噴油規(guī)律曲線形狀對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程影響的仿真分析

張晶，李國(guó)岫，袁野

(北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044)

0 引言

眾所周知噴油規(guī)律曲線對(duì)柴油機(jī)性能具有重要影響，除了最大噴油速率與噴油持續(xù)期以外，噴油規(guī)律曲線的合理形狀也是人們努力追求的目標(biāo)［1］。人們根據(jù)長(zhǎng)期在燃料供給系統(tǒng)與柴油機(jī)匹配方面的經(jīng)驗(yàn)，提出了建立噴油規(guī)律曲線合理形狀的原則:初期噴油率要低，主噴射階段噴油率應(yīng)逐步增大，后期噴射率應(yīng)快速下降(斷油干脆)。

但是噴油規(guī)律曲線形狀對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的影響規(guī)律以及影響機(jī)理尚不清楚。本研究通過(guò)分析噴油規(guī)律曲線形狀對(duì)燃燒放熱率、滯燃期、預(yù)混燃燒及擴(kuò)散燃燒分配比例、燃燒重心及缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布情況等的影響，得到噴油規(guī)律曲線形狀對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的影響規(guī)律。

1 仿真方案設(shè)計(jì)

1.1 研究對(duì)象及計(jì)算模型

研究對(duì)象為某型小缸徑單缸高速柴油機(jī)，工作容積1 L，壓縮比14.5，噴孔數(shù)8，噴孔直徑0.28 mm.燃燒室計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 燃燒室計(jì)算網(wǎng)格Fig.1 Chamber computational grid

利用AVL 公司的CFD 模擬軟件FIRE 進(jìn)行仿真，湍流模型選用k－ε 模型，燃油霧化模型選用WAVE 模型，燃油蒸發(fā)模型采用Dukowicz 模型，液滴碰壁模型為Walljet 模型，自燃機(jī)理采用SHELL模型進(jìn)行模擬，湍流燃燒模型選用EBU 燃燒模型——渦團(tuán)破碎模型。

如圖2所示，將仿真壓力曲線與實(shí)驗(yàn)壓力曲線對(duì)比，壓力曲線基本吻合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大爆壓值220 bar，仿真結(jié)果的最大爆壓值220.05 bar，最大爆壓偏差率0.02%，偏差率很低，可見(jiàn)仿真結(jié)果可以代替實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖2 缸內(nèi)壓力曲線對(duì)比Fig.2 Comparison of in－cylinder mean pressure

1.2 噴油規(guī)律曲線

噴油規(guī)律曲線也稱(chēng)為“噴油速率的形狀”曲線(以下簡(jiǎn)稱(chēng)噴油規(guī)律)，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和放熱的進(jìn)程。保證循環(huán)噴油量和噴油持續(xù)期不變，選定4 種噴油規(guī)律形狀方案研究噴油規(guī)律形狀對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的影響規(guī)律，分別是矩形(對(duì)應(yīng)高壓共軌系統(tǒng)的噴油規(guī)律［2］)、斜坡形、楔形(對(duì)應(yīng)泵噴嘴系統(tǒng)和單體泵系統(tǒng)的噴油規(guī)律［2］)、梯形噴油規(guī)律，如圖3所示，并將噴油持續(xù)期劃分為噴油前期(噴油持續(xù)期的20%)、中期(噴油持續(xù)期的80%)和后期。

圖3 四種噴油規(guī)律示意圖Fig.3 Four kinds of fuel injection rate－shape

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 噴油規(guī)律對(duì)滯燃期的影響

滯燃期的定義為從噴油始點(diǎn)到燃燒始點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。在滯燃期內(nèi)，噴入氣缸的燃料經(jīng)歷霧化、加熱、蒸發(fā)、擴(kuò)散與空氣混合等物理準(zhǔn)備階段以及著火前的化學(xué)準(zhǔn)備階段［1］。滯燃期直接影響到急燃期的燃燒，對(duì)整個(gè)燃燒過(guò)程的影響很大。

通常判定燃燒始點(diǎn)是缸內(nèi)最高溫度發(fā)生突變的時(shí)刻［3］。如圖4所示，矩形噴油規(guī)律下兩個(gè)時(shí)刻的缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布，在348.6°CA 時(shí)缸內(nèi)最高溫度為915.05 K，349°CA 時(shí)的缸內(nèi)最高溫度為1 338.1 K，缸內(nèi)最高溫度發(fā)生突變，所以燃燒始點(diǎn)為349°CA。同理判定其余3 種噴油規(guī)律下的燃燒始點(diǎn)及滯燃期如表1所示。

由表1可知在相同的噴油提前角條件下，著火順序從先到后依次是:矩形噴油規(guī)律、楔形噴油規(guī)律、梯形噴油規(guī)律、斜坡形噴油規(guī)律。

圖4 矩形噴油規(guī)律缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布Fig.4 Distribution of in－cylinder temperature of rectangular injection rate－shape

表1 不同噴油規(guī)律燃燒始點(diǎn)及滯燃期Tab.1 Ignition delay of different fuel injection rate－shape

4 種噴油規(guī)律的滯燃期:斜坡形噴油規(guī)律的滯燃期＞梯形噴油規(guī)律的滯燃期＞楔形噴油規(guī)律的滯燃期＞矩形噴油規(guī)律的滯燃期。

滯燃期的長(zhǎng)短主要受預(yù)混合氣形成時(shí)間的影響，分析噴油規(guī)律影響滯燃期的原因，如圖5所示噴油規(guī)律對(duì)霧化索特平均直徑SMD 的影響，矩形和楔形噴油規(guī)律噴霧初期的SMD 小，霧化細(xì)，有利于燃油快速蒸發(fā)，縮短了預(yù)混合氣形成時(shí)間，斜坡形噴油規(guī)律的油滴粒徑最大，使得燃油蒸發(fā)速率慢，預(yù)混合氣形成時(shí)間長(zhǎng)，滯燃期長(zhǎng)。

從圖6噴油規(guī)律對(duì)貫穿距離的影響可看出，噴油規(guī)律不同，噴霧的貫穿距離不同。矩形和楔形噴油規(guī)律下噴霧的初期噴油速率快，貫穿能力強(qiáng)，燃油噴霧與周?chē)諝庀嗷プ饔?，使得與缸內(nèi)的氣流接觸面積大，有利于加快預(yù)混合氣的形成。

2.2 噴油規(guī)律對(duì)放熱規(guī)律的影響

圖5 不同噴油規(guī)律的SMDFig.5 SMD of different fuel injection rate－shape

圖6 不同噴油規(guī)律的貫穿距離Fig.6 Penetration of different fuel injection rate－shape

一般情況下，滯燃期越長(zhǎng)，說(shuō)明著火前形成的可燃混合氣越多［4］，但是在不同噴油規(guī)律的情況下，由于噴油速率的差異，導(dǎo)致相同時(shí)間噴入缸內(nèi)的燃油質(zhì)量不同，滯燃期的長(zhǎng)短不能代表形成的預(yù)混合氣質(zhì)量的多少，但是滯燃期可以影響預(yù)混合燃燒放熱相對(duì)于上止點(diǎn)的位置。

4 種噴油規(guī)律對(duì)應(yīng)的放熱率和壓力曲線如圖7所示。從該圖中看出:4 種噴油規(guī)律的放熱率曲線均呈現(xiàn)雙峰，“第1 峰”代表預(yù)混燃燒放熱階段，放熱速率快，其大小取決于滯燃期內(nèi)形成的燃油空氣混合氣質(zhì)量;“第2 峰”代表擴(kuò)散燃燒放熱階段，放熱速率比預(yù)混燃燒階段慢，燃燒放熱速率取決于燃料和空氣相互擴(kuò)散形成可燃混合氣的速率。

噴油規(guī)律形狀決定了放熱率曲線形狀，重點(diǎn)分析噴油前期和噴油中期噴油規(guī)律對(duì)放熱率的影響規(guī)律。

1)初期噴油速率高，則放熱率峰值高。圖7(a)、7(d)矩形和梯形噴油規(guī)律的初期噴油速率高，對(duì)應(yīng)的放熱率曲線“第1 峰”的峰值高即初期放熱率高，而且初期放熱率的增高率高;圖7(b)、7(c)斜坡形和楔形噴油規(guī)律初期噴油速率較低，導(dǎo)致初期放熱率低，放熱率“第1 峰”和“第2 峰”峰值差別較小。

圖7 噴油規(guī)律對(duì)放熱規(guī)律的影響Fig.7 Influence of fuel injection rate－shape on heat release rate

2)噴油規(guī)律決定了整個(gè)燃燒過(guò)程預(yù)混和擴(kuò)散燃燒階段放熱量的分配比例。為了定量劃分預(yù)混和擴(kuò)散燃燒階段，取放熱率曲線“凹谷”的切點(diǎn)劃分預(yù)混和擴(kuò)散燃燒階段，如圖8所示。

圖8 預(yù)混和擴(kuò)散燃燒階段劃分Fig.8 Stage of premixed combustion and diffusion combustion

分析表2可知矩形和梯形噴油規(guī)律的預(yù)混燃燒階段占得比例較大，斜坡形和楔形噴油規(guī)律預(yù)混燃燒階段占得比例較小。

表2 不同噴油規(guī)律的預(yù)混和擴(kuò)散燃燒放熱量分配比例Tab.2 Ratio of premixed combustion and diffusion combustion heat release of different fuel injection rate－shape

進(jìn)一步分析預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒分配比例對(duì)燃燒過(guò)程的影響，得出結(jié)論:①預(yù)混燃燒階段占得比例大對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)最高燃燒壓力大，最大壓力升高率高，燃燒過(guò)程較粗暴。如圖9～10 所示，矩形和梯形噴油規(guī)律下的最大爆壓和最大壓力升高率均高于其他2 種噴油規(guī)律;②預(yù)混燃燒階段占得比例大，縮短了擴(kuò)散燃燒持續(xù)期，使得燃燒更接近于等容燃燒，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。

圖9 噴油規(guī)律對(duì)缸內(nèi)壓力的影響Fig.9 Influence of fuel injection rate－shape on In－cylinder Mean Pressure

圖10 噴油規(guī)律對(duì)缸內(nèi)壓力升高率的影響Fig.10 Influence of fuel injection rate－shape on rate of pressure rise

3)噴油中期速率決定了預(yù)混燃燒階段放熱和擴(kuò)散燃燒階段放熱過(guò)渡區(qū)放熱率曲線的形狀，圖7(c)楔形噴油規(guī)律噴油中期的噴油速率逐漸增大，擴(kuò)散燃燒階段的放熱率出現(xiàn)明顯第2 峰，矩形、斜坡和梯形噴油規(guī)律噴油中期的噴油速率保持不變，則放熱率第2 峰相對(duì)較平緩。

4)噴油規(guī)律曲線的形狀決定了燃燒重心。燃燒重心一般用放熱率重心［5］表示，即累計(jì)放熱量達(dá)到總放熱量的50%時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。

如圖11 所示為噴油規(guī)律對(duì)累計(jì)放熱量的影響，可以計(jì)算出燃燒重心的位置如表3所示。

分析表3不同噴油規(guī)律對(duì)燃燒重心位置的影響，矩形噴油規(guī)律下的燃燒重心相對(duì)于上止點(diǎn)偏離11.5°CA，斜坡形噴油規(guī)律下的燃燒重心相對(duì)于上止點(diǎn)偏離15.5°CA，楔形噴油規(guī)律下的燃燒重心相對(duì)于上止點(diǎn)偏離16°CA，梯形噴油規(guī)律下的燃燒重心相對(duì)于上止點(diǎn)偏離10.5°CA。得到結(jié)論:相比于斜坡形和楔形噴油規(guī)律，梯形及矩形噴油規(guī)律下的燃燒重心更接近于上止點(diǎn)。

圖11 噴油規(guī)律對(duì)累計(jì)放熱量的影響Fig.11 Influence of fuel injection rate－shape on accumulated heat release

表3 不同噴油規(guī)律對(duì)應(yīng)的燃燒重心Tab.3 The gravity of the combustion process of different fuel injection rate－shape

研究燃燒重心的意義在于，燃燒重心偏離上止點(diǎn)的位置影響燃燒的熱效率。從理論循環(huán)的角度分析，偏離上止點(diǎn)的加熱由于等效降低了壓縮比，工質(zhì)膨脹不完全，則熱效率下降。從表3計(jì)算結(jié)果可知:梯形噴油規(guī)律的燃燒熱效率＞矩形噴油規(guī)律的燃燒熱效率＞斜坡形噴油規(guī)律的燃燒熱效率＞楔形噴油規(guī)律的燃燒熱效率，4 種噴油規(guī)律燃燒重心偏離上止點(diǎn)的位置越遠(yuǎn)，燃燒熱效率越低。

2.3 噴油規(guī)律對(duì)缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布的影響

不同噴油規(guī)律下缸內(nèi)溫度場(chǎng)軸向分布如圖12 所示，分別選取了350°CA、360°CA、370°CA、380°CA、400°CA五個(gè)時(shí)刻。

分析各個(gè)時(shí)刻缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布情況可知:

1)350 °CA 時(shí)，只有矩形噴油規(guī)律缸內(nèi)出現(xiàn)著火區(qū)域，其余3 種情況均未著火，仍處于滯燃期，分析原因:噴油規(guī)律決定了每度曲軸轉(zhuǎn)角下的噴油速率，進(jìn)而直接影響燃油的霧化情況。

圖12 不同噴油規(guī)律各時(shí)刻缸內(nèi)溫度場(chǎng)軸向分布Fig.12 In－cylinder axial temperature distribution of different fuel injection rate－shape

2)360 °CA 時(shí)，氣缸活塞位于上止點(diǎn)，缸內(nèi)容積最小，此時(shí)的做功能力最強(qiáng)，欲使發(fā)動(dòng)機(jī)有較高的熱效率，則要求燃料盡量在上止點(diǎn)附近燃燒。從溫度場(chǎng)情況可知，矩形噴油規(guī)律缸內(nèi)燃燒最劇烈，火焰溫度高，高溫區(qū)域分布面積廣，而斜坡型噴油規(guī)律的火焰溫度最低，而且火焰中心靠近燃燒室中心，使得燃燒室外圍空氣的利用率低。

3)370 °CA、380°CA、400°CA 時(shí)高溫區(qū)域占據(jù)了燃燒室內(nèi)大部分面積，并從燃燒室向氣缸外圍發(fā)展;此時(shí)缸內(nèi)燃燒為擴(kuò)散燃燒階段，燃燒放熱速率由空氣和燃料相互擴(kuò)散形成可燃混合氣的速率控制，缸內(nèi)湍動(dòng)能越強(qiáng)，越有利于油氣混合。圖13 缸內(nèi)的湍動(dòng)能曲線可以看出擴(kuò)散燃燒階段斜坡形噴油規(guī)律的缸內(nèi)湍動(dòng)能＞楔形噴油規(guī)律的缸內(nèi)湍動(dòng)能＞梯形噴油規(guī)律的缸內(nèi)湍動(dòng)能＞矩形噴油規(guī)律的缸內(nèi)湍動(dòng)能，因此斜坡形噴油規(guī)律油氣混合均勻，缸內(nèi)燃燒劇烈。

圖13 不同噴油規(guī)律缸內(nèi)湍動(dòng)能Fig.13 Turbulent kinetic energy of different fuel injection rate－shape

3 結(jié)論

1)不同的噴油規(guī)律，滯燃期的長(zhǎng)短不同，斜坡形噴油規(guī)律的滯燃期＞梯形噴油規(guī)律的滯燃期＞楔形噴油規(guī)律的滯燃期＞矩形噴油規(guī)律的滯燃期，滯燃期的長(zhǎng)短與預(yù)混合氣形成速度有關(guān)，矩形噴油規(guī)律噴霧霧化細(xì)，貫穿能力強(qiáng)，有利于提高油滴蒸發(fā)速率和油氣混合速率。

2)矩形和梯形噴油規(guī)律的初期噴油速率高，對(duì)應(yīng)的放熱率曲線“第1 峰”的峰值高，而且初期放熱率的增高率高;斜坡形和楔形噴油規(guī)律初期放熱率低，放熱率“第1 峰”和“第2 峰”峰值差別較小。

3)噴油規(guī)律決定了整個(gè)燃燒過(guò)程預(yù)混和擴(kuò)散燃燒階段放熱量的分配比例。矩形和梯形噴油規(guī)律的預(yù)混燃燒階段放熱量占得比例較大，約有50%;斜坡形和楔形噴油規(guī)律預(yù)混燃燒階段放熱量占得比例較小，僅有約30%。

4)噴油規(guī)律直接影響燃燒重心，初期噴油速率越高，燃燒重心越接近于上止點(diǎn)，相比于斜坡形和楔形噴油規(guī)律，梯形及矩形噴油規(guī)律的燃燒重心更接近于上止點(diǎn)，燃燒熱效率高。

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