可變錐角噴射對輕型車用柴油機預(yù)混低溫燃燒燃燒影響的數(shù)值模擬研究

徐斌

摘要：為應(yīng)對基于早噴策略的預(yù)混低溫燃燒模式下因噴射正時提前造成燃油濕壁，燃燒效率以及排放惡化的問題，提出了可變錐角噴射的噴射方法，其特征是噴油器具有兩排不同噴射錐角噴孔，多次噴射條件下，在不同噴射正時下采用不同的噴射錐角。通過CFD軟件KIVA建立預(yù)混低溫燃燒計算模型，分析了不同噴射方法（固定小錐角、固定大錐角、可變錐角噴射）對預(yù)混低溫燃燒柴油機燃燒的影響。研究結(jié)果表明：可變錐角噴可以有效改善早噴以及多次噴射帶來的噴射變化范圍大帶來的燃油著壁及混合氣部分過濃，在早噴及多次噴射較大噴射范圍下，有效利用燃燒室及余隙內(nèi)氣流運動，促進燃油的霧化和蒸發(fā)，形成更為均勻的混合氣。

關(guān)鍵詞：柴油機;預(yù)混低溫燃燒;可變錐角噴射;燃燒

中圖分類號：TK 16

引言

隨著石油資源的日益匱乏和環(huán)境問題的日益突出，實現(xiàn)柴油機的“高效清潔”燃燒，滿足節(jié)能減排的要求，成為當前的研究熱點。燃燒過程是決定柴油機各項性能指標的關(guān)鍵，合理組織燃燒過程是改善柴油機綜合性能的根本途徑[1-2]。因此國內(nèi)外研究學者圍繞新一代清潔燃燒理論及技術(shù)開展了一系列創(chuàng)新性研究工作[3-6]。

新一代清潔燃燒理論的基本特征是均質(zhì)壓燃和低溫火焰燃燒，根據(jù)這一理論涌現(xiàn)出一系列的燃燒概念和燃燒系統(tǒng)。國內(nèi)外研究表明采用早噴策略或晚噴策略均可以延長滯燃期，提高混合氣均勻度，從而結(jié)合廢氣再循環(huán)技術(shù)以實現(xiàn)預(yù)混合低溫燃燒，同時改善NOx和碳煙排放[7]。其中，采用早噴策略時，較傳統(tǒng)的上止點附近噴射而言活塞遠離上止點，噴射過程中缸內(nèi)氣流運動強度、缸內(nèi)溫度和壓力均較低，不利于燃油的霧化和蒸發(fā)。另一方面，噴射過程中活塞與氣缸的相對位置較傳統(tǒng)的上止點附近噴射也有著較大的變化。

1 ?計算模型

1.1 ?試驗樣機參數(shù)

以某輕型車用柴油機為研究對象，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 ?計算網(wǎng)格

樣機為二氣門結(jié)構(gòu)，其油嘴中心、氣缸中心以及燃燒室中心三者采用非對稱的設(shè)計。根據(jù)柴油機結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過K3prep建立燃燒室三維網(wǎng)格。

2 ?計算方案及結(jié)果分析

2.1 ?計算方案

本文在保持噴油量及邊界條件不變的情況下，通過設(shè)置改變主預(yù)噴錐角，研究不同噴射策略對油氣混合、燃燒過程及排放性能的影響。

2.2 ?混合氣均勻程度的評價

本文研究中引入均質(zhì)度（HF Homogeneous Factor）這個參數(shù)作為評價混合氣著火前均勻程度。不均質(zhì)度（Heter（θ））表示為計算域網(wǎng)格內(nèi)燃油質(zhì)量的標準差（standard deviation）。HF（θ）表征為混合氣均質(zhì)度，其值越大，說明混合氣越均勻。

2.3 ?可變錐角噴射對燃燒性能的影響

噴射錐角為130°下，放熱率峰值以及缸內(nèi)平均溫度峰值相對較小。噴射錐角為155°以及130-155°（可變錐角噴射）下，瞬時放熱率以及缸內(nèi)平均溫度相差不大，這是由于預(yù)噴油量和主噴相比相對較小，主噴噴射都是采用155°錐角，主噴油量噴射環(huán)境及氣流運動相對一致，這說明基于早噴策略典型預(yù)混合的低溫燃燒模式下，多次噴射中主噴錐角對柴油機燃燒及排放性能的影響占主導(dǎo)作用。

為進一步分析噴射錐角對混合氣形成及分布的影響，統(tǒng)計每個噴射方法下的計算域區(qū)間內(nèi)個溫度區(qū)間的網(wǎng)格數(shù)以及混合氣均質(zhì)度（HF）。由溫度區(qū)間分布可知，著火始點CA5時，缸內(nèi)溫度分布在較大的溫度區(qū)間內(nèi)，多集中在900K以上的高溫區(qū)域。噴射錐角為130°時，溫度區(qū)間集中在960-980，980-1000 K溫度區(qū)間范圍內(nèi)，噴射錐角為130-155°以及155°噴射錐角噴射則集中在980-100K高溫區(qū)間范圍內(nèi)，且變錐角噴射高溫區(qū)域網(wǎng)格數(shù)明顯多于固定大錐角噴射。

著火始點混合氣均質(zhì)數(shù)表征了著火前混合氣均勻程度，變錐角噴射下混合氣均質(zhì)數(shù)大于固定錐角噴射，固定大錐角噴射混合氣均勻程度明顯大于固定小錐角噴射，變錐角噴射較固定錐角噴射能夠有效改善混合氣的不均勻度，在著火前形成更為均勻的混合氣。說明在早噴條件，尤其是在引入多次噴射條件下，噴射范圍變廣，單一使用小錐角噴射并并不能有效改善混合氣的均勻程度，甚至出現(xiàn)混合氣不均勻，體現(xiàn)了可變錐角噴射的優(yōu)勢。

3 ?結(jié)論

通過分析固定小錐角，可變錐角噴射，固定大錐角噴射對缸內(nèi)氣體流動、油氣混合過程、燃燒性能的影響，主要結(jié)論如下：

（1）基于早噴策略的典型預(yù)混合低溫燃燒模式下，噴射正時提前，噴射錐角宜采用小錐角噴射。隨著多次噴射策略的引入，因其噴射區(qū)間范圍變大，單一的使用小錐角噴射，不能夠在著火前形成較為均勻的混合氣，甚至出現(xiàn)局部過濃區(qū)。

（2）可變錐角噴射可以在早噴及多次噴射較大噴射范圍下，有效利用燃燒室及余隙內(nèi)氣流運動，促進燃油的霧化和蒸發(fā)，形成更為均勻的混合氣。

（3）多次噴射條件下，主噴錐角對混合氣形成及燃燒性能影響較大。

參考文獻

[1]蘇萬華，趙華，王建昕，等.均質(zhì)壓燃低溫燃燒發(fā)動機理論與技術(shù)[M]. ?北京：科學出版社，2010：10-11.

[2]尹必峰， 王佳， 何建光， 等. 輕型柴油機預(yù)混合低溫燃燒路徑優(yōu)化試驗及分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2014， 30（15）： 83-92.