李軍成，韓志玉，陳 征，劉 云

(1.湖南大學(xué)先進(jìn)動(dòng)力總成技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410082;2.湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082)

前言

柴油機(jī)比汽油機(jī)具有動(dòng)力強(qiáng)、燃油經(jīng)濟(jì)性好、CO2排放低的優(yōu)勢(shì)，因此轎車柴油化將是近、中期轎車節(jié)能減排的現(xiàn)實(shí)技術(shù)選擇[1]。然而傳統(tǒng)柴油機(jī)面臨著降低NOx和碳煙排放量的挑戰(zhàn)。為此，業(yè)內(nèi)人士提出了均質(zhì)充量壓燃燃燒(HCCI)和部分預(yù)混充量壓燃燃燒(PCCI)等新型燃燒方式。因?yàn)镠CCI和PCCI燃燒方式著火前有較長(zhǎng)的油氣混合時(shí)間，并采用高EGR率對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行稀釋實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，所以能同時(shí)降低NOx和碳煙的生成量[2－3]。但HCCI和PCCI存在著燃燒相位難以控制，高負(fù)荷時(shí)壓升率高，低負(fù)荷時(shí)未燃碳?xì)浠衔?HC)與CO排放量大，冷起動(dòng)困難等問(wèn)題[4]。因此，在HCCI和PCCI燃燒方式普及應(yīng)用之前，有必要繼續(xù)對(duì)現(xiàn)行燃燒方式深入研究，以設(shè)計(jì)高效低排放轎車柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)。研究人員在這方面開展了許多工作，如對(duì)一臺(tái)1.9L柴油機(jī)的燃燒室形狀進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化使之與選定的噴油系統(tǒng)相匹配[5];對(duì)某中速船用柴油機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，研究噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)和活塞形狀的影響[6];在一臺(tái)高速直噴柴油機(jī)上研究噴孔錐角和噴油壓力對(duì)燃燒排放的影響[7];用KIVA程序結(jié)合非支配排序遺傳算法(NSGA)對(duì)某重型柴油機(jī)的燃燒室、噴霧碰壁位置和渦流比進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化[4];用Star-CD研究噴油定時(shí)和燃燒室形狀對(duì)某六缸5.78L柴油機(jī)燃燒排放性能的影響[8]。可見對(duì)油、氣和燃燒室3方面的相互匹配研究是設(shè)計(jì)燃燒系統(tǒng)的關(guān)鍵。

本文中用多維化學(xué)反應(yīng)流計(jì)算程序KIVA作為數(shù)值模擬平臺(tái)，對(duì)某轎車柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)搭配不同噴孔錐角(噴孔軸線與噴嘴軸線夾角的2倍)、噴孔伸出高度(噴孔口到缸蓋底平面的垂直距離)和燃燒室形狀的燃燒排放特性進(jìn)行研究。模擬計(jì)算低速部分負(fù)荷工況的缸內(nèi)工作過(guò)程，揭示不同燃燒系統(tǒng)參數(shù)對(duì)油氣混合過(guò)程及其對(duì)燃燒排放特性的影響，從而為設(shè)計(jì)高效低排放的燃燒系統(tǒng)提供依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型介紹

本文中采用KIVA軟件建立數(shù)學(xué)模型。KIVA軟件包含了模擬內(nèi)燃機(jī)燃燒過(guò)程的各個(gè)子模型[9]。在程序中應(yīng)用修正后的RNG k-ε湍流模型對(duì)缸內(nèi)湍流進(jìn)行模擬[10];用 KH 模型(Kelvin-Helmholtz Instability Model)對(duì)射流破碎進(jìn)行模擬;采用油滴破碎RT(Raleigh Taylor Breakup Model)模型分析油滴破碎過(guò)程[11];著火模型采用 shell模型[12];柴油機(jī)燃燒模型采用適用于柴油燃燒的層流-湍流特征時(shí)間燃燒模型[12];用擴(kuò)展的Zel'dovich反應(yīng)機(jī)理預(yù)測(cè) NOx生成;采用改進(jìn)的Hiroyasu碳煙模型預(yù)測(cè)碳煙的生成[10]。許多學(xué)者的研究已經(jīng)證實(shí)，這些子模型能夠?qū)Σ裼蜋C(jī)的燃燒過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，可以獲得缸內(nèi)詳細(xì)信息以對(duì)排放特性進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 模型的建立

研究的柴油機(jī)為四缸增壓中冷高壓共軌轎車柴油機(jī)，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。3種ω型燃燒室如圖1所示，分別稱之為燃燒室A、B和C，其中A是基礎(chǔ)柴油機(jī)試驗(yàn)時(shí)裝配的燃燒室。圖1中H為燃燒室凹坑深度，d為凹坑的口部直徑。3種燃燒室壓縮比相同，形狀相似，口徑比和徑深比各不相同，以此研究凹坑口徑與深度對(duì)燃燒和排放性能的影響。燃燒室的參數(shù)，即口徑比和徑深比如表2所示，表中D為氣缸直徑。因噴孔數(shù)為6，故取氣缸的1/6(60°)作為計(jì)算域。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

表2 燃燒室參數(shù)

噴孔伸出高度h的4種取值分別為:h1=1.1mm，h2=1.6mm，h3=2.1mm，h4=2.6mm。噴油器的噴孔錐角分別為149°和153°。其中臺(tái)架測(cè)試柴油機(jī)的噴孔錐角為 149°，噴孔伸出高度為1.6mm。文中用于模型驗(yàn)證的數(shù)據(jù)均是基于這一組參數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)。選取車用發(fā)動(dòng)機(jī)典型的低速部分負(fù)荷工況，即轉(zhuǎn)速2 000r/min與平均有效壓力0.2MPa為模擬工況點(diǎn)。3種燃燒室、2種噴孔錐角和4種噴孔伸出高度組合搭配，總共24種計(jì)算情況。

3 模型驗(yàn)證

進(jìn)行數(shù)值模擬之前，在不帶后處理裝置的全自動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)PUMA v1.4上對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，獲得進(jìn)排氣流量、壓力、溫度、缸內(nèi)壓力和污染物排放量等數(shù)據(jù)[13]，依據(jù)這些數(shù)據(jù)確定計(jì)算邊界條件并驗(yàn)證計(jì)算模型。臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)對(duì)第1缸進(jìn)行測(cè)試，ECU的MAP數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)標(biāo)定數(shù)據(jù)，改變噴油提前角獲得5組不同噴油時(shí)刻的柴油機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。模擬計(jì)算從進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻起至排氣門開啟時(shí)刻止，缸內(nèi)壓力計(jì)算值與測(cè)量值的對(duì)比如圖2所示。

由圖可見:隨著噴油時(shí)刻的推遲，計(jì)算著火時(shí)刻比試驗(yàn)著火時(shí)刻稍提前，計(jì)算的缸內(nèi)壓力最大值比試驗(yàn)測(cè)量值稍大;除噴油時(shí)刻為－1.9°CA ATDC的著火時(shí)刻和缸壓誤差較大外，其它噴油時(shí)刻下計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好。測(cè)試的噴油量、噴油時(shí)刻和過(guò)量空氣系數(shù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)噴油參數(shù)

NOx和碳煙排放對(duì)比見圖3。由圖可見:NOx的變化趨勢(shì)與試驗(yàn)測(cè)量值的變化趨勢(shì)一致;除噴油時(shí)刻為－13.9°CA ATDC外，NOx計(jì)算值與試驗(yàn)值相差較小，認(rèn)為NOx計(jì)算可信。圖3中碳煙測(cè)量值采用吸光煙度單位，而計(jì)算值采用比排放單位，所以無(wú)法直接比較碳煙排放量的數(shù)值，但可比較計(jì)算值與測(cè)試值的變化趨勢(shì)。除噴油時(shí)刻為－1.9°CA ATDC外，噴油時(shí)刻從－13.9°變化到－5.9°CA ATDC的碳煙計(jì)算值變化趨勢(shì)與試驗(yàn)的一致。由上可知，計(jì)算模型能夠較準(zhǔn)確地模擬缸內(nèi)燃燒過(guò)程，預(yù)測(cè)NOx及碳煙的生成和變化趨勢(shì)，可用于后續(xù)的模擬計(jì)算。

模型驗(yàn)證完畢后，以噴油時(shí)刻為－5.9°CA ATDC的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，確定計(jì)算邊界條件，對(duì)燃燒系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)敏感性數(shù)值模擬研究。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 模擬結(jié)果

各種情況的NOx排放率如圖4所示，其中燃燒室A、噴孔錐角149°和噴孔伸出高度1.6mm的參數(shù)搭配是試驗(yàn)基礎(chǔ)柴油機(jī)的參數(shù)，稱之為基準(zhǔn)參數(shù)。

由圖可見:燃燒室A、錐角153°的NOx排放率隨噴孔伸出高度的增加先減小后增大，伸出高度1.6mm時(shí)其值最小;燃燒室B、錐角153°的NOx排放率隨噴孔伸出高度增加的變化趨勢(shì)則相反，先增大，伸出高度1.6mm時(shí)達(dá)最大值;接著減小到伸出高度2.1mm后又增大，呈鋸齒狀;其它參數(shù)搭配的情況大體與之類似。

碳煙排放率如圖5所示，由圖可見:燃燒室A、錐角153°的碳煙排放率隨噴孔伸出高度的增加先增大，在2.1mm處達(dá)到最大，然后又減小;燃燒室A、錐角149°和燃燒室C、錐角149°，除伸出高度為2.1mm外，碳煙排放率隨噴孔伸出高度增加呈減小趨勢(shì);其它搭配情況的碳煙排放率都隨噴孔伸出高度的增加而減小。對(duì)比3種燃燒室的碳煙排放率可知:各個(gè)燃燒室的碳煙排放率對(duì)噴孔伸出高度值的變化都比較敏感，對(duì)噴孔錐角的小幅變化的敏感度相對(duì)較低;燃燒室形狀對(duì)碳煙排放率的影響較大，徑深比最大的燃燒室B的碳煙排放總體水平最低，徑深比最小的燃燒室C總體水平最高，燃燒室A總體水平居中。

綜合NOx和碳煙排放率的模擬結(jié)果可知:低速部分負(fù)荷工況下，同一燃燒室的噴孔伸出高度值對(duì)NOx的影響比對(duì)碳煙的影響要小;不同燃燒室形狀對(duì)碳煙排放率的影響比NOx排放率的影響要大。

4.2 缸內(nèi)分析

選取3種搭配作為代表，對(duì)其缸內(nèi)過(guò)程進(jìn)行分析，以揭示不同參數(shù)搭配對(duì)排放特性的影響，其它參數(shù)搭配的分析與此相似。這3種參數(shù)搭配是:①燃燒室 A，錐角 149°，1.6mm;②燃燒室 B，錐角 149°，1.6mm;③燃燒室 C，錐角153°，2.1mm。選取的原因是:搭配①是臺(tái)架試驗(yàn)基礎(chǔ)柴油機(jī)的參數(shù)，可作為一個(gè)比較的基準(zhǔn);搭配②與①相比NOx排放率低2.90%，碳煙排放率降低50.98%，可比較研究燃燒系統(tǒng)參數(shù)對(duì)碳煙的影響;搭配③與①相比碳煙排放率增大17.76%，但NOx排放率卻降低29.50%，可比較研究燃燒系統(tǒng)參數(shù)對(duì)NOx的影響。為便于論述，下文以燃燒室編號(hào)A、B和C代表這3種情況。4.2.1 NOx排放分析

由Zel'dovich反應(yīng)機(jī)理可知，溫度對(duì)NOx的生成反應(yīng)速率影響很大，溫度大于2 000K后NOx的生成反應(yīng)才變得顯著。溫度T≥2 200K的計(jì)算單元質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線和NOx歷時(shí)曲線見圖6。由圖可見:從著火時(shí)刻到20°CA ATDC是NOx的主要生成時(shí)間段;對(duì)比3種情況，從著火時(shí)刻到13°CA ATDC時(shí)段A的T≥2 200K的單元質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，B次之，C最小;13°CA ATDC之后B的T≥2 200K的單元質(zhì)量分?jǐn)?shù)比A和C都大，然而這對(duì)B的NOx生成率影響很小。由此可見，NOx對(duì)溫度很敏感，前期燃燒過(guò)程對(duì)NOx的影響很大，后期燃燒過(guò)程對(duì)NOx的影響很小。

接著進(jìn)行燃燒分析。3種情況的放熱率曲線如圖7所示，混合氣在3°CA ATDC時(shí)刻開始著火，在隨后的1°CA內(nèi)，A放熱速率最大，B與C相對(duì)較小;在5°CA ATDC時(shí)刻A放熱率達(dá)到峰值，B放熱率也急劇增大到與A相同的水平，雖然C的放熱率此時(shí)也達(dá)到最大值，但是其幅值比A和B約小20%。這說(shuō)明A和B的火焰?zhèn)鞑ニ俣缺菴大，燃燒較劇烈，這與圖6中的曲線相對(duì)應(yīng)。

在4°CA ATDC時(shí)刻距離缸蓋6mm的位置做垂直于氣缸中心線的切片，切片上的燃空當(dāng)量比φ和溫度T分布如圖8所示。由于氣流運(yùn)動(dòng)，使燃油蒸氣在偏離噴孔軸線區(qū)域與空氣形成可燃混合氣;而因各燃燒室形狀、噴孔伸出高度和噴孔錐角的差異，使各自的偏離程度又不相同。A和C的混合氣偏離噴孔軸線的程度較大，C的凹坑直徑最小，其混合氣分布區(qū)域比A小;由于B燃燒室口徑最大，其燃油貫穿的路徑最長(zhǎng)，混合氣偏離噴孔軸線的程度最小。不同的混合氣分布，決定了不同的火焰核心和火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｈ粢詧D8下圖中沿氣缸周向逆時(shí)針轉(zhuǎn)60°為計(jì)算區(qū)域，B的火焰核心位于氣缸周向22°，A的火焰核心位于氣缸周向20°，C的火焰核心位于氣缸周向18°且離凹坑壁面很近。

過(guò)火焰核心和氣缸中心線做切片，考察著火后溫度和燃空當(dāng)量比的變化情況，如圖9和圖10所示。5°CA ATDC時(shí)刻A和B的火焰向凹坑內(nèi)、壓縮頂隙和壁面方向傳播;由于C的著火點(diǎn)離壁面最近而凹坑直徑最小，火焰?zhèn)鞑シ秶鄬?duì)較小。C的高溫單元質(zhì)量分?jǐn)?shù)比A和B小，所以C的NOx生成速率最小。在13°CA ATDC之前A的高溫單元質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于B;而隨著燃燒的進(jìn)行，B的高溫單元質(zhì)量分?jǐn)?shù)比A大，但是B的NOx生成量沒有顯著增加。其原因是B凹坑內(nèi)的燃油蒸氣在氣流運(yùn)動(dòng)的作用下比A易向凸臺(tái)側(cè)壁和上方運(yùn)動(dòng)，這有利于利用凹坑上部的氧氣，使后期燃燒較好。B的NOx生成量沒有顯著增加，是因?yàn)榍捌谌紵l(fā)生在上止點(diǎn)附近，此時(shí)壓力高，燃燒溫度高，且活塞速度很低，氮和氧在高溫高壓區(qū)域駐留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng);而燃燒后期處于膨脹行程，活塞下行速度增大，缸內(nèi)壓力、溫度相對(duì)較低，氮和氧駐留高溫區(qū)域時(shí)間較短，且高溫區(qū)域的氧濃度已經(jīng)降低，故NOx生成量無(wú)明顯增加。這與文獻(xiàn)[10]中的結(jié)果一致。4.2.2 碳煙排放分析

燃空當(dāng)量比和溫度共同影響碳煙的生成。文獻(xiàn)[14]中研究了燃空當(dāng)量比和溫度對(duì)柴油機(jī)碳煙和NOx生成的影響，并將碳煙和NOx的生成區(qū)域繪制在φ－T圖上，其中φ＞2，1 400K＜T＜2 600K為傳統(tǒng)柴油機(jī)碳煙生成區(qū)域。因此，對(duì)本文中計(jì)算的缸內(nèi)φ＞2的單元體積分?jǐn)?shù)曲線和碳煙歷時(shí)曲線進(jìn)行分析，見圖11。5°～20°CA ATDC的溫度和燃空當(dāng)量比可參考圖9和圖10。由圖11可知，從著火到17°CA ATDC的時(shí)間內(nèi)碳煙生成速率大，是碳煙生成的主要生成時(shí)間段。在此時(shí)段內(nèi)3種燃燒室缸內(nèi)φ＞2的單元體積分?jǐn)?shù)相當(dāng)，碳煙生成速率幾乎一樣。B的碳煙生成量在16°CA ATDC時(shí)達(dá)到峰值，A和C的碳煙生成量在20°CA ATDC時(shí)達(dá)到峰值，3個(gè)峰值相差很小。在隨后的膨脹過(guò)程中，φ＞2的體積分?jǐn)?shù)和碳煙氧化速率差別明顯，B的碳煙氧化速率最大，最終碳煙生成量最小，C的碳煙氧化速率最小，最終碳煙生成量最大，A介于兩者之間。

A和B的噴孔伸出高度和噴孔錐角相同，所以燃油噴射方向一致;雖然C的伸出高度較大，但噴孔錐角也較大，在這兩參數(shù)的綜合作用下，燃油噴射方向與A和B幾乎相同。所不同的是燃燒室B的凹坑口徑最大，深度最淺，燃油碰壁點(diǎn)距離凹坑底部最近，所以碰壁后進(jìn)入凹坑的燃油形成的濃混合氣距離底部最近，且更易于向凸臺(tái)側(cè)壁移動(dòng)。隨著活塞的移動(dòng)，濃混合氣分布區(qū)域由凹坑側(cè)壁附近區(qū)域向凹坑底部區(qū)域移動(dòng)，這些濃混合氣區(qū)域的溫度都在2 000K以上，故碳煙在這些區(qū)域生成和移動(dòng)。結(jié)合圖1的輪廓線和圖10的燃空當(dāng)量比分布可以更好地說(shuō)明這一點(diǎn)。正因此造成了B的碳煙在前期燃燒過(guò)程中生成速率比A和C略大，最大生成量略高，燃燒后期B碳煙氧化速率最大。

針對(duì)碳煙氧化速率的差異，選取碳煙氧化速率最大的時(shí)段20°～40°CA ATDC碳煙、溫度和燃空當(dāng)量比的分布及其變化情況進(jìn)行分析，如圖12～圖14所示。由圖可見:20°CA ATDC時(shí)碳煙分布在燃燒室凹坑內(nèi)，隨著活塞下行凹坑內(nèi)的氣體向壓縮頂隙區(qū)域膨脹流動(dòng)，受氣流運(yùn)動(dòng)的影響，碳煙沿凸臺(tái)側(cè)壁向上運(yùn)動(dòng)并逐漸被氧化;B的整個(gè)燃燒室(包括凹坑和中央的凸臺(tái))最淺，碳煙最易沿凹坑側(cè)壁向上運(yùn)動(dòng)與高溫氧接觸，因此碳煙氧化速率最大，最終碳煙生

成量最少;C的整個(gè)燃燒室最深，碳煙向凹坑上部運(yùn)動(dòng)最困難，如40°CA ATDC時(shí)C的凹坑底部仍有較多碳煙，故碳煙氧化速率最小，生成碳煙量最大;A的碳煙氧化速率介于B和C之間。

5 結(jié)論

(1)低速部分負(fù)荷工況下:噴孔伸出高度對(duì)NOx和碳煙排放率的影響較明顯，對(duì)NOx的影響比對(duì)碳煙的影響要小;NOx和碳煙排放率對(duì)噴孔錐角小幅變化的敏感度相對(duì)較小;不同燃燒室形狀對(duì)碳煙排放率的影響要比對(duì)NOx排放率的影響要大。

(2)雖然小口徑比燃燒室由于和不同的噴孔錐角與噴孔伸出高度搭配，其著火位置、火焰?zhèn)鞑ニ俣群透變?nèi)溫度會(huì)有所不同;但總體來(lái)說(shuō)燃油貫穿距離較小，燃燒后期凹坑內(nèi)的燃油和碳煙向凹坑外運(yùn)動(dòng)較困難，NOx排放率相對(duì)較低，而碳煙排放率卻相對(duì)較高。

(3)燃燒室B，149°，1.6mm參數(shù)搭配比試驗(yàn)測(cè)試的燃燒室 A，149°，1.6mm參數(shù)搭配的 NOx降低2.90%，碳煙降低50.98%。這表明燃燒室形狀對(duì)燃燒后期缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)有著重要影響，而氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)碳煙的氧化有至關(guān)重要的作用。大口徑比燃燒室匹配適當(dāng)?shù)膰娍族F角和噴孔伸出高度，可使燃油噴射碰壁點(diǎn)靠近凹坑底部，以利于后期混合氣和早期生成的碳煙隨氣流向凹坑外運(yùn)動(dòng)，既能促進(jìn)油氣混合和碳煙的氧化，又不會(huì)引起NOx排放的惡化。

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