駱 葳，周 斌

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引言

近年來，電控燃油噴射系統(tǒng)的出現(xiàn)為柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化帶來了新的變革。其中，電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)是內(nèi)燃機(jī)行業(yè)公認(rèn)的柴油機(jī)噴油系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)最重要的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)噴油規(guī)律的靈活調(diào)節(jié)，利用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)燃油的多次噴射，該技術(shù)被認(rèn)為是在不影響碳煙排放的情況下降低氮氧化物排放的有效手段，是滿足日益嚴(yán)格排放法規(guī)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 燃燒室的三維模型

利用軟件FIRE中的ESE Diesel繪制出16V240ZA型柴油機(jī)燃燒室模型。由于燃燒室關(guān)于活塞頂正中央呈對(duì)稱分布，因此為簡(jiǎn)化計(jì)算，只選取1/8的網(wǎng)格繪制。柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

默認(rèn)720°CA（CA為曲軸轉(zhuǎn)角縮寫，下同）為壓縮上止點(diǎn)，則活塞下行到780°CA時(shí)的燃燒室網(wǎng)格模型如圖1所示。

1.2 燃燒模型

圖1 780°CA燃燒室網(wǎng)格模型

1.3 計(jì)算模型的邊界條件

計(jì)算模型的邊界條件如下：

（1）渦流強(qiáng)度：渦流強(qiáng)度是平均渦流比與轉(zhuǎn)速的乘積，計(jì)算時(shí)平均渦流比為1.1，轉(zhuǎn)速為1 100r/min。

（2）初始溫度和壓力：查閱《船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》得到壓縮始點(diǎn)初始溫度為372K，初始?jí)毫?.271MPa。

（3）壁面邊界條件：初始活塞溫度為573K，初始?xì)飧妆跍囟葹?73K，初始?xì)飧咨w溫度為573K。

2 模型正確性驗(yàn)證

查閱《船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，得到額定工況下16V240ZA型柴油機(jī)溫度和壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲

式（1）中的生成項(xiàng)αkΣ取決于湍流對(duì)火焰面產(chǎn)生的褶皺效應(yīng)；耗散項(xiàng)線，如圖2所示。

圖2 溫度和壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

經(jīng)過仿真計(jì)算得到的16V240ZA型柴油機(jī)溫度和壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖3所示（720°CA為默認(rèn)壓縮上止點(diǎn)），其他參數(shù)的對(duì)比結(jié)果如表2所示。

圖3 仿真計(jì)算的溫度和壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

從圖3和表2可以看出，計(jì)算誤差都在5%以內(nèi)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，模型建立正確。

3 計(jì)算結(jié)果分析

在預(yù)噴油量（取循環(huán)噴油總質(zhì)量的5%）一定的情況下，預(yù)－主噴間隔分別取5°，10°，15°三種工況（用符號(hào)5D5、5D10、5D15表示）的計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示（720°CA為默認(rèn)壓縮上止點(diǎn)）。

表2 原機(jī)數(shù)據(jù)與模擬值對(duì)比

從圖4、圖5中可以看出，較小的預(yù)－主噴間隔可降低最高燃燒溫度，單次噴射的放熱率具有一個(gè)較大的尖峰，此尖峰對(duì)應(yīng)單噴預(yù)混燃燒。預(yù)－主噴間隔角為5°時(shí)，預(yù)噴燃油在708°CA下放熱較快，這是由于在預(yù)噴射初期，燃燒室內(nèi)溫度、壓力較高，預(yù)噴燃油噴入燃燒室時(shí)產(chǎn)生了燃燒放熱反應(yīng)，造成在預(yù)噴射期間放熱率較高；預(yù)－主噴間隔角為10°和15°時(shí)，預(yù)噴燃油放熱緩慢，這是由于預(yù)噴燃油剛進(jìn)入燃燒室時(shí)，燃燒室內(nèi)的溫度、壓力較低，使得預(yù)噴燃油滯燃期變長(zhǎng)，燃燒室內(nèi)主要發(fā)生的是燃油與空氣的混合運(yùn)動(dòng)，而非燃燒反應(yīng)。總體來看，預(yù)噴射的引入能有效降低主噴射期間的燃燒放熱率。

預(yù)噴策略下氮氧化物排放變化曲線如圖6所示。在預(yù)噴油量相同的情況下，隨著預(yù)－主噴間隔角的增大，氮氧化物排放量呈現(xiàn)先降低后增大的規(guī)律。當(dāng)預(yù)－主噴間隔角為5°時(shí)，氮氧化物排放量最低，這是因?yàn)?，小預(yù)－主噴間隔角下，預(yù)噴燃油發(fā)生燃燒反應(yīng)，提高了缸內(nèi)的溫度和壓力，導(dǎo)致主噴時(shí)在滯燃期內(nèi)形成的混合氣量降低，使得燃燒放熱率降低，平均燃燒溫度降低，由于氮氧化物的形成條件是高溫、富氧，因此最終造成氮氧化物排放降低。

圖4 溫度變化曲線

圖5 放熱率變化曲線

圖6 氮氧化物排放變化曲線

預(yù)噴策略下碳煙排放變化曲線如圖7所示。在燃燒初期，隨著預(yù)－主噴間隔的增大，碳煙生成量較大，但到了燃燒后期碳煙被氧化得也越多，其最終結(jié)果是：預(yù)－主噴間隔角為15°時(shí)，碳煙排放最低。預(yù)－主噴間隔角的增大促進(jìn)了缸內(nèi)燃油與空氣的混合，且角度越大，混合越劇烈，加強(qiáng)了燃燒后期缸內(nèi)混合氣體的湍流運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)了缸內(nèi)碳煙氧化。

圖7 碳煙排放變化曲線

4 結(jié)論

（1）采用預(yù)噴射能夠降低初期燃燒放熱率，較小角度的預(yù)－主噴間隔能夠降低最高燃燒溫度。

（2）預(yù)噴射對(duì)氮氧化物排放影響較大，小角度的預(yù)－主噴間隔可以有效降低燃燒室內(nèi)的氮氧化物排放，但隨著預(yù)－主噴間隔的增大，氮氧化物生成量反而呈現(xiàn)出反彈趨勢(shì)。

（3）預(yù)噴射對(duì)碳煙排放有一定的影響，燃燒初期，碳煙生成量大；燃燒后期，碳煙的氧化速率也較快。總體來看，較大的預(yù)－主噴間隔對(duì)碳煙生成有一定的抑制作用。

［1］周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［2］童澄教.內(nèi)燃機(jī)排放與凈化［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1994.

［3］大連機(jī)車車輛工廠.16240ZA型柴油機(jī)［M］.北京：人民鐵道出版社，1977.

［4］顧宏中.船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（三）［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1979.