噴油壓力與噴孔參數(shù)對柴油機性能協(xié)同影響的仿真研究

劉宇,王向陽,李興華,洪偉,李小平,解方喜

(1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點試驗室,吉林 長春 130022;2.吉林大學汽車工程學院,吉林 長春 130022)

目前,全球石化能源快速消耗,環(huán)境問題日益嚴重。為了滿足日益嚴格的排放法規(guī)和節(jié)約能源,節(jié)能減排成為了主要的解決方法,而燃油噴射直接影響柴油機的燃燒效果,關(guān)于柴油機噴油壓力和噴孔參數(shù)的研究也成為了柴油機研究的重要方向[1]。

天津大學的姚春德等[2]通過試驗發(fā)現(xiàn),提高噴油壓力能夠縮短滯燃期和燃燒持續(xù)期,使放熱率峰值增大且相位提前,炭煙生成量減少。吉林大學的李小平等[3]在一臺高壓共軌柴油機上進行噴射參數(shù)試驗,利用FIRE軟件數(shù)值模擬分析微觀場變化,發(fā)現(xiàn)提高噴射壓力、提前噴油定時可有效提高燃油經(jīng)濟性且降低Soot的排放,但會使NOx排放增加、工作粗暴,并且當噴射壓力提高到120 MPa后,繼續(xù)提高噴射壓力,Soot排放的降低幅度不再增大, 而NOx排放顯著增加。同濟大學的譚靖宇等[4]通過臺架試驗以及數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn),提高噴油壓力能夠提高發(fā)動機的動力性與經(jīng)濟性,降低PM排放,但是NOx的排放量增加。于世永等[5]通過三維仿真發(fā)現(xiàn),減小孔徑可以改善燃油霧化,若想改善Soot排放并提高經(jīng)濟性,需要提前噴油定時并提高噴油壓力。廖建彬等[6]通過仿真發(fā)現(xiàn),單因素增大孔徑可提高經(jīng)濟性,減少Soot排放,但會使NOx排放惡化。袁方恩等[7]通過仿真發(fā)現(xiàn),噴孔數(shù)與噴孔直徑之間存在最佳的匹配關(guān)系。

總體上看,相關(guān)研究工作大多集中于單因素影響上,對噴射壓力、噴孔數(shù)目及噴孔直徑之間的協(xié)同效應(yīng)鮮見報導。因此,本研究基于CONVERGE軟件對一臺柴油機進行了數(shù)值模擬,并利用田口研究方法探究了噴孔數(shù)量、噴孔孔徑與噴射壓力對柴油機性能的協(xié)同影響,以期對柴油機燃油供給系統(tǒng)的優(yōu)化匹配和應(yīng)用提供參考。

1 發(fā)動機仿真模型及驗證

1.1 幾何模型

本研究在一臺直列4缸、四沖程的柴油發(fā)動機上進行,該發(fā)動機的具體參數(shù)見表1。

由于該柴油機燃燒室為對稱結(jié)構(gòu),同時考慮到現(xiàn)有工作條件、時間因素以及精度問題,計算采用扇形模型。由于試驗樣機采用6孔噴油器,因此在模型驗證時選用1/6燃燒室模型,具體建模過程如圖1所示。

表1 試驗柴油機基本參數(shù)

圖1 建模過程

1.2 數(shù)值模型

為了捕捉燃燒室內(nèi)部流場的物理特性,采用湍流RNGk-ε模型[8]。破碎采用KH-RT模型。油滴運動采用O’Rourke模型[9],采用Frossling蒸發(fā)模型[10]模擬霧滴蒸發(fā)。選用SAGE燃燒模型[11]模擬缸內(nèi)燃燒過程,在SAGE燃燒模型下采用了具有密集解算器的CVODES,它可以捕獲100個自由基來求解反應(yīng)機理,并且是SUNDAILS包的一部分。液滴碰撞聚合模型采用 NTC模型[12],該模型具有計算速度快、準確度高的特點[13]。油滴撞壁模型采用Wall film模型,該模型在某些計算中采用假設(shè)的粒子量,其他計算中采用油膜量。NOx模型采用 Extended Zel’dovich mechanism模型,Soot模型采用Hiroyasu-NSC 模型。

在傳熱模型的模擬中,缸壁溫度為433 K,活塞溫度為553 K,缸蓋溫度為523 K。計算初始條件中的進氣溫度和壓力等均是通過臺架試驗實際測量得到的,壓縮比從表1發(fā)動機基本參數(shù)中獲取。

1.3 模擬方案與初始條件

本研究選取原機2 800 r/min,單缸循環(huán)噴油量46.7 mg(100%負荷)為計算工況點,在保證其他噴射參數(shù)不變的前提下改變噴油壓力(A)、噴孔數(shù)(B)、噴孔直徑(C),研究三因素協(xié)同控制對柴油機性能的影響。研究過程參考了發(fā)動機原有相關(guān)噴射參數(shù),在每個因素下選取了3個水平,如表2所示。

表2 田口試驗相關(guān)參數(shù)的因素和水平

田口方法使用正交表(Orthogonal Array)來估計所選因子對響應(yīng)均值和變異的效應(yīng),不考慮各因素間的交互作用,根據(jù)表2的三因素三水平組成了表3所示的L9(33)研究工況正交表。后文按照正交表中的序號進行標記,如后文圖示中的“1”即代表“173*6*0.108”這一組合。

表3 L9(33)正交表

1.4 模型驗證

柴油機運行過程包含多種化學反應(yīng),因此實際工作極其復雜。為了驗證仿真計算中所創(chuàng)建燃燒室模型及所選相關(guān)模型的有效性及合理性,本研究通過臺架試驗,對仿真結(jié)果進行了驗證。本研究選取2 800 r/min轉(zhuǎn)速下100%負荷工況點進行驗證。由圖2缸壓試驗值與仿真值對比可見,缸內(nèi)壓力校驗結(jié)果基本吻合,因此采用該模型對2 800 r/min,單缸循環(huán)噴油量46.7 mg(100%負荷)工況點進行仿真分析是可行的。

圖2 缸壓試驗值與仿真值對比

2 模擬結(jié)果分析

2.1 噴油壓力與噴孔參數(shù)對柴油機燃燒性能的影響

圖3所示為不同組合的缸內(nèi)平均壓力和平均溫度變化。由圖可知,所有組合中組合1(173*6*0.108)的缸內(nèi)平均壓力和平均溫度峰值最低,組合3(173*10*0.139)的缸內(nèi)平均壓力和平均溫度峰值最高,而組合1和組合3的噴油壓力是相同的。這表明噴油器噴孔參數(shù)的改變對于缸內(nèi)平均壓力和平均溫度峰值的影響很大。這主要是由于噴孔參數(shù)的改變會改變噴孔截面積。在同一噴油壓力下對比不同噴孔截面積對缸內(nèi)平均壓力和平均溫度峰值的影響,發(fā)現(xiàn)隨著噴孔截面積的增大,缸內(nèi)平均壓力和缸內(nèi)平均溫度峰值增大。這主要是由于噴孔截面積的增大會導致噴油持續(xù)期縮短,主噴射階段集中在上止點之前,而且噴油速率加快,油氣混合速度加快,燃料能夠較早地燃燒,從而導致缸內(nèi)平均壓力與平均溫度峰值提高。

同時,綜合噴油壓力與噴孔參數(shù)的協(xié)同變化可知,在噴油壓力相對較小時,如果與之相匹配的噴油器的噴孔數(shù)較少且孔徑過小,缸內(nèi)的壓力和溫度則會偏低,且峰值相位滯后。若想要在較低噴油壓力下增加燃燒的劇烈程度,提高發(fā)動機的動力性,必須增加噴孔數(shù),增大噴孔直徑。然而也要注意到,增加噴孔數(shù)與直徑也會產(chǎn)生一定的弊端:一方面如果噴孔數(shù)過多,會產(chǎn)生油束之間的干涉;另一方面,如果噴孔直徑過大,可能會導致燃料的撞壁量增加、不完全燃燒現(xiàn)象加重,對微粒排放不利。因此,當噴孔直徑較小時,與之相匹配的噴油壓力應(yīng)該相應(yīng)提高,以保證燃燒的高效進行。

圖3 不同組合的缸內(nèi)平均壓力和缸內(nèi)平均溫度對比

柴油機平穩(wěn)運行時的平均壓力升高率一般不能超過0.6 MPa/(°)[14],壓力升高率過高會嚴重影響柴油機壽命。由圖4可知,在噴油壓力過高或噴孔截面積過大的情況下,缸內(nèi)壓力升高率明顯偏大,且壓力急劇升高的時刻提前。其中,組合3(173*10*0.139)噴孔截面積最大(孔數(shù)最多、孔徑最大),壓力升高率最大值接近1.3 MPa/(°),工作過程最為粗暴。組合9(233*10*0.120)和組合5(203*8*0.139)由于噴油壓力和噴孔截面積均相對較大,都不同程度地出現(xiàn)了壓力升高率過大的現(xiàn)象,對柴油機平穩(wěn)運轉(zhuǎn)產(chǎn)生了不利影響。因此,在噴油壓力過高時匹配小孔徑且保持孔數(shù)適當可以避免柴油機工作粗暴的問題。

通過溫度場分布可以進一步了解缸內(nèi)的燃燒情況,圖5示出不同組合的缸內(nèi)溫度場。從圖5溫度場中可以看出,高溫區(qū)域基本上都呈現(xiàn)出由燃燒室中心位置向燃燒室凹坑和上部余隙位置逐步擴散的趨勢。

圖5 不同組合的缸內(nèi)溫度場

在噴油壓力較低時,若選取的噴孔數(shù)較少且孔徑較小,則會出現(xiàn)燃燒滯后現(xiàn)象,如組合1(173*6*0.108)大范圍的高溫區(qū)域在30°ATDC時刻后才開始出現(xiàn)。若在噴油壓力提高的同時增大孔數(shù)和孔徑,這將導致燃油在極短的時間內(nèi)噴入氣缸,在上止點附近的快速燃燒使得高溫區(qū)域較早出現(xiàn),但是貫穿距離的增加導致油束間的干涉和撞壁現(xiàn)象更加嚴重,不利于后期的燃燒及高溫區(qū)域的擴散。如組合9(233*10*0.120)的高溫區(qū)域在5°ATDC時已接近壁面附近,但隨著燃燒的進行,高溫區(qū)域擴散受限,主要集中在燃燒室凹坑附近。因此,在追求提高噴油壓力時應(yīng)該同時考慮噴孔參數(shù)的變化,適當增加噴孔數(shù)、減小孔徑可以減少撞壁量,促進燃料的霧化混合,改善燃燒效果,使后期缸內(nèi)的溫度趨向于均勻,溫度梯度變小。

圖6示出不同組合下放熱率的變化。通過對放熱率曲線的分析可知,噴油壓力相同時,噴孔截面積越大(孔數(shù)多、孔徑大),放熱速率越快,同時,燃燒始點提前,燃燒重心靠近上止點,燃燒持續(xù)期明顯縮短;當噴孔截面積變化時,并不是噴射壓力越高放熱率峰值就越高,比如當噴孔截面積相對較大時,噴油壓力在較低的情況下也能使放熱率達到較高的峰值。由圖6可見,組合3(173*10*0.139)最快達到放熱率峰值,且峰值最高。綜合對比可以看出,在噴射壓力提高的同時增大噴孔截面積可以使放熱速率顯著加快,放熱率峰值提高,但是放熱過快會導致大量燃料集中燃燒,壓力升高率過大,不利于柴油機工作。因此通過協(xié)調(diào)控制噴孔參數(shù)與噴油壓力,在適當增加孔數(shù)和減小孔徑的同時提高噴油壓力,可以使噴油持續(xù)期和燃燒持續(xù)期保持在合理區(qū)間,從而改善燃燒效果。

圖6 不同組合的放熱率

2.2 噴油壓力與噴孔參數(shù)對柴油機經(jīng)濟性和排放特性的影響

圖7示出9個組合的指示燃油消耗率、NOx和Soot排放對比。同時,為進一步量化明確各因素對發(fā)動機主要性能的影響,尋求噴油壓力與噴孔參數(shù)的優(yōu)化組合,結(jié)合統(tǒng)計學軟件Mintab進行了信噪比和響應(yīng)權(quán)重分析。信噪比是田口方法的一個常用分析工具,可以直觀地顯示性能特征隨參數(shù)水平的變化。對于發(fā)動機燃油消耗率、NOx和微粒等發(fā)動機性能,一般希望其越低越好,因此,本研究基于望小特性對信噪比進行了計算,表4列出相應(yīng)信噪比數(shù)據(jù)。通常,信噪比的值越高,則表示其對應(yīng)的特定性能特征越優(yōu)。

圖7 不同組合的指示燃油消耗率、NOx和Soot排放

表4 信噪比數(shù)據(jù)

由表4和圖7可見,噴油壓力與噴孔參數(shù)對發(fā)動機指示燃油消耗率、NOx與Soot排放等主要性能指標的影響規(guī)律及其最優(yōu)控制參數(shù)組合均不盡相同。對于噴射壓力,結(jié)果與許多現(xiàn)有文獻結(jié)果相類似,隨著噴射壓力的提高燃油消耗率降低、NOx排放升高,這主要是因為噴射壓力的提升會導致缸內(nèi)混合氣形成速率和燃燒速率加快,燃燒等容度和燃燒溫度提升;然而,對于Soot排放,當噴射壓力過高或過低時均有所惡化,例如在表4中,173 MPa和233 MPa噴射壓力下Soot排放對應(yīng)的信噪比分別為-12.344與-10.466,而203 MPa壓力下僅為-8.039。結(jié)合前面研究可知,當噴射壓力較低時,油氣混合質(zhì)量變差,而當噴射壓力過高時,油束碰壁現(xiàn)象可能會更為嚴重,兩者均會造成Soot排放升高,因此在適當?shù)膰娚鋲毫?203 MPa)下能獲得相對較低的Soot排放。

對于噴孔數(shù)而言,隨著噴孔數(shù)的增加,發(fā)動機燃油消耗率對應(yīng)的信噪比基本也呈現(xiàn)增加趨勢,發(fā)動機經(jīng)濟性不斷改善。這主要是因為,隨著噴孔數(shù)的增加,噴油器的有效流通面積會增大,當噴油正時相同時,燃油能夠更早地進入缸內(nèi),使得發(fā)動機燃燒等容度提升。然而,噴孔數(shù)對NOx和Soot排放的影響較為復雜,且呈現(xiàn)相對較為明顯的反向關(guān)系:當采用6孔和10孔噴油器時,Soot排放較低,而NOx排放較高;當采用8孔噴油器時,NOx排放較低,而Soot排放較高。這可能是因為,當噴孔數(shù)增加后,每個噴孔噴出的燃油量相對減少,且油束總的分布空間會增大,能提升燃燒室中間區(qū)域新鮮空氣的利用率,進而使得油氣混合改善,Soot排放降低、NOx排放升高;但是,噴孔數(shù)增加也會帶來油束相互之間干擾加強、燃燒室遠端新鮮空氣利用率下降的問題,從而造成8孔噴油器Soot劣化現(xiàn)象。同時,從表4中也要注意到,噴孔數(shù)的優(yōu)化選擇在很大程度上也可使發(fā)動機獲得更佳的NOx和Soot排放Trade-Off關(guān)系。例如,6孔噴油器不僅使Soot排放對應(yīng)的信噪比最大(Soot排放最少),其對應(yīng)的NOx排放信噪比也較10孔噴油器有顯著增大(NOx排放降低)。

由表4和圖7還可以發(fā)現(xiàn),噴孔直徑對燃油消耗率、NOx與Soot排放也具有重要影響。當噴孔直徑較小時能獲得相對較小的NOx排放,但此時Soot排放相對較高;當噴孔直徑較大時能獲得相對較小的Soot排放,但此時NOx排放相對較高。這是因為在柴油機大負荷下,當噴孔直徑過小時,噴油器的有效流通面積較小,相同噴油量下的噴油持續(xù)期較長,這會對發(fā)動機燃燒持續(xù)期造成較大的影響,造成發(fā)動機燃燒過程推遲,燃燒持續(xù)期增大,從而缸內(nèi)溫度降低,NOx排放減少,且不利于Soot的后期氧化,Soot排放量增加。

此外,對于燃油消耗率、NOx與Soot排放等發(fā)動機不同性能指標,其最優(yōu)控制參數(shù)組合也不盡相同。燃油消耗率的最優(yōu)參數(shù)組合是噴射壓力為233 MPa(A3)、噴孔數(shù)為10個(B3)、噴孔直徑為0.120 mm(C2);NOx排放的最優(yōu)參數(shù)組合是噴射壓力為173 MPa(A1)、噴孔數(shù)為8個(B2)、噴孔直徑為0.108 mm(C1);Soot排放的最優(yōu)參數(shù)組合是噴射壓力為203 MPa(A1)、噴孔數(shù)為6個(B2)、噴孔直徑為0.139 mm(C3)。綜上可知,通過噴油壓力與噴孔參數(shù)協(xié)同調(diào)控實現(xiàn)柴油機燃油消耗率、NOx與Soot排放的同時降低和改善是極為困難的,難免會存在顧此失彼的現(xiàn)象。然而也要注意到,噴油壓力與噴孔參數(shù)的優(yōu)化匹配對于改善燃油消耗率、NOx與Soot排放的折中Trade-Off關(guān)系仍存在極大可能和積極意義。例如:將最優(yōu)燃油消耗率策略A3-B3-C2調(diào)整為A2-B3-C2,雖然燃油經(jīng)濟性對應(yīng)的信噪比下降了0.12,但NOx與Soot排放對應(yīng)的信噪比卻分別上升了1.77和2.427。

借助信噪比分析可以得到輸出目標特征的最優(yōu)水平組合,但是并不能得知輸出目標特征受哪個參數(shù)的影響最大,即無法明確各參數(shù)對該輸出目標特征的影響權(quán)重。本研究通過對信噪比的變異數(shù)分析獲取了各噴射參數(shù)對燃油消耗率、NOx及Soot生成量的影響權(quán)重。由圖8可見,對于燃油消耗率和NOx排放,噴孔數(shù)影響最為敏感,占比可達0.43和0.55,噴孔直徑影響次之,噴油壓力的影響相對較弱,占比僅為0.2和0.09。對于Soot排放,噴射壓力的影響最為敏感,噴孔數(shù)和噴孔直徑次之。

圖8 各噴射參數(shù)對燃油消耗率、NOx及Soot生成量的影響權(quán)重

2.3 優(yōu)化噴油壓力與噴孔參數(shù)對發(fā)動機經(jīng)濟性和排放特性的影響

結(jié)合上述分析,由于不同噴油壓力與噴孔參數(shù)對發(fā)動機不同性能指標的影響權(quán)重存在顯著差異,因此可結(jié)合各因素影響權(quán)重與信噪比對噴油壓力與噴孔參數(shù)進行針對性選取,進一步優(yōu)化燃油消耗率、NOx與Soot排放折中關(guān)系。例如噴射壓力雖然對燃油消耗率、NOx與Soot排放均具有重要的影響,但相對而言其對Soot的影響權(quán)重更大,達到近50%,而對燃油消耗率與NOx排放影響較小,分別為20%和9%,進行噴射壓力優(yōu)化選擇時可主要考慮Soot排放。經(jīng)綜合對比分析,選擇A2-B2-C2(203 MPa-8孔-0.120 mm)作為初步優(yōu)選方案,并將測試結(jié)果與原機進行了對比分析,如圖9所示。由圖可以看出,優(yōu)化后的燃油消耗率比原機降低了4.37 g/(kW·h),低于原機水平約1.85%,經(jīng)濟性改善較為顯著。同時,優(yōu)化后的組合同樣能夠減少NOx和Soot的生成量,分別低于原機水平約11.2%和9.14%?？梢?噴油壓力與噴孔參數(shù)進一步適應(yīng)性優(yōu)化匹配對于柴油機高效清潔工作仍具有重要的價值和潛力。

圖9 優(yōu)化前后指示燃油消耗率、NOx和Soot排放對比分析

3 結(jié)論

a) 噴油壓力較低時,噴孔數(shù)較少且孔徑過小,缸內(nèi)的燃燒會變得平緩,缸內(nèi)壓力和溫度偏低,且峰值相位滯后;提高噴油壓力時應(yīng)同時考慮噴孔參數(shù)的變化,適當增加噴孔數(shù)且適當減小孔徑;

b) 噴油壓力過高或噴孔截面積過大會導致缸內(nèi)壓力升高率明顯偏大,且壓力急劇升高的時刻提前,不利于柴油機平穩(wěn)運行;

c) 隨著噴射壓力的提高,燃油消耗率降低,NOx排放升高;對于Soot排放而言,噴射壓力過高或過低時均會有所惡化;隨著噴孔數(shù)的增加,燃油消耗率基本也呈現(xiàn)降低趨勢,但NOx和Soot排放變化較為復雜,且呈現(xiàn)相對明顯的反向關(guān)系;

d) 當噴孔直徑較小時,NOx排放較少,但Soot排放相對較多;當噴孔直徑較大時,Soot排放較少,但NOx排放相對較多;

e) 對于燃油消耗率和NOx排放,噴孔數(shù)影響最為敏感,噴孔直徑影響次之,噴油壓力的影響相對較弱;對于Soot排放,噴射壓力的影響最為敏感,噴孔數(shù)和噴孔直徑次之;

f) 噴油壓力與噴孔參數(shù)的優(yōu)化匹配對柴油機高效清潔工作具有積極作用,初選優(yōu)化組合方案的燃油消耗率、NOx和Soot的生成量分別較原機降低了1.85%,11.2%和9.14%。