王 亞, 趙昌普, 王耀輝

(天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300072)

預(yù)噴射對(duì)轎車柴油機(jī)燃燒噪聲影響的數(shù)值模擬

王 亞, 趙昌普, 王耀輝

(天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300072)

應(yīng)用CFD模擬軟件STAR-CD構(gòu)建三維燃燒室對(duì)轎車柴油機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算，重點(diǎn)研究了預(yù)噴射和發(fā)動(dòng)機(jī)壓力升高率之間的關(guān)系，而壓力升高率是燃燒噪聲的主要評(píng)價(jià)因素.根據(jù)原機(jī)設(shè)計(jì)了預(yù)噴規(guī)律，在主噴正時(shí)和噴油壓力不變的情況下，加上預(yù)噴射，通過(guò)改變預(yù)噴量和預(yù)主噴間隔角等參數(shù)來(lái)研究預(yù)噴射對(duì)噪聲的影響.結(jié)果表明：預(yù)噴量可以顯著降低主噴階段的壓力升高率，從而減小發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噪聲；而預(yù)、主噴間隔角對(duì)燃燒噪聲的影響不大.

柴油機(jī)；預(yù)噴射；燃燒噪聲

機(jī)動(dòng)車輻射的噪聲約占整個(gè)環(huán)境噪聲的75%，是目前環(huán)境噪聲中的主要噪聲源.其中發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲又是汽車噪聲的主要部分，主要包括空氣動(dòng)力噪聲、機(jī)械噪聲和燃燒噪聲.而對(duì)于車用柴油機(jī)，燃燒噪聲是其主要噪聲源，因此控制柴油機(jī)燃燒噪聲，對(duì)于降低環(huán)境噪聲具有重要意義.

如今，共軌噴油系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在轎車柴油機(jī)上，一些可以調(diào)整的參數(shù)，如噴油提前角、噴油持續(xù)期和噴油壓力都獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷[1].共軌噴油系統(tǒng)的出現(xiàn)，為研究多次噴射對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響提供了可能[2].試驗(yàn)結(jié)果表明：燃燒噪聲隨缸內(nèi)壓力升高率或最大壓力升高率的增大而增大.缸內(nèi)燃燒的壓力升高率越高，柴油機(jī)工作越粗暴，噪聲就越大.通常將缸內(nèi)壓力升高率作為評(píng)價(jià)燃燒噪聲的指標(biāo).壓力升高率主要取決于滯燃期以及在滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣的數(shù)量，因此要控制燃燒噪聲，必須盡可能地縮短滯燃期[3].大量實(shí)驗(yàn)表明，預(yù)噴射是解決上述問(wèn)題的有效手段[4-8].

預(yù)噴射就是在主噴射之前的某一時(shí)刻噴入少量的燃油.在主噴射前用預(yù)噴射去誘發(fā)冷焰效應(yīng)，當(dāng)燃油噴到活化的氣體氛圍中時(shí)，冷焰效應(yīng)促進(jìn)燃燒，縮短了主噴射燃油的著火延遲期，減少了預(yù)混合燃油量，延緩了主噴射燃油的燃燒過(guò)程，缸內(nèi)溫度和壓力升高率將大幅度降低，可以改善柴油機(jī)的燃燒性能.

筆者用STAR-CD軟件構(gòu)建三維燃燒室模型來(lái)模擬研究預(yù)噴射對(duì)轎車柴油機(jī)噪聲的影響情況.研究目的主要是降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噪聲，同時(shí)不會(huì)明顯影響柴油機(jī)的性能[9-10]，為改善柴油機(jī)的燃燒噪聲提供參考資料.

1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及設(shè)置

在一臺(tái)轎車用廢氣渦輪增壓、中冷、4缸柴油機(jī)上進(jìn)行模擬分析，本款發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1為利用STAR-CD模擬分析軟件建立的三維計(jì)算網(wǎng)格，圖中計(jì)算網(wǎng)格分別是活塞位于上止點(diǎn)和下止點(diǎn)的情況.

模擬計(jì)算從壓縮沖程上止點(diǎn)前130 °CA開始，到上止點(diǎn)后120 °CA 結(jié)束.定義上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為360 °CA，因此計(jì)算區(qū)間為230～480 °CA.將扇形網(wǎng)格周向兩面定義為循環(huán)邊界，其余面定義為壁面邊界.在模擬計(jì)算中，設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，渦流比為1.8，噴油壓力160 MPa，保持壁面的初始溫度不變.為了獲得較高的計(jì)算精度，計(jì)算過(guò)程中設(shè)定計(jì)算步長(zhǎng)為0.1 °CA，整個(gè)壓縮過(guò)程和膨脹過(guò)程的計(jì)算總步數(shù)為2 500.表2為設(shè)定的壁面邊界溫度以及相應(yīng)參量的松弛因子.

圖1 活塞位于上止點(diǎn)和下止點(diǎn)的計(jì)算網(wǎng)格

表2 邊界條件

壁面溫度邊界條件活塞表面溫度：520K缸蓋表面溫度：500K氣缸壁表面溫度：475K其他因子設(shè)定動(dòng)量松弛因子：04壓力松弛因子：02湍流松弛因子：03溫度松弛因子：035

圖2給出了1 500 r/min、75 %負(fù)荷下，缸壓的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況.從圖中可以看出，試驗(yàn)值和計(jì)算值吻合情況較好，試驗(yàn)缸壓峰值約為16.5 MPa，計(jì)算峰值約為16.2 MPa，試驗(yàn)值比計(jì)算值高大約1.8 %，在誤差合理范圍內(nèi)，可以用該模型進(jìn)行計(jì)算模擬.

圖2 缸壓的試驗(yàn)值和計(jì)算值

2 預(yù)噴方案的設(shè)置

利用STAR-CD模擬仿真軟件構(gòu)建三維燃燒室模型并對(duì)轎車柴油機(jī)預(yù)噴進(jìn)行模擬分析.預(yù)噴參數(shù)定義如圖3所示.在模擬時(shí)，保證噴油壓力、主噴時(shí)刻以及原機(jī)的總噴油量不變(原機(jī)總噴油量為34 mg，噴油正時(shí)為9 °CA BTDC)，改變預(yù)噴量和預(yù)、主噴間隔角來(lái)分析預(yù)噴對(duì)燃燒噪聲的影響.具體預(yù)噴方案如表3所示.

圖3 預(yù)噴參數(shù)情況

表3 預(yù)噴方案

預(yù)噴量(占總噴油量的質(zhì)量百分比)預(yù)主噴間隔角/℃A5%8101210%8101215%81012

3 計(jì)算結(jié)果及分析

首先，在預(yù)主噴間隔角不變時(shí)，研究改變預(yù)噴量對(duì)缸內(nèi)壓力以及壓力升高率的影響.由于變化情況類似，因此以預(yù)主噴間隔角10°CA為例，變動(dòng)預(yù)噴量(分別為5%、10%和15%)，分析缸內(nèi)壓力和壓力升高率的變化，如圖4所示.從圖4中可以看出，無(wú)預(yù)噴的噴油方式中，由于滯燃期較長(zhǎng)，著火前形成的可燃混合氣數(shù)量就多，這些燃料在燃燒過(guò)程的第二階段幾乎同時(shí)燃燒，致使氣缸壓力升高率和最高燃燒壓力都比較高，壓力大會(huì)產(chǎn)生較大的機(jī)械負(fù)荷，壓力升高率大會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)局部瞬時(shí)產(chǎn)生較大沖擊力，這些因素引起機(jī)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生很大的燃燒噪聲.但是加上預(yù)噴后，最高缸壓略有降低并隨著預(yù)噴量的加大而升高；最大壓力升高率都比原機(jī)有明顯下降，可以顯著降低燃燒噪聲，因?yàn)轭A(yù)噴射噴入的少量燃油的燃燒使得燃燒室被加熱，縮短了隨后進(jìn)行的主噴射的著火滯燃期而使預(yù)混合燃燒比率減少，同時(shí)預(yù)噴的燃燒氣體被霧化的主噴油束卷吸而稀釋了燃油與空氣的混合濃度，有效地減緩了燃燒速率，進(jìn)而降低壓力升高率，改善燃燒噪聲.壓力升高率隨著預(yù)噴量的加大而升高，是由于預(yù)噴燃油燃燒放熱提高了主噴前缸內(nèi)的壓力所致.所以，預(yù)噴量較小時(shí)，可以更好改善燃燒噪聲.

圖4 不同預(yù)噴量的缸壓和壓力升高率變化曲線

下面研究預(yù)噴量不變的情況.圖5是預(yù)噴量為10%時(shí)，不同的預(yù)主噴間隔角(8 °CA、10 °CA和12 °CA)對(duì)應(yīng)的缸壓和壓力升高率曲線.從圖5中看出，在加預(yù)噴后，缸內(nèi)壓力峰值和最大壓力升高率都比原機(jī)有所下降.但是在預(yù)噴量一定時(shí)，不同的預(yù)、主噴間隔角對(duì)壓力峰值的影響不太明顯.

預(yù)噴量固定后，預(yù)主噴間隔角越大，對(duì)應(yīng)的缸壓曲線會(huì)相對(duì)越早地抬升并脫離無(wú)預(yù)噴的缸壓曲線，預(yù)主噴間隔角越小則相對(duì)晚地抬升并脫離無(wú)預(yù)噴的缸壓曲線.這是因?yàn)轭A(yù)主噴間隔角越大時(shí)，預(yù)噴射會(huì)更早的進(jìn)行，預(yù)噴的燃油有充分時(shí)間進(jìn)行燃燒，燃燒會(huì)帶來(lái)缸內(nèi)壓力和溫度的升高，而且燃燒越提前，缸內(nèi)壓力值也就越高.但是，隨著預(yù)噴燃燒的發(fā)展，主噴燃燒開始進(jìn)行，不同預(yù)主噴間隔角對(duì)應(yīng)的壓力差別值就會(huì)逐漸縮小，最終慢慢重合.這是因?yàn)橹鲊娚湓陬A(yù)主噴間隔角較大的條件下進(jìn)行時(shí)，缸內(nèi)的溫度和壓力比預(yù)主噴間隔角較小時(shí)的高，主噴射的燃油在這樣的環(huán)境下噴入氣缸，縮短了滯燃期，形成的預(yù)混合氣較少；而預(yù)主噴間隔角較小時(shí)，主噴燃油在燃燒之前經(jīng)歷了一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的滯燃期，形成了較多的預(yù)混合氣，當(dāng)預(yù)混燃燒進(jìn)行時(shí)，這些較多的預(yù)混合氣進(jìn)行燃燒會(huì)較大程度地提高缸內(nèi)壓力，這就縮小了與預(yù)主噴間隔角較大時(shí)壓力值之間的差距；隨著主噴燃燒的進(jìn)行，不同預(yù)主噴間隔角的壓力曲線逐漸趨于一致，它們的峰值也基本重合.

圖5 不同預(yù)主噴間隔角下的缸壓和壓力升高率變化曲線

圖6是原機(jī)的最大壓力升高率約為1.4 MPa/℃A.從圖6中可以看出，加預(yù)噴時(shí)，最大壓力升高率始終低于無(wú)預(yù)噴時(shí)的最大壓力升高率，可以改善缸內(nèi)的燃燒噪聲.更加清晰的看出預(yù)主噴間隔角對(duì)最大壓力升高率影響不大，而預(yù)噴量對(duì)最大壓力升高率影響較大，隨預(yù)噴量的增大而增大.因此，采取預(yù)噴射降低燃燒噪聲時(shí)，應(yīng)選擇小預(yù)噴量的預(yù)噴方案.就研究工況來(lái)看，選擇預(yù)噴量為5%，預(yù)主噴間隔角為8 °CA時(shí)較好.

圖6 預(yù)噴量和預(yù)主噴間隔角對(duì)最大壓力升高率的影響

4 結(jié) 論

1)以轎車柴油機(jī)為研究對(duì)象，構(gòu)筑三維模型來(lái)模擬分析預(yù)噴射對(duì)壓力升高率的影響.而壓力升高率是燃燒噪聲評(píng)價(jià)的主要因素.

2)預(yù)噴射的作用主要在于縮短了隨后進(jìn)行的主噴射的著火滯燃期而使預(yù)混合燃燒比率減少，同時(shí)預(yù)噴的燃燒氣體被霧化的主噴油束卷吸而稀釋了燃油與空氣的混合濃度，有效地減緩了燃燒速率，進(jìn)而降低壓力升高率，改善燃燒噪聲.

3)通過(guò)模擬分析，可以得出預(yù)噴可以降低車用柴油機(jī)的噪聲，其中預(yù)噴量對(duì)噪聲影響比較大，噪聲隨著預(yù)噴量的加大而增大，而預(yù)主噴間隔角對(duì)噪聲影響不大，可以忽略.

[1] Houard k. Study of a Common Rail Fuel Injection System[C]. SAE Paper 2001-01-3184.

[2] Shayler P J, Brooks T D, Pugh G J, et al. The Influence of Pilot and Split-Main Injection Parameters on Diesel Emissions and Fuel Consumption[C]. SAE Paper 2005-01-0375.

[3] 袁兆成,方 華，王天靈，等. 車用柴油機(jī)氣缸壓力升高率與燃燒噪聲的關(guān)系[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)， 2006，12(1)：11-14.

[4] Kremer F, Schaub J, Steffens C, et al. 未來(lái)轎車柴油機(jī)噪聲的優(yōu)化[J].范明強(qiáng)，譯.國(guó)外內(nèi)燃機(jī)，2014，46(1)：59-62.

[5] Swor T A, Kokjohn S L, Andrie M J, et al. Improving diesel engine performance using low and high pressure split injections for single heat release and two-stage combustion[C]. SAE Paper 2010-01-0340.

[6] Kitamura T, Ito T. Mixing-controlled, low temperature diesel combustion with pressure modu-lated multiple-injection for HSDI diesel engine[C].SAE Paper 2010-01-0609.

[7] 王 滸，堯命發(fā)，鄭尊清，等. 多次噴射與 EGR 耦合控制對(duì)柴油機(jī)性能和排放影響的試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2010，28(1)：26-32.

[8] Schnorbus T, Larriping M, K?rfer T. Weltweit unterschiedliche kraftstoffqualit?ten-neue anforderung-en an die verbrennungsregelung beim modernen diese-lmotor[J]. MTZ, 2008, 69(4)：302-312.

[9] Kenvin C S. Simultaneous Reduction of NOx and Particulate Emissions by Using Multiple Injections in a Small Diesel Engine[C].SAE Paper 2000-01-3084.

[10]Beatric C, Belardini P, Bertoli C, et al. Downsizing of Common Rail D. I. Engines: Influence of Different Injection Strategieson Combustion Evolution[C]. SAE Paper 2003-01-1784.

Numerical Simulation of Pre-injection on Combustion Noiseof Car Diesel Engine

WANG Ya, ZHAO Chang-pu， WANG Yao-hui

(State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072,China)

By using the STAR-CD software, a three-dimensional combustion chamber of a car diesel engine is constructed for mainly doing research on the relationship between the pre-injection and the rise rate of its cylinder pressure, in which the rate is one of the main evaluation factors on the combustion noise. A pre-injection law is designed for the original engine. Keeping both the main-injection timing and the injection pressure unchanged, the influence of the injection process on the combustion noise is studied by adjusting the pre-injection quantity and the interval angles of between the pre-injection and the main injection. The results show that the appropriate pre-injection amount could significantly reduce the rise rate of its cylinder pressure at the main iniection stage and thereby reduce the combustion noise of the engine, and that the interval angle has little influence on its combustion noise.

diesel engine;pre-injection;combustion noise

1009-4687(2016)04-0006-04

2016-4-21

王 亞(1991-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒與優(yōu)化.

U464.136

A