噴射策略對某重型柴油機高原燃燒特性的影響

曹佳斌, 蘇石川*, 臧瑞斌, 周柳均, 李 毅

(1.江蘇科技大學能源與動力工程學院，鎮江 212003；2.常州玻璃鋼造船廠有限公司，常州 213127；3.中國重汽集團杭州發動機有限公司，杭州 311215)

中國的高原區域面積廣闊，占國土面積約37%[1]。因大氣壓力和氧濃度均隨著海拔的增高而降低，所以高原為低壓缺氧的環境[2]。特殊的高原環境使得柴油機燃燒性能惡化，造成柴油機動力性和經濟性的下降、碳煙排放增加[3-4]、熱負荷增大[5-6]、冷卻性能下降、低溫啟動性能下降等問題。因此，為提高柴油機的性能，就需要合理地控制缸內的燃燒運動[7]。

為了解決高原低溫低氧環境下造成的柴油機性能下降的問題，眾多學者已經進行了相關的研究。譚丕強等[8]對高原環境下某重型柴油機進行了油-氣-室匹配的試驗與仿真研究發現，適當的提高壓縮比，降低渦流比，選取適當的噴孔大小有利于提高油-氣-室的匹配狀況，改善高原柴油機的燃燒狀況。劉永豐等[9-10]采用計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)方法對高原環境下柴油機缸內燃燒過程、附壁油膜的生成規律以及不同海拔高度條件下壁面熱流分布的變化規律進行了研究，提供了改善高原條件下柴油機熱負荷的理論依據。吳君華等[11]研究了供油提前角和排氣再循環率的變化對發動機的排放影響，發現廢氣再循環系統(exhaust gas re-circulation，EGR)和推遲噴油都可以降低發動機NOx排放，伴隨著HC和CO排放的升高。李若亭等[12]通過試驗臺架研究了不同轉速與不同負荷下柴油機的燃燒特性、顆粒物與NOx排放。Liu等[13]建立了適用于不同海拔高度的可調節二級渦輪增壓器，有效地提高了高海拔地區的發動機功率。目前研究的主要都是普通車用柴油機，對于高原環境重型大功率柴油機的研究偏少。

通過Star-CD軟件對某重型柴油機的氣缸建立計算模型，并根據試驗結果驗證該計算模型的有效性。基于建立的計算模型與結果分析不同噴射策略對柴油機缸內的燃燒過程與排放物的影響，對高原環境下重型柴油機的燃燒與排放的研究具有指導意義。

1 計算模型建立過程

1.1 試驗條件

研究對象為某型六缸四沖程增壓柴油機，柴油機主要參數如表1所示。試驗大氣壓力為102.1 kPa，室內氣溫為30 ℃。試驗所使用的主要設備及儀表為杭州奕科EIM030IDP/D型發動機臺架試驗測控儀、AVLGH13Z缸壓傳感器、AVL641燃燒分析儀、FCM05瞬態油耗測試儀。

1.2 邊界條件確定

邊界條件對整個燃燒過程的模擬計算有很大的影響，所以設置準確的邊界條件至關重要。具體邊界條件如表2所示。

1.3 計算模型

模型選用計算精度高的重整化群RNG模型來模擬缸內氣體的流動過程[14]。重整化群RNG 模型是對瞬時的Navier-Stokes方程用重整化群的數學方法推導出來的模型。噴霧模型選用Huh霧化模型、Reitz/Diwakar破碎模型和Bai碰壁模型。燃燒模型選用ECFM-3Z燃燒模型[15]，該模型由ECFM模型發展而來，可以模擬兩種燃燒模式AI(自燃點火)和PF(火焰傳播)以及排放生成。ECFM-3Z是在火焰面密度輸運方程的基礎上增加了混合模型，并有空氣區、混合區和燃油區的區域混合描述，能夠描述非均勻湍流與混合和擴散燃燒過程[16]。

表1 柴油機的基本參數Table 1 Basic parameters of diesel engine

表2 邊界條件Table 2 Boundary conditions

1.4 模擬計算驗證

基于柴油機基本參數建立柴油機燃燒室三維模型。由于該柴油機的燃燒室是對稱形狀，噴嘴有8個噴油孔，為了縮短計算機仿真時間，選取了燃燒室的1/8作為計算域。利用Star-CD中ES-ICE模塊完成燃燒室的靜態和動態網格劃分，通過網格質量檢查確認無負體積網格的出現，網格數為38 476個。燃燒室網格模型如圖1所示。

圖1 1/8燃燒室網格模型Fig.1 One eighth combustion chamber mesh model

圖2 缸內壓力曲線對比Fig.2 Comparison of in-cylinder pressure curves

設置模擬計算的始點與終點分別為194°CA和480°CA，并對比模擬結果和試驗結果以驗證模擬計算的有效性。標定工況下氣缸內平均壓力的模擬結果與試驗結果如圖2所示。由圖2可知，雖然模擬結果與試驗結果的具體數值大小有少許差異，但是曲線在形狀與趨勢上基本一致。模擬結果與試驗結果存在誤差的主要原因是由于計算模型的經驗參數僅通過經驗選取，但誤差保持在5%之內說明模擬結果與實驗結果吻合較好，該計算模型能夠適用于下文的研究過程。

2 單次噴射策略

高原環境下氣缸吸入的空氣質量減少、氣缸內的壓力和溫度都會降低導致滯燃期增長，燃料來不及在上止點左右及時燃燒，柴油機的熱效率、動力性和經濟性也隨之降低。為了使速燃期、緩燃期和后燃期提前達到最佳狀態，可以在高原環境適量地增大噴油提前角。本節對海拔4 550 m下噴油提前角5、9、10、11、12°CA 5種情況下的燃燒過程進行了數值模擬，其中5°CA為平原最佳噴油提前角。

不同噴油提前角下缸內局部可燃混合氣的分布情況如圖3所示，圖中BTDC(before top dead center)代表上止點前。燃油噴入氣缸內的時間隨著噴油提前角變化而變化，缸內的氣體分布情況也因此不同。從圖3中可以看出，在相同時刻，缸內可燃混合物的分布區域隨著噴油提前角的增大而變廣，燃油噴射時缸內溫度和排氣阻力也隨之減小，燃油與空氣混合就更充分，有助于組織良好的預混合燃燒。著火時缸內氣體的均勻程度隨著噴油時刻的提前而更完全。

圖3 380°CA時刻不同噴油提前角缸內燃油分布Fig.3 Fuel distribution of different fuel injection advance angles at 380°CA

圖4所示為不同提前角下380°CA時刻缸內氧氣分布圖。噴油提前角增大，空氣與燃油混合更完全，有利于預混合燃燒良好進行。如圖4所示，氧氣的分布范圍隨著噴油提前角的增大而減小，同時同一區域的氧氣濃度也較低，燃燒持續時間越短。此外，也可以看出缸內燃燒發展的方向，有助于更加合理地優化缸內的燃燒。缸內的溫度場分布隨噴油提前角的變化如圖5所示。

圖4 380°CA時刻不同噴油提前角缸內氧氣分布Fig.4 O2 distribution of different fuel injection advance angle cylinders at 380°CA

圖5 380°CA時刻不同噴油提前角缸內溫度分布Fig.5 In-cylinder temperature distribution of different fuel injection advance angles at 380°CA

由圖5可知，燃油噴入氣缸的時刻隨著噴油的提前而提前，著火之前空氣跟燃油的混合更好，著火范圍增大，缸內平均溫度愈大，達到最高溫度所需的時間縮短。燃燒初期噴入燃燒室的油量隨著噴油滯后而減小，導致著火滯后，燃燒后期噴油量增加，最高溫度降低且達到最高溫度所需時間增加。

圖6和圖7所示分別為平原和4 550 m條件下不同噴油提前角對NOx和碳煙排放的影響規律。隨著噴油的提前，在滯燃期形成大量可燃混合氣。大量可燃混合氣在急燃期幾乎同時燃燒，燃燒迅速，氣缸內的溫度增大，高溫環境導致NOx排放量增加。與平原條件下噴油提前角為5°CA相比，使用較大噴油提前角時碳煙排放量有明顯的減少。因為當噴油提前角滯后時，壓縮壓力升高，缸內氣流運動更加劇烈，更多的燃油被卷走，吸附到缸壁上形成稀火焰區，碳煙排放增加；此外，滯后的噴油提前角使燃燒到排氣的時間間隔縮短，導致生成的碳煙較難繼續氧化。

圖6 不同噴油提前角的NOx排放Fig.6 NOx emissions of different injection advance angles

圖7 不同噴油提前角的碳煙排放Fig.7 Soot emissions of different injection advance angles

圖8所示為海拔4 550 m和平原條件下，不同噴油提前角對應的缸內平均壓力曲線。高原環境的空氣密度較低，導致氣缸所吸入的氧氣量減少。盡管已經配備了滿足要求的增壓器來增加氣缸的空氣量，但從圖中可以明顯看出，海拔4 550 m條件下不同噴油提前角的平均缸內壓力曲線比平原條件下的平均缸內壓力曲線更窄，曲線變窄導致曲線和橫軸所圍成的面積減小，即柴油機的做功能力減弱。此外，隨著噴油提前角的增加，平均缸內壓力曲線和橫軸所圍成的面積增多，著火起始點提前，可燃混合氣幾乎在急燃期內一起燃燒導致最高爆發壓力逐漸增大且出現時刻前移。由上可知，高原條件下柴油機的功率能夠隨著噴油提前角的增大得到一定程度的恢復。

圖8 不同噴油提前角的缸內平均壓力Fig.8 In-cylinder average pressure of different injection advance angles

圖9所示為整個燃燒過程中氣缸內溫度隨噴油提前角的變化規律。由圖9可知，缸內溫度急劇上升點出現的時刻隨著噴油提前角的增大而提前，同一時刻的溫度升高率也越大，溫度峰值出現的時刻也越早。這是由于噴油提前角越大，燃油噴入氣缸內的時刻越早，在著火之前噴入氣缸內的燃油增多，能夠與空氣形成更多的可燃混合氣，在著火之后能夠迅速劇烈燃燒，因此溫度升高率更大，達到峰值所需要的時間縮短。

圖9 不同噴油提前角的缸內溫度Fig.9 In-cylinder temperature of different injection advance angles

3 多次噴射策略

雖然選擇合適的噴油提前角能夠較好地恢復發動機的功率，但是為了尋求更好的功率恢復余量，嘗試采用預噴+主噴的噴射方案。

預噴與主噴間隔角過小可能導致預噴燃燒不能及時完成，主噴燃油覆蓋預噴火焰使主噴燃油和預噴燃油連在一起導致燃燒惡化，預噴與主噴間隔過長又會使得預噴燃油不能燃燒，實現不了引燃主噴的作用。經過大量試算發現，預噴油量為總油量的2%，預噴持續期為10°CA，主預噴間隔角為10°CA配合適度的主噴提前角效果較好。具體噴射方案如表3所示。

由圖10和圖11可以看出，預噴的引入有利于在缸內形成活化的氣體氛圍，縮短主噴射的著火延遲期。當預噴和主噴都提前時，燃油的分布范圍更廣。這是由于燃油噴射時氣缸內的溫度和排氣阻力隨著噴油的提前而減小，若保持燃油壓力不變，噴射時油滴的初速度隨著燃油噴射的壓差增大而增大，燃油的分布范圍也隨之變廣。隨著預噴角和主噴角的增大，氣缸內氧氣的分布范圍愈大，氧氣與燃油能夠更好地混合，有利于改善氣缸內的燃燒情況。

表3 多次噴射方案Table 3 Multiple injection scheme

圖10 360°CA時不同預噴和主噴下燃油的分布Fig.10 Fuel distribution of different multiple injection schemes at 360°CA

圖11 360°CA時不同預噴和主噴下氧氣的分布Fig.11 O2 distribution of different multiple injection schemes at 360°CA

圖12所示為不同預噴和主噴角度的缸內溫度云圖。可以看出缸內溫度分布和單次噴射一樣，相對于平原有所升高同時缸內局部溫度比較高。但相比于單次噴射來說局部高溫區域變小，而這種局部高溫區域變小使得主噴燃油的燃燒情況變好。而且還可以看出隨著預噴射時刻的提前缸內溫度分布比較均勻，因為預噴越早，預噴的燃油燃燒之后有足夠的時間讓溫度擴散。

圖12 360°CA時刻不同預噴和主噴缸內溫度分布Fig.12 In-cylinder temperature distribution of different multiple injection schemes at 360°CA

圖13和圖14所示分別為不同預噴和主噴角度的NOx排放和碳煙排放規律。與單次噴射相比，NOx排放量和碳煙排放量均有一定程度的增加，這是因為缸內溫度升高，高溫環境有利于NOx和碳煙的生成。但隨著預噴與主噴提前角的增加，NOx與碳煙排放量都逐漸減小。由圖11和圖12可知，隨著預噴角和主噴角的提前，缸內氧氣濃度降低，局部高溫富氧區域減少，不利于NOx的形成，NOx的排放量逐漸降低。燃油和氧氣分布范圍隨著預噴和主噴提前角的增大而變廣，燃油與氧氣的能夠更好地混合，有效地改善了缸內燃燒情況，更多的燃油完全燃燒，抑制了碳煙的生成。

圖13 不同預噴和主噴角度的NOx排放Fig.13 NOx emissions of different multiple injection schemes

圖14 不同預噴和主噴角度的碳煙排放Fig.14 Soot emissions of different multiple injection schemes

圖15 不同預噴和主噴的缸內平均壓力Fig.15 In-cylinder average pressure of different multiple injection schemes

由圖15和圖16中可知，在加入預噴之后缸內壓力都要高于無預噴時的缸內壓力，采用預噴射時的缸壓曲線脫離無預噴時的缸壓曲線的時刻隨著預噴角的增大而提前。這是因為預噴燃油噴入的時刻越早，預噴射的燃油燃燒的時間更充足，導致缸內的溫度和壓力升高。最高爆發壓力隨著預噴角增大而增大，缸內平均溫度峰值沒有太大變化，但是平均溫度峰值出現的時間更早。

高海拔下預噴角度不宜過大，這是因為預噴過早，缸內壓力和溫度相對降低，燃油容易附著在缸壁上，滯燃期延長，不利于燃燒的改善。根據以上原則，經過比較后發現預噴提前角為22°CA BTDC，主噴提前角為2°CA BTDC時，示功圖如圖17所示，面積較單次噴射提前角為10BTDC時增加較多，大約可恢復至平原的85.6%，恢復效果明顯。

圖16 不同預噴和主噴的缸內溫度分布Fig.16 In-cylinder temperature of different multiple injection schemes

圖17 優化方案缸內平均壓力對比Fig.17 Comparison of in-cylinder average pressure of optimization scheme

4 結論

(1)高原條件下適當增加噴油提前角能夠使缸內可燃混合物的分布范圍增大，燃油與空氣的混合程度也越高，缸內燃燒情況得到改善，有利于提升重型柴油機的動力性。隨著噴油提前角的增大，示功圖面積增大，高原條件下發動機的功率能夠得到一定程度的提升。

(2)高原條件下采用預噴+主噴的噴射方案有利于在缸內形成活化的氣體氛圍，縮短主噴射的著火延遲期。同時多次噴射相對于單次噴射來說局部高溫區域變小，使得主噴射燃油的燃燒情況變好，缸內溫度分布更加均勻。

(3)考慮到機械負荷、熱負荷同時兼顧動力性的基礎上，該重型柴油機選用預噴提前角為22°CA BTDC，主噴提前角為2°CA BDTC的噴射策略，能夠較好地改善柴油機的性能，示功圖面積較單次噴油提前角10BTDC增加，大約可恢復至平原的85.6%。