基于CONVERGE的車用柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒及排放的仿真研究

王宏達(dá)，許俊峰，張?chǎng)稳A，魏福祥，馬天翔 ，李玉峰

(1. 中北大學(xué) 能源動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051； 2. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，山西 大同 037001)

0 引言

2020年以后，內(nèi)燃機(jī)排放法規(guī)日益嚴(yán)格，使得原始設(shè)備制造商有必要尋找經(jīng)濟(jì)高效的解決方案來(lái)提高內(nèi)燃機(jī)效率并降低其排放。高效燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)可以受益于冷卻外部廢氣重新計(jì)算和進(jìn)氣加濕等技術(shù)。在這些技術(shù)中，進(jìn)氣加濕可以作為一種有前途的方法來(lái)減輕爆震和顯著減少二氧化碳及氮氧化物排放。進(jìn)氣加濕不是新技術(shù)[1-3]，早在第二次世界大戰(zhàn)之前，水噴射到燃燒室這一概念就已經(jīng)用于軍用飛機(jī)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，以便在需要高推力時(shí)，如起飛或空戰(zhàn)，在短時(shí)間內(nèi)增加功率輸出。噴水主要用于航空工業(yè)[4]，只有少數(shù)帶有增壓器或渦輪增壓器的高性能汽車配備了噴水系統(tǒng)。進(jìn)氣加濕具體機(jī)理有以下三點(diǎn)：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(fā)潛熱以及較高的比熱容；3)水分子可以在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)分解生成O2和H2。因此，可以提升燃燒效率，反應(yīng)的具體化學(xué)式為2H2O=2H2+O2。這三種效應(yīng)分別被稱為加水策略的稀釋效應(yīng)、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)[5]。

一些研究表明，進(jìn)氣加濕對(duì)降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的氮氧化物和碳煙排放有顯著效果。文獻(xiàn)[6]分析了進(jìn)氣加濕對(duì)增壓汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡的影響，探討了進(jìn)氣加濕提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的原因。進(jìn)氣加濕可以顯著降低工質(zhì)溫度，使得廢氣中所含能量變少，從而降低排氣損失。文獻(xiàn)[7]研究了進(jìn)氣加濕對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響，在中負(fù)荷和高負(fù)荷下，通過(guò)向混合物中加水和提前點(diǎn)火時(shí)間，可以顯著降低粒子排放。文獻(xiàn)[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究了進(jìn)氣加濕的冷卻及稀釋效應(yīng)，并與EGR技術(shù)在減排能力上進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在高負(fù)荷和PM排放較少時(shí)，進(jìn)氣加濕更能有效降低NOx的排放。文獻(xiàn)[9]探討了進(jìn)氣加濕結(jié)合米勒循環(huán)，在進(jìn)氣門晚關(guān)10°CA以及水油比為0.3時(shí)，可以有效降低NOx的排放，但是HC、CO以及油耗增加。

現(xiàn)階段下，關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣加濕的研究主要集中在對(duì)燃燒及排放產(chǎn)物的參數(shù)定性分析以及注水后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的影響上，而在不同注水情況下對(duì)缸內(nèi)溫度分布、當(dāng)量比分布、湍動(dòng)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(jìn)行三維CFD數(shù)值模擬，研究不同注水量對(duì)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒的影響以及排放產(chǎn)物減少的內(nèi)在機(jī)理、量化減排程度，為車用柴油機(jī)的減排設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算模型的基本參數(shù)及驗(yàn)證

1.1 仿真模型的建立

本文以某型車用高強(qiáng)化柴油機(jī)為研究對(duì)象，在Pro/e中建立模型見(jiàn)圖1。前期已完成對(duì)模型的標(biāo)定。在進(jìn)氣道設(shè)置水噴口一個(gè)，噴水過(guò)程在進(jìn)氣前結(jié)束。

圖1 噴口位置示意圖

運(yùn)用CONVERGE軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，柴油機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

表1 高強(qiáng)化柴油機(jī)的基本參數(shù)

1.2 計(jì)算模型的選用及條件

在模擬過(guò)程中，計(jì)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(fā)模型選用Frossling經(jīng)驗(yàn)公式和Chiang經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算液滴直徑變化率，選用SAGE燃燒模型；排放模型基于調(diào)用“mech. dat”文件，結(jié)合激活的燃燒模型計(jì)算得出相關(guān)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(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)在全負(fù)荷(100%負(fù)荷、轉(zhuǎn)速為3 800r/min)情況下進(jìn)行的瞬態(tài)模擬，模擬計(jì)算范圍為0 °CA～720 °CA。計(jì)算從進(jìn)氣沖程時(shí)開(kāi)始，隨著排氣沖程的結(jié)束而結(jié)束，噴水從50 °CA時(shí)刻開(kāi)始，在169 °CA時(shí)刻結(jié)束，歷時(shí)119 °CA；噴油從348 °CA時(shí)刻開(kāi)始，結(jié)束時(shí)刻為384.5 °CA，噴油持續(xù)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(jìn)氣壓力0.461MPa和缸內(nèi)溫度343K作為計(jì)算起始條件。利用CONVERGE自帶的網(wǎng)格診斷以及自適應(yīng)加密技術(shù)，對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格處理，網(wǎng)格加密方案如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格加密方案

1.3 計(jì)算模型的驗(yàn)證

在單缸機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，轉(zhuǎn)速3 800r/min、全負(fù)荷工況下，測(cè)得了充氣量、NOx排放量及缸壓曲線等數(shù)據(jù)，如圖3(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問(wèn)咨詢作者)、表2所示。為了驗(yàn)證模型的有效性及模擬結(jié)果的可靠性，將實(shí)驗(yàn)與模擬重要參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，圖3是實(shí)驗(yàn)與模擬缸壓對(duì)比圖，在368.96 °CA時(shí)刻，實(shí)驗(yàn)缸內(nèi)峰值壓力為20.31MPa，模擬缸內(nèi)峰值壓力在368.70 °CA時(shí)達(dá)到20.24MPa。二者相比模擬較實(shí)驗(yàn)峰值相位提前0.26 °CA，峰值壓力偏差0.34%。通過(guò)表2得知，模擬值與實(shí)驗(yàn)值在NOx的排放、充氣量?jī)身?xiàng)分別偏差0.48%、1.59%，三者均在工程允許誤差范圍內(nèi)，證明模擬結(jié)果是可信的，模型是可靠的。

圖3 實(shí)驗(yàn)與模擬缸壓對(duì)比圖

表2 模擬值與實(shí)驗(yàn)值關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比 單位：kg

1.4 油水比的定義

為了研究噴水量的大小對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒的影響，直觀地表征加濕程度，引進(jìn)了油水比(缸內(nèi)噴油量與進(jìn)氣道噴水量的比值)的概念。設(shè)計(jì)了6種仿真方案，進(jìn)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(guò)程中，保持轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、噴油質(zhì)量不變。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 油水比對(duì)缸內(nèi)燃燒的影響

圖4是油水比從0.583增加到3.05時(shí)，缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化圖。隨著油水比的不斷增加，缸內(nèi)峰值壓力先降低再升高，并在油水比0.583時(shí)缸內(nèi)峰值壓力達(dá)到最低，為19.42MPa，與進(jìn)氣道未噴水工況比較，降低0.82MPa，降幅為4.05%。這種趨勢(shì)表明缸內(nèi)壓力隨著油水比的不斷增加而升高，其內(nèi)在原因是，進(jìn)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(nèi)壓力。在油水比為1.78時(shí)，缸內(nèi)峰值壓力為19.80MPa，峰值相位提前0.8°CA，燃燒相位優(yōu)化，缸內(nèi)壓降較未噴水工況降幅為2.03%。

圖4 油水比對(duì)缸內(nèi)壓力的影響

圖5是在不同油水比時(shí)，缸內(nèi)溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化圖。由圖可知，缸內(nèi)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(nèi)平均溫度逐漸降低，峰值溫度降低為水油比0.583時(shí)的1 427.9K，較未噴水工況下降95.4K，降幅為6.26%。這表明，進(jìn)氣道噴水對(duì)降低缸內(nèi)溫度效果明顯，可有效降低缸內(nèi)爆震爆燃趨勢(shì)。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒相位優(yōu)化，且利于低溫燃燒的進(jìn)行，有助于降低有害物質(zhì)的排放。當(dāng)油水比逐漸降低，<1.78時(shí)，由于水的冷卻和稀釋作用，使得燃燒速率減緩，缸內(nèi)溫度大幅下降，對(duì)燃燒相位的負(fù)面影響超過(guò)了點(diǎn)火時(shí)刻提前帶來(lái)的積極影響。

圖5 油水比對(duì)缸內(nèi)平均溫度的影響

圖6為油水比對(duì)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(jìn)氣中水的占比不斷下降，在進(jìn)氣完成后，氧含量不斷上升，在缸內(nèi)發(fā)生燃燒反應(yīng)時(shí)，燃料獲得足夠的氧氣來(lái)發(fā)生燃燒反應(yīng)，使得燃燒速率上升，從而提前了燃燒重心。

圖6 油水比對(duì)燃燒重心CA50的影響

2.2 油水比對(duì)油耗的影響

圖7所示為油水比對(duì)油耗率的影響。圖中可見(jiàn)，在油水比不斷提高的過(guò)程中，油耗率先降低后升高，并在油水比為1.78時(shí)，油耗率降幅最高，為10.5%，其主要原因是由于燃燒相位的優(yōu)化，使得發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率有了提升。

圖7 油水比對(duì)油耗率的影響

2.3 油水比對(duì)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(jiàn)，隨著油水比的不斷提高，NOx的峰值排放量不斷上升。在進(jìn)氣道未噴水時(shí)，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(shí)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(lái)源，噴水量占比不斷提高，導(dǎo)致缸內(nèi)峰值火焰溫度不斷降低，且降幅越來(lái)越大，有利于抑制高溫型NO的生成，從而使得NOx生成質(zhì)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(shí)的9.55×10-6kg提升至油水比為0.583時(shí)的1.07×10-5kg，升幅為12%。在油水比為1.78時(shí)，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(duì)NOx、碳煙排放的影響

圖9為CA50時(shí)刻，不同油水比情況下NOx在缸內(nèi)的分布。從云圖中可以看出，NOx分布的區(qū)域主要存在于靠近氣門處的擠氣區(qū)以及ω型燃燒室的凹坑內(nèi)。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(kuò)散，擴(kuò)散區(qū)域具有NOx生成的良好條件，因而在燃燒反應(yīng)過(guò)后，此區(qū)域產(chǎn)生大量的NOx。隨著噴水量占比的不斷提高，NOx在此區(qū)域的濃度下降十分明顯，說(shuō)明進(jìn)氣加濕導(dǎo)致的缸內(nèi)低溫燃燒對(duì)NOx減排效果十分明顯。

圖9 不同油水比CA50時(shí)刻缸內(nèi)NOx分布

圖10為CA50時(shí)刻，不同油水比對(duì)缸內(nèi)當(dāng)量比分布的影響。從當(dāng)量比分布云圖可以看出，當(dāng)量比分布區(qū)域主要存在于擠氣區(qū)以及ω型燃燒室的凹坑內(nèi)。在此區(qū)域內(nèi)高當(dāng)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(huì)使得碳煙排放進(jìn)一步增加。進(jìn)氣道噴水量的提高減少了進(jìn)氣中的氧含量以及降低了缸內(nèi)的燃燒溫度，使得碳煙后期的氧化能力下降，導(dǎo)致碳煙排放惡化。

圖10 不同油水比CA50時(shí)刻缸內(nèi)當(dāng)量比分布

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立某型車用柴油機(jī)三維仿真模型，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及局部網(wǎng)格加密，確定了進(jìn)氣道噴水的仿真條件。設(shè)計(jì)了6種仿真方案，并采用CFD三維數(shù)值模擬軟件CONVERGE模擬了進(jìn)氣道噴水對(duì)缸內(nèi)燃燒及排放的影響過(guò)程。仿真結(jié)果證明，進(jìn)氣道噴水對(duì)柴油機(jī)的減排及熱效率的提升有一定的效果。具體結(jié)論如下：

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

2)隨著進(jìn)氣道噴水量不斷提升，點(diǎn)火時(shí)刻提前，燃燒相位得以優(yōu)化，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高，油耗水平下降。當(dāng)油水比為1.78時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率最低，燃油可節(jié)省10.5%。

3)進(jìn)氣道噴水會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)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。