基于CONVERGE的車用柴油機缸內燃燒及排放的仿真研究

王宏達，許俊峰，張鑫華，魏福祥，馬天翔 ，李玉峰

(1. 中北大學 能源動力工程學院，山西 太原 030051； 2. 中國北方發動機研究所，山西 大同 037001)

0 引言

2020年以后，內燃機排放法規日益嚴格，使得原始設備制造商有必要尋找經濟高效的解決方案來提高內燃機效率并降低其排放。高效燃燒發動機可以受益于冷卻外部廢氣重新計算和進氣加濕等技術。在這些技術中，進氣加濕可以作為一種有前途的方法來減輕爆震和顯著減少二氧化碳及氮氧化物排放。進氣加濕不是新技術[1-3]，早在第二次世界大戰之前，水噴射到燃燒室這一概念就已經用于軍用飛機活塞發動機，以便在需要高推力時，如起飛或空戰，在短時間內增加功率輸出。噴水主要用于航空工業[4]，只有少數帶有增壓器或渦輪增壓器的高性能汽車配備了噴水系統。進氣加濕具體機理有以下三點：1)混合氣體中的氧濃度可被加水有效降低；2)水有比較大的蒸發潛熱以及較高的比熱容；3)水分子可以在高溫下發生化學反應分解生成O2和H2。因此，可以提升燃燒效率，反應的具體化學式為2H2O=2H2+O2。這三種效應分別被稱為加水策略的稀釋效應、熱效應和化學效應[5]。

一些研究表明，進氣加濕對降低柴油發動機中的氮氧化物和碳煙排放有顯著效果。文獻[6]分析了進氣加濕對增壓汽油直噴發動機熱平衡的影響，探討了進氣加濕提高發動機熱效率的原因。進氣加濕可以顯著降低工質溫度，使得廢氣中所含能量變少，從而降低排氣損失。文獻[7]研究了進氣加濕對發動機排放的影響，在中負荷和高負荷下，通過向混合物中加水和提前點火時間，可以顯著降低粒子排放。文獻[8]通過實驗重點研究了進氣加濕的冷卻及稀釋效應，并與EGR技術在減排能力上進行對比，發現在高負荷和PM排放較少時，進氣加濕更能有效降低NOx的排放。文獻[9]探討了進氣加濕結合米勒循環，在進氣門晚關10°CA以及水油比為0.3時，可以有效降低NOx的排放，但是HC、CO以及油耗增加。

現階段下，關于發動機進氣加濕的研究主要集中在對燃燒及排放產物的參數定性分析以及注水后對發動機爆震的影響上，而在不同注水情況下對缸內溫度分布、當量比分布、湍動能、燃燒重心以及有害排放物影響方面的研究較少。本文將采用CONVERGE軟件進行三維CFD數值模擬，研究不同注水量對內燃機缸內燃燒的影響以及排放產物減少的內在機理、量化減排程度，為車用柴油機的減排設計提供理論依據。

1 計算模型的基本參數及驗證

1.1 仿真模型的建立

本文以某型車用高強化柴油機為研究對象，在Pro/e中建立模型見圖1。前期已完成對模型的標定。在進氣道設置水噴口一個，噴水過程在進氣前結束。

圖1 噴口位置示意圖

運用CONVERGE軟件進行三維數值模擬，柴油機具體參數如表1所示。

表1 高強化柴油機的基本參數

1.2 計算模型的選用及條件

在模擬過程中，計算模型選用的湍流模型使用雷諾平均(RANS)的重整化群(RNG)k-ε模型；噴霧破碎模型選用KH-RT組合模型；碰撞模型選用O’Rourke模型；碰壁模型選用Slide/Rebound燃油碰壁模型；蒸發模型選用Frossling經驗公式和Chiang經驗公式來計算液滴直徑變化率，選用SAGE燃燒模型；排放模型基于調用“mech. dat”文件，結合激活的燃燒模型計算得出相關排放物，其中包含的碳煙(Soot)和氮氧化物(NOx)子模型。

本文研究主要是針對高強化柴油機在全負荷(100%負荷、轉速為3 800r/min)情況下進行的瞬態模擬，模擬計算范圍為0 °CA～720 °CA。計算從進氣沖程時開始，隨著排氣沖程的結束而結束，噴水從50 °CA時刻開始，在169 °CA時刻結束，歷時119 °CA；噴油從348 °CA時刻開始，結束時刻為384.5 °CA，噴油持續期為36.5 °CA，噴油量為206.7mg，噴孔直徑為0.22mm，燃油溫度313K。將進氣壓力0.461MPa和缸內溫度343K作為計算起始條件。利用CONVERGE自帶的網格診斷以及自適應加密技術，對該模型進行網格處理，網格加密方案如圖2所示。

圖2 網格加密方案

1.3 計算模型的驗證

在單缸機試驗臺，轉速3 800r/min、全負荷工況下，測得了充氣量、NOx排放量及缸壓曲線等數據，如圖3(本刊黑白印刷，相關疑問咨詢作者)、表2所示。為了驗證模型的有效性及模擬結果的可靠性，將實驗與模擬重要參數進行對比，圖3是實驗與模擬缸壓對比圖，在368.96 °CA時刻，實驗缸內峰值壓力為20.31MPa，模擬缸內峰值壓力在368.70 °CA時達到20.24MPa。二者相比模擬較實驗峰值相位提前0.26 °CA，峰值壓力偏差0.34%。通過表2得知，模擬值與實驗值在NOx的排放、充氣量兩項分別偏差0.48%、1.59%，三者均在工程允許誤差范圍內，證明模擬結果是可信的，模型是可靠的。

圖3 實驗與模擬缸壓對比圖

表2 模擬值與實驗值關鍵參數對比 單位：kg

1.4 油水比的定義

為了研究噴水量的大小對柴油機缸內燃燒的影響，直觀地表征加濕程度，引進了油水比(缸內噴油量與進氣道噴水量的比值)的概念。設計了6種仿真方案，進氣道未噴水工況及5種不同油水比工況：0.583、1.17、1.78、2.40、3.05。在仿真過程中，保持轉速、負荷、噴油質量不變。

2 模擬結果及分析

2.1 油水比對缸內燃燒的影響

圖4是油水比從0.583增加到3.05時，缸內壓力隨曲軸轉角的變化圖。隨著油水比的不斷增加，缸內峰值壓力先降低再升高，并在油水比0.583時缸內峰值壓力達到最低，為19.42MPa，與進氣道未噴水工況比較，降低0.82MPa，降幅為4.05%。這種趨勢表明缸內壓力隨著油水比的不斷增加而升高，其內在原因是，進氣中水蒸氣含量的不斷下降增加了等容燃燒程度，從而升高了缸內壓力。在油水比為1.78時，缸內峰值壓力為19.80MPa，峰值相位提前0.8°CA，燃燒相位優化，缸內壓降較未噴水工況降幅為2.03%。

圖4 油水比對缸內壓力的影響

圖5是在不同油水比時，缸內溫度隨曲軸轉角的變化圖。由圖可知，缸內溫度峰值為1 523.3K，存在于未噴水工況下，隨著噴水量的不斷增加，缸內平均溫度逐漸降低，峰值溫度降低為水油比0.583時的1 427.9K，較未噴水工況下降95.4K，降幅為6.26%。這表明，進氣道噴水對降低缸內溫度效果明顯，可有效降低缸內爆震爆燃趨勢。發動機燃燒相位優化，且利于低溫燃燒的進行，有助于降低有害物質的排放。當油水比逐漸降低，<1.78時，由于水的冷卻和稀釋作用，使得燃燒速率減緩，缸內溫度大幅下降，對燃燒相位的負面影響超過了點火時刻提前帶來的積極影響。

圖5 油水比對缸內平均溫度的影響

圖6為油水比對燃燒重心CA50的影響，由圖可知，隨著油水比的提高，燃燒重心CA50相位逐漸提前。這是由于進氣中水的占比不斷下降，在進氣完成后，氧含量不斷上升，在缸內發生燃燒反應時，燃料獲得足夠的氧氣來發生燃燒反應，使得燃燒速率上升，從而提前了燃燒重心。

圖6 油水比對燃燒重心CA50的影響

2.2 油水比對油耗的影響

圖7所示為油水比對油耗率的影響。圖中可見，在油水比不斷提高的過程中，油耗率先降低后升高，并在油水比為1.78時，油耗率降幅最高，為10.5%，其主要原因是由于燃燒相位的優化，使得發動機熱效率有了提升。

圖7 油水比對油耗率的影響

2.3 油水比對排放的影響

圖8所示為排放特性隨油水比的變化圖。圖中可見，隨著油水比的不斷提高，NOx的峰值排放量不斷上升。在進氣道未噴水時，NOx峰值排放量最大，為2.3×10-6kg，將油水比提高到0.583，NOx峰值排放量大幅下降，此時排放量為3.5×10-7kg，較前工況降幅為84.8%。高溫型NO是NOx的主要來源，噴水量占比不斷提高，導致缸內峰值火焰溫度不斷降低，且降幅越來越大，有利于抑制高溫型NO的生成，從而使得NOx生成質量下降。隨著油水比的不斷降低，峰值排放量由未噴水工況時的9.55×10-6kg提升至油水比為0.583時的1.07×10-5kg，升幅為12%。在油水比為1.78時，較未噴水工況，NOx排放量下降61.7%、碳煙排放量上升4.7%。

圖8 油水比對NOx、碳煙排放的影響

圖9為CA50時刻，不同油水比情況下NOx在缸內的分布。從云圖中可以看出，NOx分布的區域主要存在于靠近氣門處的擠氣區以及ω型燃燒室的凹坑內。主要原因是油束從噴油口噴出后，撞擊燃燒室壁面后向周圍擴散，擴散區域具有NOx生成的良好條件，因而在燃燒反應過后，此區域產生大量的NOx。隨著噴水量占比的不斷提高，NOx在此區域的濃度下降十分明顯，說明進氣加濕導致的缸內低溫燃燒對NOx減排效果十分明顯。

圖9 不同油水比CA50時刻缸內NOx分布

圖10為CA50時刻，不同油水比對缸內當量比分布的影響。從當量比分布云圖可以看出，當量比分布區域主要存在于擠氣區以及ω型燃燒室的凹坑內。在此區域內高當量比分布面積隨著油水比的提高略有增加，濃度也有所提高，這會使得碳煙排放進一步增加。進氣道噴水量的提高減少了進氣中的氧含量以及降低了缸內的燃燒溫度，使得碳煙后期的氧化能力下降，導致碳煙排放惡化。

圖10 不同油水比CA50時刻缸內當量比分布

3 結語

通過建立某型車用柴油機三維仿真模型，對模型進行網格劃分以及局部網格加密，確定了進氣道噴水的仿真條件。設計了6種仿真方案，并采用CFD三維數值模擬軟件CONVERGE模擬了進氣道噴水對缸內燃燒及排放的影響過程。仿真結果證明，進氣道噴水對柴油機的減排及熱效率的提升有一定的效果。具體結論如下：

1)隨著油水比的不斷提高，缸內峰值壓力及缸內峰值溫度先降低后升高，峰值相位出現先提前后推遲的規律，燃燒重心CA50相位前移。

2)隨著進氣道噴水量不斷提升，點火時刻提前，燃燒相位得以優化，發動機熱效率提高，油耗水平下降。當油水比為1.78時，發動機油耗率最低，燃油可節省10.5%。

3)進氣道噴水會導致缸內溫度降低，高溫型NOx的排放大幅減少，但碳煙排放量有所上升。采用最佳油水比1.78，可使總體排放量保持在較低水平。