸內的燃料較多，湍流運動加強，缸內速度場能夠更早達到最大狀態；而此時溫度相對較高，燃油的蒸發速率較快，缸內油氣混合分布廣，使得燃燒始點提前，導致放熱率升高。

圖8 噴油時刻對累計放熱率的影響規律

4.4 噴油時刻對排放的影響規律

HPD柴油機的排放主要是NOx和碳煙。圖9是NOx質量分數變化規律。隨著噴油時刻的提前，NOx質量分數升高，在390℃A時趨于穩定?？梢钥闯鰢娪蜁r刻越提前，NOx質量分數也越大。因為噴油時刻越提前，滯燃期越長，使得燃油在較低的溫度和壓力下噴入氣缸，燃料的混合氣所占比重上升，預混合油氣加劇，在急燃期燃料迅速燃燒，放熱率增大，溫度上升，導致NOx排放增加。圖10是碳煙質量分數變化規律。隨著噴油時刻的提前，碳煙排放升高，在385℃A時，呈現下降趨勢。主要是因為活塞在上止點之后開始下行，燃料在較低的膨脹比下開始放熱，缸內初期最高燃燒溫度和壓力相對較低，氧氣含量不足，氧化能力減弱，使得碳煙排放較大；在后燃期階段，此時受到缸內“反擠流”作用，缸內的氣流運動強烈，溫度升高，氧濃度較高，使得碳煙被氧化的能力增強，造成總的碳煙生成量呈現出減少趨勢；因此，應控制噴油定時，尋求NOx和碳煙質量分數的折中。

圖9 NO x質量分數變化規律

圖10 碳煙質量分數變化規律

NOx和碳煙排放的仿真值與試驗值十分接近，如表3所示。隨著噴油時刻的提前，NOx排放量逐漸增大，碳煙排放量逐漸減少。噴油時刻為上止點前16℃A時，NOx和碳煙生成物的質量分數的相對誤差最小，準確度較高。這說明該模型可以可靠地模擬HPD柴油機工作過程，為降低排放量，實現低排放、高功率柴油機提供了理論指導。

表3 NO x和碳煙排放仿真值與實測值對比

4.5 噴油時刻對動力性和經濟性的影響規律

表4為功率和燃油消耗率隨噴油時刻的變化規律。由表4可知，功率隨著噴油時刻的提前而增大，燃油消耗率隨著噴油時刻的提前而減少。功率增大，缸內最高爆發壓力增加，產生“爆震”現象的幾率升高，因此應考慮二者此消彼長的關系，選擇合理的噴油時刻。由HPD柴油機的特性及結構得知，選擇噴油時刻為上止點前16℃A較為合理。表5為不同噴油時刻下的燃燒情況

表4 噴油器時刻對功率和燃油消耗率的影響規律

由表5可見，燃燒始點離上止點越近，混合氣在缸內噴霧燃燒劇烈，燃燒就越完全，做功能力就越強，熱效率就越高。

表5 不同噴油時刻下的燃燒情況 (°)CA

5 結論

以單缸HPD柴油機為研究對象，通過試驗和仿真手段，研究了噴油時刻對缸內燃燒特性的影響規律，為優化噴油策略和改進噴油器提供了理論依據。結論如下：

（1）建立了計算HPD柴油機的有效模型并驗證了模型的正確性，確定了該模型的數學模型。對此高功率密度柴油機而言，即原機噴油時刻為上止點前16℃A時，柴油機動力性能和經濟性能較好，排放較低。

（2）隨著噴油時刻的提前，滯燃期變長，缸內壓力溫度相對較高，放熱快且相對集中，功率增大，燃油消耗率降低，這對HPD柴油機的動力性和經濟性有較好影響，但對整機的可靠性有不良影響，爆發壓力增大，導致“爆震”現象發生，機體振動噪聲大。

當噴油提前角調到上止點前19℃A時，峰值溫度高，形成了“高溫富氧”的環境，對NOx的生成有利，因此必須設置合理的噴油時刻，并考慮其他因素的影響，以滿足HPD柴油機綜合性能的要求。

[1]何兵，平濤.大功率柴油機的研究發展[J].柴油機，2003(1)：4-8.

[2]張玉申.高功率密度柴油機及其關鍵技術[J].車用發動機，2004(3)：5-7,11.

[3]朱博.高強化柴油機總體性能優化及關鍵技分析[D].北京：北京交通大學，2011.

[4]蔣德明.高等內燃機原理[M].西安：西安交通大學出版社，2002.

[5]史春濤,秦德,唐琦,等.內燃機燃燒模型的發展現狀[J].農業機械學報，2007，38(4)：181-186．

[6]崔家樂.高功率密度柴油機燃燒過程仿真研究[D].太原：中北大學,2014.

Study on Effectof Injection Timingon Combustion and Emissions ofHigh Power Density DieselEngine

LiShuyu,Xu Yanfang,Liu Ruofan
（North University ofChina,Taiyuan 030051,China)

Amodel of a single cylinder diesel engine of high power density was setup utilizing AVL FIRE to study the influence of injection timing on the combustion and emissions of the engine.Themodel was verified with engine testing.The simulation focused on the analyzing of the effectof different injection timings on the cylinder pressure,temperature,heat release rate,power,specific fuel consumption and emissions.The results show thatwith the advance of injection timing by 3 degrees in crank angle,pressure and temperature in cylinder increase by 6.55%and 2.8%respectively,heat release rate is great and heat release relatively concentrates,NOxemissions increase,soot reduces,power drops and fuel consumption increases.When the injection timing of the engine is 16 degrees in crank angle before TDC,NOxand soot emissionsmeet theemissions regulations,and engine powerand economic performancearebetter.

high power density,dieselengine,fuelinjection tim ing,combustion,em issions

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.04.003

來稿日期：2016-10-27

李樹宇（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向為內燃機CFD數值模擬。