噴油參數對F-T煤制油混合氣特性的模擬研究

王浩亞，王 鐵，石晉宏，冀冠佐

（太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024）

1 引言

隨著能源短缺和環境污染問題的加劇，柴油機燃燒熱效率和污染物排放問題受到了廣泛關注［1］。排放法規的日益嚴格也使得柴油機高效清潔先進燃燒技術的研究更加迫切［2］。Fischer－Tropsch（F-T）煤制油作為一種理想的柴油機代用燃料，其理化特性與柴油相近，具有十六烷值高、不含硫、芳烴含量低的特性，具備低排放燃燒的潛質，發展和研究F-T煤制油對改善柴油機性能和能源的可持續利用具有重要意義［3］。

為了充分發揮F-T煤制油的優勢，國內外展開了許多相關研究。文獻［4］將F-T 柴油、PODE、甲醇三種燃料按照一定比例摻混，發現PODE的加入會導致放熱率曲線峰值降低，缸內最高燃燒溫度降低，NOx排放降低；文獻［5］研究發現，通過優化噴油參數尋求噴油壓力和噴油正時的最佳組合，可以提高F-T煤制油共軌柴油機的性能；文獻［6-7］的研究表明：煤制油的使用可以提高柴油機熱效率，與柴油相比，預混燃燒量和壓升率也明顯降低；文獻［8］通過探究F-T煤制油燃燒階段的循環變動，發現燃用F-T煤制油的平均波動強度小于0#柴油；文獻［9］分析了F-T柴油對發動機燃燒和排放的影響規律，發現燃用F-T柴油可以使CO、HC排放和消光煙度大幅降低。可以看出以往的研究主要集中于F-T煤制油發動機在燃燒、排放試驗等方面的應用，而對于其缸內可視化燃燒機理方面的研究相對較少。

本課題組前期通過分析F-T煤制油的性質及組分結構，基于CHEMKIN Pro提出正十四烷和標準異辛烷構建雙組分F-T煤制油表征燃料機理，并通過分析詳細機理構建出表征燃料骨架機理，通過與多種基礎反應器及實際發動機試驗對比，該機理能夠較好地預測單一組分及表征燃料的氧化特性［10］。基于此，本研究利用CONVERGE耦合F-T煤制油表征燃料簡化機理建立F-T煤制油發動機多維仿真模型，對F-T煤制油發動機在典型工況下的缸內燃燒過程進行模擬計算，研究噴油參數對燃油噴霧、油氣混合和缸內溫度場分布的作用規律，為F-T煤制油的高效清潔燃燒提供理論依據。

2 模型的建立和驗證

研究所用的電控高壓共軌柴油機主要參數，如表1所示。

表1 發動機主要參數Tab.1 Main Engine Parameters

模型中使用的雙組分F-T煤制油表征燃料（體積分數72%的正十四烷和28%的異辛烷）的化學機理來自于本課題組文獻［12］所構建，試驗中所使用的F-T煤制油由山西潞安礦業（集團）有限責任公司生產，其主要理化性質對比參數，如表2所示。

表2 F-T煤制油及其表征燃料的主要理化特性對比Tab.2 Comparison of the Main Physical and Chemical Properties of F-T Coal-to-Liquid and its Characterized Fuel

依據所研究機型的實際結構尺寸，以UG三維建模軟件為平臺，在保證計算精度的原則下，對電控柴油機原型機結構進行一定程度的簡化，建立的電控柴油機燃燒室多維模型和噴油模型，如圖1所示。結合F-T煤制油在電控高壓共軌柴油機上的工作特性，計算過程中采用的模型，如表3所示。選取柴油機典型工況2000r∕min-100Nm，采用缸內直噴+兩次噴射（預噴+主噴）的策略。根據試驗工況設定的數值模擬邊界條件，如表4所示。將模擬計算的缸壓、放熱率與試驗數據進行對比結果，如圖2、圖3所示。

圖1 電控柴油機燃燒室模型與噴油模型Fig.1 The Combustion Chamber Model and the Injection Model of Common Rail Engine

圖2 缸內壓力仿真與試驗結果對比示意圖Fig.2 Comparison of Calculation and Experiment Data for In－Cylinder Pressure

圖3 放熱率仿真與試驗結果對比示意圖Fig.3 Comparison of Calculation and Experiment Data for Heat Release Rate

表3 計算模型選擇Tab.3 Calculation Model Selection

表4 模型邊界條件設置Tab.4 Model Boundary Condition Setting

由圖可知：模擬與試驗的缸壓、放熱率曲線吻合度良好，能夠較好地反映預混與擴散兩個階段的放熱特征，說明模型可反映發動機實際的燃燒和排放，具有較高的可信度。

3 結果與分析

通過建立仿真模型研究噴油特性對F-T煤制油發動機缸內燃油噴霧、油氣混合和缸內溫度場的作用規律，其中，CA10 與CA20分別為上止點后10°和20°曲軸轉角。

3.1 預噴正時

仿真計算預噴正時對缸內氣流湍動能和燃油蒸發率的作用規律，如圖4、圖5所示。

圖4 預噴正時對湍動能的作用規律Fig.4 Turbulent Kinetic Energy Under Different Pre－Injection Timing

圖5 預噴正時對燃油蒸發率的作用規律Fig.5 Fuel Vaporization Ratio Under Different Pre－Injection Timing

由圖4、圖5可知：預噴提前角由13℃A BTDC 提前至17℃A BTDC，缸內氣流湍動能峰值呈現增大趨勢，同時燃油的蒸發率響應小幅度加快，提前達到峰值。預噴之后，燃氣噴射引起氣流波動，主要集中在15℃A BTDC之后，呈現出預噴提前角越大、湍動能越大的趨勢，峰值增量達到了5%。隨著曲軸轉角變化，進入主噴燃燒階段，氣流波動消失，預噴對湍動能和蒸發率的影響逐漸減弱。由于預噴正時提前，氣流湍動能增加，燃油的蒸發性變好，容易氣化，同時預噴導致滯燃期延長，燃油和空氣充分混合的時間增多，在缸內形成大量均勻分布且稀薄的可燃混合氣，著火之后混合氣集中放熱，缸內溫度和壓力快速升高，燃燒速度快，燃燒完全，在一定程度上改善了燃燒質量。

仿真計算預噴正時對缸內溫度場分布情況影響的切面圖，如表5所示。云圖的截面為噴油嘴所在的中心面。

表5 預噴正時對缸內溫度場的作用規律Tab.5 Comparison of In-Cylinder Temperature Under Different Pre-Injection Timing

由表5 可知：預噴正時由13℃A BTDC 提前到17℃A BTDC時，缸內的高溫區域增多，且隨著曲軸轉角由CA10到CA20轉變，火焰前鋒面不斷向前擴展，高溫油束噴射速率加快，促使燃燒高溫區域位置由燃燒室壁面向燃燒室凹坑方向延伸。這是因為預噴提前角的增大導致主預噴時間間隔加長，燃油與空氣混合時間長，同時湍動能和燃油蒸發率升高，油束貫穿能力強，導致氣流快速運動減少富燃區域，燃燒室壁面的大當量比區域少，適宜燃燒的混合氣區域增多，壓燃著火時燃燒速度與放熱速度加快，缸內溫度提高。

3.2 主噴正時

仿真計算主噴正時對缸內氣流湍動能和燃油蒸發率的作用規律，如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可知：主噴正時與預噴正時對于湍動能和燃油蒸發率有著相同的影響。主噴正時由4.9℃A BTDC提前到6.9℃A BTDC時，主燃期間的湍動能呈現增長趨勢，蒸發率響應大幅加快。由于預噴參數不變，所以在預噴燃燒階段，5條湍動能曲線基本一致，到達5℃A BTDC之后，湍動能開始變化，峰值湍動能增加約0.05m2∕s2，蒸發率攀升時刻對應的曲軸轉角提前且蒸發率提高3%。噴油提前角的增大，使得混合氣受湍流強度影響的程度更加劇烈，氣流快速運動導致蒸發率上升，燃油霧化速度提高，有利于缸內形成更多的均質混合氣，改善燃燒。同時由于主噴正時提前導致著火時刻提前，滯燃期延長，滯燃期形成的可燃混合氣和前期氧化物增多，燃燒持續期延長，燃燒起始時刻為避免燃燒劇烈引起工作粗暴的問題，應限制噴油提前角的范圍。

圖6 主噴正時對湍動能的作用規律Fig.6 Turbulent Kinetic Energy Under Different Main－Injection Timing

圖7 主噴正時對燃油蒸發率的作用規律Fig.7 Fuel Vaporization Ratio Under Different Main－Injection Timing

仿真計算主噴正時對缸內溫度場分布情況的影響切面圖，如表6所示。云圖的截面為噴油嘴所在的中心面。

表6 主噴正時對缸內溫度場的作用規律Tab.6 Comparison of In-Cylinder Temperature Under Different Main-Injection Timing

通過表6可知：主噴正時由4.9℃A BTDC提前到6.9℃A BTDC時，缸內的高溫區域增多，同時由CA10到CA20的高溫區域的擴散可以看到，相較于預噴，主噴噴油量較多，最高燃燒溫度超過2100℃，火焰前鋒面擴展更加迅速，燃燒高溫區域位置由燃燒室壁面向燃燒室凹坑方向延伸。這是因為當主噴正時提前時，氣流湍動能和燃油蒸發率會有不同程度的上升，油束貫穿能力強，在氣流的卷吸作用下，燃油的蒸發與霧化過程加快，改善了混合氣的當量比分布。同時由于較濃的混合氣集中在油束前端，隨著曲軸轉角的增大，噴霧在傳播過程中會發生碰壁和反彈現象，燃燒室凹坑起到了撞壁的作用，進而導致高溫區域隨之轉移。

3.3 噴油壓力

仿真計算噴射壓力對缸內氣流湍動能和燃油蒸發率的作用規律，如圖8、圖9所示。

圖8 噴射壓力對湍動能的作用規律Fig.8 Turbulent Kinetic Energy Under Different Injection Pressure

圖9 噴射壓力對燃油蒸發率的作用規律Fig.9 Fuel Vaporization Ratio Under Different Injection Pressure

由圖8、圖9可知：當噴射壓力由85MPa提高至105MPa時，缸內氣流湍動能顯著提高，峰值幅度達到6m2∕s2，蒸發率總體上呈現響應速度變快的趨勢，卻在105MPa時小幅降低。隨著曲軸轉角的變化，湍動能呈現先增長后降低的趨勢，尤其在噴油壓力100MPa以上表現得更加明顯，這是因為隨著噴油壓力增大，燃燒始點提前，滯燃期縮短，短時間燃燒急劇放熱，湍動能在上止點后出現了階段性爆發。噴油壓力低于原機數據（100MPa）時，湍動能明顯降低，燃料分子作用相對緩慢，影響燃料的蒸發霧化速度。燃油蒸發率在105MPa時小幅降低，這是因為在一定范圍內提高噴射壓力有助于增加燃油蒸發率，超過一定范圍之后容易導致油束在向前貫穿時克服氣流阻力的能力下降，使得蒸發率有所降低，減慢油氣混合速度，不利于充分燃燒。因此，噴油壓力需要設置在一個合理的范圍之內。

仿真計算噴射壓力對缸內溫度場分布情況的影響切面圖，如表7所示。云圖的截面為噴油嘴所在的中心面。由表7可知：增大噴射壓力，即噴射壓力由85MPa增加至105MPa時，缸內的高溫區域增多，同時由CA10到CA20的過程中，燃燒高溫區逐漸向燃燒室凹坑區域擴展直到擴散至整個燃燒室區域。這是因為噴射壓力的增加導致湍動能的上升幅度較大，燃油蒸發、霧化、擴散能力強化，油束運動劇烈，均質混合氣的形成速率加快，于是缸內的富燃區域和過稀區域減少，進而滯燃期內形成的大量且質量較高的可燃混合氣在燃燒階段釋放較多熱量，缸內溫度提高。這表明噴油壓力的增大使油氣混合更加均勻，提高了燃燒質量。

表7 噴射壓力對缸內溫度場的作用規律Tab.7 Comparison of In-Cylinder Temperature Under Different Injection Pressure

3.4 預噴油量

仿真計算循環預噴油量對缸內氣流湍動能和燃油蒸發率的作用規律，如圖10、圖11所示。

圖10 循環預噴油量對湍動能的作用規律Fig.10 Turbulent Kinetic Energy Under Different Pilot Quantity

圖11 循環預噴油量對燃油蒸發率的作用規律Fig.11 Fuel Vaporization Ratio Under Different Pilot Quantity

由圖10、圖11可知：增大預噴油量，即由1.1mg提高至1.9mg時，湍動能增加約0.04m2∕s2，主要集中在預噴階段，而燃油蒸發率有小幅上漲，可以認為預噴油量對于燃油蒸發率影響較小。在湍動能的作用下，預噴油量越多，氣流運動越快，滯燃期形成混合氣增多，總的燃燒持續期會更接近上止點，燃燒等容度大，著火之后缸內最高溫度和最高壓力升高。

仿真計算循環預噴油量對缸內溫度場的分布情況的影響切面圖，如表8所示。云圖的截面為噴油器所在的中心面。

表8 循環預噴油量對缸內溫度場的作用規律Tab.8 Comparison of In－Cylinder Temperature Under Different Pilot Quantity

由表8可知：增大預噴油量，即循環預噴油量由1.1mg增加至1.9mg時，缸內的高溫集中區域增多，曲軸轉角由10°CA 發展到20°CA時，燃燒高溫區逐漸向燃燒室凹坑區域擴展。隨著預噴油量的增加，滯燃期內形成的預混合氣增多，但是在一定主預噴時間間隔內，燃油與空氣混合的程度變差，初期表現為高溫區域的集中分布，在燃燒階段，缸內工質的溫度增高，在缸內形成了較強的熱氛圍，大量的混合氣集中放熱，局部壓力升高率和溫度升高率上漲較快，容易造成熱沖擊產生振動。

這表明一定范圍的預噴油量增加會提高湍動能，加速氣流運動，但預噴油量過大會導致預噴燃燒和主噴燃燒重疊，油氣混合質量反而變差，不利于降低碳煙排放。

4 結論

（1）采用CFD仿真耦合F-T煤制油表征燃料簡化機理模型的方法，可以實現電控高壓共軌柴油機燃用F-T煤制油的缸內燃燒情況可視化，準確反映燃油噴霧、油氣混合和缸內溫度場的作用規律，為F-T煤制油噴油特性優化奠定理論基礎。

（2）適當提前預噴和主噴正時都有利于湍動能和燃油蒸發率的提高，加速氣流運動，有利于缸內均質混合氣的形成。但主噴正時引起的湍動能上升幅度更大，蒸發率攀升響應更快。

（3）增大噴油壓力能在燃燒過程中顯著提高氣流湍動能，加快燃油霧化，但噴油壓力過大反而會導致蒸發率降低。因此應控制噴油壓力在合理的范圍內。

（4）預噴油量對于缸內湍動能和燃油蒸發率的影響相對較小，但是采用兩次噴射策略有助于油氣混合，提高F-T煤制油的霧化均勻性。

燃用F-T煤制油的電控高壓共軌柴油機可以通過噴油參數的合理匹配充分發揮F-T 煤制油優良的燃料特性，結合提前噴油、增大噴射壓力和較小預噴油量的噴油參數組合有助于促進缸內氣流運動，改善燃油霧化和蒸發效果，更容易形成均質混合氣。