柴油機(jī)低溫燃燒數(shù)值模擬研究

李雪飛，肖合林

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

柴油機(jī)是一種高效、低能耗的動(dòng)力機(jī)械，有著廣泛的應(yīng)用，但如何同時(shí)降低氮氧化物和碳煙兩種排放物一直是一個(gè)世界性難題［1－2］。近年來(lái)，低溫燃燒作為一種很有潛力的新型燃燒方式，其同時(shí)降低NOx和碳煙排放的能力引起了世界各國(guó)學(xué)者的注意，成為了國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，并取得了一些寶貴的成果［3］。筆者采用數(shù)值計(jì)算的方法，對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒進(jìn)行了分析和研究。

1 計(jì)算模型

筆者以柴油機(jī)為研究對(duì)象，通過模擬計(jì)算方法，研究了柴油機(jī)的噴油提前角和EGR率對(duì)柴油機(jī)燃燒及排放性能的影響。在模擬計(jì)算中，采用shell著火模型、K－ε湍流模型和離散液滴(DDM)噴霧模型，碳煙生成采用廣安－Nagel兩步模型，氮氧化合物生成采用擴(kuò)充的Zeldovich機(jī)理。

2 計(jì)算網(wǎng)格和參數(shù)設(shè)置

2．1 柴油機(jī)基本參數(shù)

實(shí)驗(yàn)柴油機(jī)為6缸8孔噴嘴柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2．2 計(jì)算網(wǎng)格

通過CFD軟件KIVA對(duì)柴油機(jī)的燃燒過程進(jìn)行模擬計(jì)算，采用燃燒室增加側(cè)隙倒三角容積的方式以滿足可靠的壓縮比，其計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示，該網(wǎng)格為柴油機(jī)上止點(diǎn)處的計(jì)算網(wǎng)格，筆者所研究柴油機(jī)的8孔噴油嘴位于燃燒室中心，是一個(gè)軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，計(jì)算中將燃燒室8等分，每份占用一個(gè)噴孔，任選其中一份作為計(jì)算域并劃分網(wǎng)格。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

圖1 計(jì)算網(wǎng)格

2．3 初始條件和計(jì)算邊界條件

生成計(jì)算網(wǎng)格模型后，模擬計(jì)算燃油采用與柴油物化性質(zhì)比較接近的C14H30，為了能有效地計(jì)算，需要設(shè)置合適的初始條件和邊界條件。表2為發(fā)動(dòng)機(jī)模擬計(jì)算的初始參數(shù)。

表2 初始參數(shù)

2．4 模型選擇的合理性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的正確性，將轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、扭矩為500 N·m、噴油始點(diǎn)為ATDC2°CA、EGR率為19．6%工況下的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，圖2為對(duì)比結(jié)果。由圖2不難看出，兩者壓力曲線能夠較好地吻合，所選用的燃燒模型和初始邊界條件與實(shí)際柴油機(jī)工作過程基本一致，可以認(rèn)為該計(jì)算模型具有較高的精確性，因此，運(yùn)用該模型對(duì)柴油機(jī)燃燒與排放進(jìn)行模擬所得結(jié)果也有較高的可靠性。

圖2 缸內(nèi)壓力曲線

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3．1 EGR率的影響

筆者研究了在1 000 r/min的工況下柴油機(jī)燃燒和排放性能隨EGR率和噴油提前角變化而變化的規(guī)律。通過設(shè)定3種EGR率，模擬計(jì)算得到柴油機(jī)燃燒性能曲線，其計(jì)算結(jié)果如圖3～圖7所示。

圖3 缸內(nèi)溫度曲線

圖4 缸內(nèi)壓力曲線

圖5 TDC10°CA溫度分布界面圖

圖6 Soot排放曲線

圖7 NOx排放曲線

(1)柴油機(jī)燃燒性能分析。從圖3可看出隨著EGR率增加，缸內(nèi)平均溫度在降低。這是由于EGR率增加，燃燒滯燃期延長(zhǎng)，燃燒始點(diǎn)推遲［4］。另外，廢氣中CO2和H2O的比熱比空氣高且不參加燃燒，在相同的放熱情況下能夠吸收更多的熱量，從而使缸內(nèi)最高平均溫度降低［5］。從圖4可看出，缸內(nèi)平均壓力隨著EGR率的增加而降低。隨著EGR率的增加，引入缸內(nèi)的廢氣增多，廢氣中惰性氣體對(duì)燃燒化學(xué)反應(yīng)的阻滯作用增強(qiáng)，缸內(nèi)燃燒速度降低，最大爆發(fā)壓力和最大壓力升高率下降，平均壓力降低。

(2)柴油機(jī)排放性能分析。由圖5可以看出，隨著EGR率的增大，缸內(nèi)最高溫度的分布區(qū)域減少。NOx的生成區(qū)域主要在高溫區(qū)域，NOx的生成會(huì)隨著EGR率的增加而減少。EGR率越大，更多的廢氣替代空氣，使氣缸內(nèi)的氧氣濃度降低，阻滯了燃燒反應(yīng)速率，使缸內(nèi)最高燃燒溫度有所降低。由圖6可看出，Soot排放隨EGR率增大而升高。隨著EGR率的增大，更多的廢氣進(jìn)入進(jìn)氣道，導(dǎo)致進(jìn)氣阻力增大，使缸內(nèi)混合氣的過量空氣系數(shù)變小，引起煙度的增加［6］，同時(shí)，EGR率增加，缸內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)降低，導(dǎo)致燃油燃燒不充分而更易生成Soot。高溫和富氧能夠促進(jìn)NOx的生成。如圖7所示，隨著EGR率的增大，NOx的排放降低。當(dāng)EGR率達(dá)到30%時(shí)，NOx排放可降到75%左右，但Soot排放急劇增加。因此在考慮滿足柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性要求時(shí)，選擇合適的EGR率來(lái)降低其排放變得尤為重要［7］。

3．2 噴油提前角的影響

3．2．1 噴油提前角對(duì)缸內(nèi)特性影響

圖8為柴油機(jī)缸內(nèi)平均壓力曲線，隨著噴油時(shí)刻的延遲，柴油機(jī)的缸內(nèi)最高壓力有下降的趨勢(shì)。隨著噴油時(shí)刻的推遲，由圖9的放熱率曲線可知，缸內(nèi)混合氣著火時(shí)刻延期，大量的燃油在膨脹過程中燃燒，使缸內(nèi)壓力增長(zhǎng)變慢，因此缸內(nèi)最高壓力隨著噴油時(shí)刻的延遲而降低。

圖8 缸內(nèi)壓力曲線

圖9為柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒放熱率曲線。隨著噴油時(shí)刻的推遲，起始放熱相位延后，上止點(diǎn)時(shí)刻噴油的最高放熱率偏低。在其他燃燒控制參數(shù)不變的情況下，燃燒相位主要由噴油時(shí)刻決定，噴油時(shí)刻越早，燃燒就越早發(fā)生，初始放熱相位也越早。在上止點(diǎn)前噴油，活塞上行，氣流從燃燒室外向燃燒室內(nèi)運(yùn)動(dòng)形成斜軸渦流，氣體流動(dòng)有利于空氣燃油的更好混合［8］。在上止點(diǎn)后噴油，隨著活塞下行，燃燒空間增大，燃燒室內(nèi)高溫高壓引起的內(nèi)外壓力差以及強(qiáng)擠流的作用使得氣流以較大的速率從燃燒室內(nèi)向外流出，此時(shí)噴油能使燃油與空氣更充分地混合。而上止點(diǎn)時(shí)刻噴油，由于缸內(nèi)氣體流動(dòng)小，燃?xì)饣旌喜怀浞?，?dǎo)致燃油燃燒不充分，因而其最高放熱率最小。

圖9 放熱率曲線

3．2．2 噴油提前角對(duì)排放的影響

圖10為柴油機(jī)NOx隨噴油提前角變化的變化曲線。隨著噴油時(shí)刻的延遲，NOx的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，噴油時(shí)刻在ATDC4°CA時(shí)，NOx的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一定的變大。NOx的生成主要受缸內(nèi)溫度的影響，缸內(nèi)溫度越高，就越容易生成NOx。隨著噴油時(shí)刻的推遲，缸內(nèi)最高溫度分布區(qū)域依次減少，在ATDC4°CA噴油時(shí)有一個(gè)回升，因而NOx的生成呈現(xiàn)圖10的趨勢(shì)。由壓力曲線可知，隨著噴油時(shí)刻的延遲，缸內(nèi)平均壓力越低，溫度也越低，生成的NOx也就越少。在ATDC4°CA噴油時(shí)，由于活塞下行引起缸內(nèi)壓力差，在缸內(nèi)形成了較大速度的氣流流動(dòng)，促進(jìn)了燃油與空氣的混合，缸內(nèi)溫度相對(duì)較高，直接影響了NOx的生成，因此在ATDC4°CA噴油時(shí)，NOx的生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一定的變大。

圖11為柴油機(jī)Soot隨噴油提前角變化的變化曲線，Soot的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著噴油時(shí)刻的延遲有一個(gè)降低的趨勢(shì)，在ATDC4°CA時(shí)Soot排量相對(duì)于ATDC3°CA急劇上升。Soot的排量和燃油與空氣的混合程度以及燃油的破碎蒸發(fā)程度密切相關(guān)，在BTDC4°CA噴油時(shí)，缸內(nèi)溫度和壓力低，燃油的破碎蒸發(fā)能力降低，活塞上行，氣體擠壓使混合氣混合不均，出現(xiàn)局部過濃區(qū)域，Soot大量生成。ATDC4°CA噴油時(shí)，由于缸內(nèi)溫度和壓力下降，噴油的阻力減小，燃油的破碎能力下降，燃油蒸發(fā)能力也減弱，碰壁的油量也增加，使得Soot值有所回升［9］，而對(duì)于該模擬計(jì)算中其他的不同噴油提前角，Soot值主要受混合氣均勻程度的影響，出現(xiàn)圖11所示情況。選擇合適的噴油提前角可以使柴油機(jī)的燃燒得到改善，排放降低［10］。

圖10 NOx排放曲線

圖11 Soot排放曲線

4 結(jié)論

筆者通過數(shù)值模擬的手段對(duì)低溫燃燒柴油機(jī)進(jìn)行模擬分析，通過改變EGR率和噴油提前角研究了柴油機(jī)的排放特性，結(jié)果表明:

(1)增大EGR率可有效降低柴油機(jī)NOx的排放，同時(shí)Soot排放值會(huì)增加，合適的EGR率能夠在降低排放的同時(shí)提高燃油的經(jīng)濟(jì)性。

(2)晚噴能夠較好地實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的低溫燃燒，更好地控制NOx和Soot的排放;但噴油時(shí)刻過晚，會(huì)使柴油機(jī)NOx和Soot的排放量有所回升，選擇合適的噴油提前角能夠較好地控制柴油機(jī)的燃燒和排放。

［1］韓東，呂興才，黃震．柴油機(jī)低溫燃燒的研究進(jìn)展［J］．車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2008(2):4－7．

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［10］蘇石川，張多鵬，曾偉．基于CFD的增壓柴油機(jī)不同噴油提前角的排放影響分析［J］．內(nèi)燃機(jī)工程，2008，29(1):39－47．