高壓共軌系統(tǒng)控制參數(shù)對(duì)柴油機(jī)性能影響研究

周巍

摘 要：為研究高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的關(guān)鍵控制參數(shù)對(duì)柴油機(jī)性能的影響。建立了柴油機(jī)工作過(guò)程仿真模型和高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)模型，將工作過(guò)程仿真模型與高壓共軌燃油系統(tǒng)模型進(jìn)行耦合。在對(duì)耦合得到的柴油機(jī)仿真模型進(jìn)行精度驗(yàn)證后，以功率為邊界條件，通過(guò)調(diào)整噴射正時(shí)和噴油壓力，研究不同燃油噴射控制參數(shù)對(duì)高壓共軌柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性能和排放性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著噴油壓力升高，循環(huán)噴油量增加，導(dǎo)致缸內(nèi)爆發(fā)壓力增加，IMEP值和排放量都上升;而隨著噴油始點(diǎn)提前，由于滯燃期的增長(zhǎng)，燃料燃燒更充分，缸內(nèi)爆發(fā)壓力，IMEP值和排放量都上升。

關(guān)鍵詞：高壓共軌燃油系統(tǒng);船用柴油機(jī);控制參數(shù);耦合模型

中圖分類號(hào)：U664.121? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）12-0083-04

1引言

國(guó)際海事組織（IMO）為了更好地限制船舶廢氣污染，而制定了三階段的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，目前已規(guī)定了波羅的海、北海、北美以及美國(guó)加勒比海為排放控制區(qū)，在該排放控制區(qū)內(nèi)的船舶必須滿足相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。此外，國(guó)內(nèi)也在積極地推進(jìn)海岸線劃設(shè)排放控制（ECA）的劃設(shè)工作。我國(guó)政府已頒布了《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第一、二階段）》（GB15097-2016），規(guī)定自2021年7月1日起實(shí)施。日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)對(duì)船用柴油機(jī)的排放性能和壽命周期提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，降低排放的同時(shí)，具備良好的燃油經(jīng)濟(jì)性一直是柴油機(jī)技術(shù)的研究重點(diǎn)[3]。高壓共軌電控燃油噴射技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)整機(jī)性能提升和排放降低的有效技術(shù)途徑，其通過(guò)提高噴油量和噴油定時(shí)的控制精度優(yōu)化燃油的噴射過(guò)程，能夠顯著提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性能，也能為機(jī)外排放后處理系統(tǒng)減輕了壓力[4-5]，同時(shí)，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)因由于其噴射燃油高壓霧化良好的特點(diǎn)[6]，還被運(yùn)用于船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的引燃裝置上[7]，因此開展高壓共軌系統(tǒng)控制參數(shù)對(duì)船用中速柴油機(jī)性能影響的研究有著重要意義[8]。本文以某船用中速柴油機(jī)為研究對(duì)象，建立高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真模型和柴油機(jī)工作過(guò)程仿真模型，在對(duì)仿真模型進(jìn)行精度驗(yàn)證后進(jìn)行模型耦合并驗(yàn)證耦合可行性。利用建立的耦合模型進(jìn)行噴油壓力和噴油始點(diǎn)對(duì)柴油機(jī)性能的影響分析。

2柴油機(jī)工作過(guò)程仿真模型建立

柴油機(jī)氣缸內(nèi)的工作過(guò)程是很復(fù)雜的，它是包含物理、化學(xué)、流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)等綜合過(guò)程。在柴油機(jī)氣缸內(nèi)熱力過(guò)程仿真計(jì)算時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，采用零維模型建立柴油機(jī)實(shí)際缸內(nèi)工作過(guò)程的數(shù)學(xué)模型[9]。基于現(xiàn)象學(xué)的BARBA模型能夠比較精確的反應(yīng)柴油機(jī)燃油噴射、預(yù)混燃燒、擴(kuò)散燃燒、廢氣對(duì)擴(kuò)散燃燒的影響等過(guò)程，該模型將燃油從噴入氣缸到燃燒的過(guò)程劃分為兩個(gè)獨(dú)立的過(guò)程：第一步是基于預(yù)混火焰?zhèn)鞑ゼ僭O(shè)在預(yù)混區(qū)采用預(yù)混燃燒模型。當(dāng)預(yù)混區(qū)間燃油充分燃燒后，此時(shí)主噴階段燃油的氧化則通過(guò)受控混合燃燒模型來(lái)表示[10]。具有燃油引燃噴射和主噴的燃燒過(guò)程可以被分為孤立的7部分：

（1）預(yù)混燃油噴射。在引燃噴射開始時(shí)初始化燃燒模型，并計(jì)算相關(guān)變量。噴油時(shí)需要表示出預(yù)混區(qū)已噴射燃油的濃度并計(jì)算著火滯燃期的長(zhǎng)短。此時(shí)油滴蒸發(fā)的宏觀特性可以通過(guò)表面積和體積折算的方式來(lái)衡量，用索特平均直徑。假設(shè)燃油被噴入氣缸時(shí)就開始蒸發(fā)，則其蒸發(fā)公式表示為：

（1）

其中，，在湍流場(chǎng)中。

（2）預(yù)混噴射的著火滯燃期。將引燃噴射噴油始點(diǎn)的著火滯燃期定義為。在零維柴油燃燒模型中，著火滯燃期通常表示為單步化學(xué)反應(yīng)。這些相對(duì)簡(jiǎn)單的模型可以用于著火滯燃期的對(duì)數(shù)與溫度的倒數(shù)成正比的傳統(tǒng)燃燒模型。著火延時(shí)子模型根據(jù) Arrhenius 定律可表示為：

（2）

式中，和為子模型參數(shù);和為燃燒室的溫度和壓力。

（3）預(yù)混噴射燃燒過(guò)程。在滯燃期結(jié)束時(shí)進(jìn)入到預(yù)混燃燒階段，此前已經(jīng)蒸發(fā)為氣態(tài)的預(yù)混燃油得到充分燃燒。預(yù)混區(qū)多建立于噴油初期，因此滯燃期中所噴油霧都被包含在預(yù)混區(qū)中。新鮮空氣和燃燒廢氣通過(guò)下式也體現(xiàn)在預(yù)混區(qū)中。

（3）

式中參數(shù)用來(lái)保證在無(wú)殘余燃燒廢氣情況下燃油空氣當(dāng)量比為1.25。若噴油結(jié)束時(shí)滯燃期仍未結(jié)束，由于燃油在周圍工質(zhì)中的擴(kuò)散預(yù)混區(qū)會(huì)擴(kuò)大。

（4）受控混合燃燒的燃油噴射。由于主噴開始時(shí)第一次噴射油霧的燃燒尚未結(jié)束，主噴模型為主噴階段建立了一個(gè)新的預(yù)混區(qū)并計(jì)算該區(qū)域的著火滯燃期。上述預(yù)混區(qū)燃油噴射過(guò)程的定義與預(yù)混燃油噴射階段定義相同。

（5）受控混合燃燒的著火滯燃期。在第一次噴射過(guò)程中，著火滯燃期需要從主噴階段的始點(diǎn)一直計(jì)算到它等于1，此時(shí)燃油開始燃燒。主噴階段的著火模型與引燃噴射階段相同，但是由于較高的壓力和溫度，主噴階段的著火滯燃期更短，且在噴射完成前結(jié)束。在著火開始時(shí)刻已經(jīng)噴射的燃油在預(yù)混區(qū)燃燒，此時(shí)尚未噴射的燃油則用受控混合燃燒模型表示。

（6）受控混合燃燒之前的預(yù)混燃燒。由于滯燃期在噴射完成前結(jié)束，主噴階段預(yù)混區(qū)燃油比例較引燃噴射低，且其燃燒路徑比第一次噴射也偏低。

（7）受控混合燃燒過(guò)程。與預(yù)混燃燒模型相同，滯燃期結(jié)束時(shí)尚未燃燒的油霧按照受控混合燃燒模型逐漸燃燒。在這個(gè)燃燒模型中，油霧和周圍空氣的混合速率決定了其引燃效率。因此，混合燃燒模型中已燃燒燃油質(zhì)量可通過(guò)下式計(jì)算：

（4）

典型混合長(zhǎng)度是一個(gè)關(guān)于噴油孔的數(shù)量和燃油/空氣當(dāng)量比和燃燒室容積的函數(shù)，典型混合速率是一個(gè)關(guān)于活塞運(yùn)動(dòng)速率和湍流動(dòng)能的函數(shù)。

（8） 排放預(yù)測(cè)。是內(nèi)燃機(jī)排放的主要污染物，下式中表述了污染物生成與分解的三個(gè)守恒方程。

（5）

式中為不同公式定義了一個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并定義向右反應(yīng)方向?yàn)榉?hào)+，向左反應(yīng)方向?yàn)?。演變定義如下式：

（6）

選用AMESim提供的ENG12BARBALTC12元件作為缸內(nèi)燃燒子模型，該模型根據(jù)前文陳述的BARBA方法計(jì)算缸內(nèi)工質(zhì)燃燒壓力、溫度和廢氣排放等參數(shù)。

噴油器元件FNGINJ11-1可以將導(dǎo)入的噴油率數(shù)據(jù)擬合為用六個(gè)參數(shù)表達(dá)的近似曲線，可以比較精確地反映出實(shí)際的噴油規(guī)律。此外，噴油器子模型需要輸入四個(gè)外部變量，分別是噴油器內(nèi)的燃油壓力、燃油溫度、噴油提前角和噴射脈寬，根據(jù)機(jī)械式噴油器的噴油率試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合仿真噴油率曲線。將壓氣機(jī)與渦輪機(jī)通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸連接組合為渦輪增壓器，需要設(shè)置的主要參數(shù)包括壓氣機(jī)和渦輪機(jī)的幾何參數(shù)（如葉輪外緣直徑、擴(kuò)壓管直徑等），通過(guò)獲取的增壓器特性曲線，將其標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下（一般為1.013bar，293K）通用特性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為當(dāng)前試驗(yàn)條件下的特性數(shù)據(jù)，

3燃油噴射系統(tǒng)仿真模型建立

為了研究高壓共軌系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)的影響，建立高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真模型。共軌管具有穩(wěn)壓的作用，能夠減小高壓油泵壓力波動(dòng)對(duì)噴油壓力的影響，因此本文假設(shè)從共軌管輸出的燃油壓力和溫度相對(duì)穩(wěn)定，將其簡(jiǎn)化為一個(gè)穩(wěn)定壓力源與噴油器連接。由于共軌管具有穩(wěn)壓的作用，能夠減小高壓油泵壓力波動(dòng)對(duì)噴油壓力的影響，因此本文假設(shè)從共軌管輸出的燃油壓力和溫度相對(duì)穩(wěn)定，將其簡(jiǎn)化為一個(gè)穩(wěn)定壓力源與噴油器連接。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中的電控噴油器，是通過(guò)一根較短的高壓油管和共軌相連的，主要由電磁閥，壓力放大系統(tǒng)和孔式針閥偶件等幾部分構(gòu)成的。綜上根據(jù)實(shí)驗(yàn)室噴油器實(shí)物構(gòu)建的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真模型如圖1所示。

4柴油機(jī)仿真模型精度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證柴油機(jī)工作過(guò)程仿真模型的正確性，特選擇100%負(fù)荷、90%負(fù)荷、75%負(fù)荷和50%負(fù)荷四個(gè)工況下的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下：通過(guò)仿真，獲得了柴油機(jī)各個(gè)工況下的仿真數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖2～圖5），分別為各工況下缸內(nèi)壓力仿真數(shù)據(jù)與試模型的仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差較小，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性與合理性。

5控制參數(shù)對(duì)柴油機(jī)性能影響分析

基于燃油噴射模型與柴油機(jī)工作過(guò)程仿真模型耦合的合理性，在保證噴油脈寬不變的條件下，分別改變噴油壓力和噴油始點(diǎn)，探究燃油噴射控制參數(shù)對(duì)柴油機(jī)性能影響。如表1所示。

從圖6，圖7及表2，表3可以看出，隨著噴油壓力升高，循環(huán)噴油量增加，導(dǎo)致缸內(nèi)爆發(fā)壓力增加，IMEP值和排放量都上升;而隨著噴油始點(diǎn)提前，循環(huán)噴油量略有下降，但由于滯燃期的增長(zhǎng)，燃料燃燒更充分，缸內(nèi)爆發(fā)壓力，IMEP值和排放量都上升。

6結(jié)論

（1）本文建立了柴油機(jī)工作過(guò)程仿真模型和高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真模型耦合得到的柴油機(jī)模型，驗(yàn)證了仿真模型的精度，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真模型能夠正確的反應(yīng)燃油噴射和壓力波動(dòng)規(guī)律，耦合模型可以較準(zhǔn)確地模擬缸內(nèi)燃燒及渦輪增壓器運(yùn)行。

（2）隨著噴油壓力升高，循環(huán)噴油量增加，導(dǎo)致缸內(nèi)爆發(fā)壓力增加，IMEP值和排放量都上升;而隨著噴油始點(diǎn)提前，由于滯燃期的增長(zhǎng)，燃料燃燒更充分，缸內(nèi)爆發(fā)壓力，IMEP值和排放量都上升。

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