【美】 I.Verma E.Meeks E.Bish M.Kuntz K.Puduppakkam L.Liang C.Naik

0 前言

經(jīng)濟(jì)小型化的貨物散裝、動(dòng)力設(shè)備、運(yùn)輸和發(fā)電都是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)得以應(yīng)用的關(guān)鍵領(lǐng)域。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，其通常具有較高的燃料效率，并且CO2排放較低［1］。不過(guò)，氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）必須通過(guò)排氣后處理系統(tǒng)來(lái)解決。由NO和NO2組成的NOx被認(rèn)為對(duì)人體及環(huán)境健康有害。NO2被認(rèn)為比NO更具毒性，因?yàn)樗苯佑绊懭梭w健康，也是臭氧形成的因素之一，并且會(huì)導(dǎo)致煙霧的形成。柴油機(jī)廢氣中NO2與NO的比例相當(dāng)小，但當(dāng)排出時(shí)，NO迅速氧化形成NO2［2－3］。當(dāng)溫度升高時(shí)，NO2以高速率形成NOx，在燃燒溫度大于或等于2 000K時(shí)氧化率驟增。因此，為了減少NOx的形成，需要降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值溫度［4］。在富燃區(qū)域形成的PM，其燃燒溫度約為1 300～1 600K［4］。因此，相對(duì)于燃燒溫度，可以選擇針對(duì)減少生成NOx與碳煙的折中方案。

另外，可以使用許多變量來(lái)優(yōu)化柴油機(jī)性能、排放和燃料經(jīng)濟(jì)性，其中噴射正時(shí)和EGR有顯著的優(yōu)化作用。在現(xiàn)代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，噴射正時(shí)由電子控制，調(diào)節(jié)相對(duì)簡(jiǎn)單。可以通過(guò)延遲噴射正時(shí)來(lái)降低NOx或提高噴射正時(shí)以降低PM，來(lái)調(diào)節(jié)PM和NOx排放物之間的平衡。通過(guò)廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)，峰值燃燒溫度降低，點(diǎn)火延遲增加。利用EGR，放熱速度總體上得以下降，但由于NOx對(duì)溫度的敏感性，隨著時(shí)間的擴(kuò)散，燃燒持續(xù)時(shí)間增加［5－6］，導(dǎo)致了生成 NO總量減少。然而，EGR顯著增加了發(fā)動(dòng)機(jī)出口的碳煙排放［6－7］，這是由于局部氧濃度較低，以及較低的溫度而導(dǎo)致的。

嚴(yán)格的排放法規(guī)和全球?qū)厥覛怏w排放限制的需求正在推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商在動(dòng)力、燃料經(jīng)濟(jì)性和排放等方面不斷提升技術(shù)水平。發(fā)動(dòng)機(jī)制造商必須要在保持高水平的發(fā)動(dòng)機(jī)性能的同時(shí)繼續(xù)減少排放。對(duì)模擬驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)越來(lái)越多地取代了傳統(tǒng)密集型的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。三維計(jì)算流體力學(xué)（CFD）燃燒模擬正在成為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和開發(fā)的有效工具。采用了多維模型來(lái)設(shè)計(jì)和研究發(fā)動(dòng)機(jī)中出現(xiàn)的復(fù)雜流動(dòng)和熱現(xiàn)象。燃料與空氣混合和燃燒過(guò)程是由進(jìn)氣行程期間形成的復(fù)雜流動(dòng)特征，以及直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的殘余氣體分布來(lái)驅(qū)動(dòng)的。噴霧、燃料混合物的制備、湍流分布和充氣運(yùn)動(dòng)對(duì)于現(xiàn)代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化至關(guān)重要［8］。因此，需要對(duì)氣體交換過(guò)程進(jìn)行建模［9］以完成對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。建模技術(shù)能夠在多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況下進(jìn)行網(wǎng)格融合和預(yù)測(cè)，要想在不同工況下模擬柴油機(jī)物理學(xué)的模型和子模型，最大的挑戰(zhàn)就是實(shí)現(xiàn)這種建模技術(shù)需要的依賴網(wǎng)格。首先需要有效的預(yù)測(cè)能力來(lái)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的許多變量。在發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中較高的網(wǎng)格分辨率可以精確地捕獲物理模型中的關(guān)鍵幾何結(jié)構(gòu)或銳利梯度。在模擬中解決所需物理學(xué)的實(shí)際方法是使用方案自適應(yīng)網(wǎng)格（SAM）細(xì)化和粗化。SAM細(xì)化和粗化有助于開發(fā)解決方案，這些解決方案既可以充分解決問題，在計(jì)算上又具有成本效益。有幾個(gè)方面的最新進(jìn)展使模擬可以預(yù)測(cè)不同條件下特定燃料的燃燒和排放特性［10］。通過(guò)相關(guān)的燃料效應(yīng)準(zhǔn)確地模擬燃料的化學(xué)燃燒也是十分重要的方法，需要使用詳細(xì)的化學(xué)機(jī)理和多組分燃料替代物來(lái)代表燃料的物理和化學(xué)性質(zhì)。使用多組分燃料替代方法，可以準(zhǔn)確地捕獲燃料組分對(duì)點(diǎn)火特性、燃燒和排放的影響。為了模擬柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程，可以通過(guò)細(xì)化網(wǎng)格對(duì)包括氣體交換過(guò)程在內(nèi)的完整的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)進(jìn)行建模來(lái)獲得更高的精度，這可在活塞和氣門移動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)地適應(yīng)幾何形狀。為了在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，缸內(nèi)壓力和放熱速率的預(yù)測(cè)必須與不同工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)良好吻合，而無(wú)需對(duì)每組運(yùn)行工況進(jìn)行模型調(diào)節(jié)。因此，有必要驗(yàn)證CFD解決方案的準(zhǔn)確性，以確保預(yù)測(cè)的可靠性，并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化措施以改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

試驗(yàn)過(guò)程中使用了ANSYS Forte CFD軟件，采用多組分燃料模型和詳細(xì)的化學(xué)方法進(jìn)行包括氣體交換過(guò)程在內(nèi)的全套發(fā)動(dòng)機(jī)模擬。通過(guò)建模進(jìn)氣過(guò)程消除了燃料噴射之前燃燒室內(nèi)氣體組成的一些不確定性。多組分燃料模型允許噴霧演化并且可以獲得基于燃料的已知物理性質(zhì)。工作重點(diǎn)是預(yù)測(cè)在早期和晚期噴射正時(shí)期間在高低EGR時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況，同時(shí)改變EGR的水平。隨后分析了這些變化對(duì)EGR和噴射正時(shí)對(duì)當(dāng)量比和溫度分布、中間物質(zhì)形成、湍流時(shí)間尺度、燃料蒸發(fā)，以及最終點(diǎn)火延遲的影響。采用與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較來(lái)驗(yàn)證使用壓力和放熱痕跡的CFD預(yù)測(cè)結(jié)果。

1 試驗(yàn)驗(yàn)證

在目前的工作中，對(duì)卡特彼勒3401E單缸測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了模擬，其中的試驗(yàn)細(xì)節(jié)先前已由Klingbeil等報(bào)道過(guò)。發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在其額定轉(zhuǎn)速1 800～2 100r／min范圍內(nèi)提供62kW的功率。在Klingbeil的研究中，發(fā)動(dòng)機(jī)配備了靈活的進(jìn)氣增壓系統(tǒng)，其可以幫助研究人員全面了解增壓壓力和新鮮空氣質(zhì)量流量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的影響。得到的信息需要作為模擬輸入，通過(guò)冷卻渦輪增壓進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力和溫度來(lái)進(jìn)行模擬。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中使用的噴油器是1臺(tái)卡特彼勒電子單元噴油器（EUI）。樣品噴油器的噴油速率形狀見圖1。有關(guān)該發(fā)動(dòng)機(jī)的其他信息，如表1所示。

圖1 基本情況下噴油速率與發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄角的函數(shù)關(guān)系

表1 卡特彼勒3401E單缸機(jī)技術(shù)規(guī)格

前期完成的關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的試驗(yàn)中，研究了包括進(jìn)氣壓力、排氣壓力、EGR率和噴油始點(diǎn)（SOI）的變化。在當(dāng)前的工作中，已經(jīng)模擬試驗(yàn)了前期研究的5個(gè)測(cè)試案例，見表2。前期研究中包括對(duì)25%的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速1 789r／min和0.12MPa的增壓壓力下的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試案例。使用中間冷卻器將進(jìn)氣（空氣和EGR）冷卻至40℃。通過(guò)同時(shí)改變SOI和EGR獲得不同的工況點(diǎn)。測(cè)試了噴射正時(shí)和EGR對(duì)當(dāng)量比和溫度的分布、中間產(chǎn)物的形成、湍流時(shí)間尺度、燃料蒸發(fā)和點(diǎn)火延遲的影響。

表2 柴油機(jī)工況

2 數(shù)值模型

這一部分將用于描述模擬柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣體交換、噴霧演化、空燃混合和燃燒的計(jì)算模型和模型最佳實(shí)踐。此外還提供了網(wǎng)格化的描述和實(shí)際燃料效應(yīng)與化學(xué)表現(xiàn)。所有的模擬都使用了雷諾時(shí)均（RANS）方法，該方法中湍流使用再正態(tài)分組（RNG）k-ε模型。

2.1 自動(dòng)網(wǎng)格

采用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格來(lái)生成可自動(dòng)適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)邊界的網(wǎng)格。對(duì)于生成的動(dòng)態(tài)笛卡爾網(wǎng)格，基于浸入式邊界法，并使用數(shù)值求解算法。輸入表面網(wǎng)格用于建立邊界表面和體積域。在模擬過(guò)程中笛卡爾網(wǎng)格是基于用戶指定的全局網(wǎng)格大小、方案自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化，以及基于幾何的網(wǎng)格細(xì)化而生成的。例如，氣門間隙內(nèi)的網(wǎng)格分辨率是基于氣門升程曲線和用戶定義的最小升程閾值進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制的。當(dāng)氣門間隙小時(shí)，網(wǎng)格細(xì)化控制算法應(yīng)用更深的細(xì)化，以確保間隙內(nèi)至少有兩層單元。隨著氣門進(jìn)一步打開，間隙內(nèi)的深度細(xì)化逐漸放松?？紤]到邊界附近的選擇性細(xì)化及發(fā)動(dòng)機(jī)全工作循環(huán)模擬的某些區(qū)域，自動(dòng)網(wǎng)格的生成都是在模擬期間動(dòng)態(tài)發(fā)生的。

2.2 SAM

方案自適應(yīng)網(wǎng)格劃分允許在CFD控制方程的數(shù)值解中基于解域（或梯度）來(lái)細(xì)化網(wǎng)格中的某些區(qū)域。目前使用SAM來(lái)定義基于解域梯度場(chǎng)的柴油噴霧、細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)和細(xì)化水平。軟件包中提供了不同的SAM細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)，包括對(duì)絕對(duì)值、百分位數(shù)和統(tǒng)計(jì)度量的細(xì)化。在本工作中，已采用速度、溫度和CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的梯度來(lái)細(xì)化噴霧燃燒期間的網(wǎng)格。使用統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定位超出用戶指定的體積流體值的統(tǒng)計(jì)顯著性的場(chǎng)值。使用這種方法，跟蹤控制參數(shù)的平均值，并根據(jù)所選控制參數(shù)的分層程度動(dòng)態(tài)調(diào)整目標(biāo)，并進(jìn)行細(xì)化。統(tǒng)計(jì)控制是最靈活的選擇，因?yàn)樗莾H需要最少量的先驗(yàn)知識(shí)的解決方案。在柴油條件下，圖2顯示了SAM方法在對(duì)隔絕噴霧的適用性，產(chǎn)生了有效的細(xì)化來(lái)解決液體-氣體混合界面。在曲軸箱內(nèi)也演示了油氣混合和燃燒的類似性能。圖3顯示了當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)在使用SAM方法改進(jìn)噴霧的同時(shí)，通過(guò)缸壁附近的細(xì)化而生成的發(fā)動(dòng)機(jī)網(wǎng)格切面。根據(jù)軟件中已驗(yàn)證的最佳案例進(jìn)行其他類型的網(wǎng)格細(xì)化。

圖2 柴油噴霧速度場(chǎng)SAM改進(jìn)水平的敏感性

圖3 帶噴霧燃燒室SAM網(wǎng)格切面

2.3 替代燃料和化學(xué)過(guò)程

為了在試驗(yàn)中模擬柴油燃料在液體和蒸氣階段的性能，使用了一種多組分替代燃料。組分從ANSYS模型燃料庫(kù)（MFL）中選取，各成分之前在使用類似柴油燃料的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上驗(yàn)證過(guò)。表3顯示了替代柴油燃料的成分。具體的氣體化學(xué)過(guò)程有484種，這種柴油替代燃料包含3 187種反應(yīng)。

表3 替代燃料成分

2.4 噴霧模型

研究燃油噴射，噴霧破碎和蒸發(fā)等現(xiàn)象需要采用先進(jìn)子模型及CFD模型，子模型可使網(wǎng)格和時(shí)間步長(zhǎng)最小化以取得較好的平衡。應(yīng)用歐拉-拉格朗日方程模擬柴油噴射，包含多組分燃油替代液體和蒸發(fā)特性。噴嘴口條件的初始值由具體的流量系數(shù)設(shè)定，初始液滴尺寸基于噴嘴孔直徑來(lái)確定。液滴破碎需要通過(guò)KH／KR模型來(lái)進(jìn)行模擬。初始液滴的速率按照注入質(zhì)量流量曲線進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。采用1個(gè)不穩(wěn)定的氣體噴流模型預(yù)測(cè)液滴和氣體之間的相對(duì)速度，從而提供相對(duì)于網(wǎng)格計(jì)算更優(yōu)化的霧化率預(yù)測(cè)值，有利于減少阻力預(yù)測(cè)對(duì)網(wǎng)格的依賴性。

氣體噴流模型和先進(jìn)的KH-RT混合分裂模型，與不使用此方法的仿真相比，能夠使分裂模型對(duì)網(wǎng)格和時(shí)間步長(zhǎng)的依賴性大大降低。液滴碰撞通過(guò)碰撞模型的有效半徑進(jìn)行建模。離散多組分燃料蒸發(fā)模型用于表示噴霧液滴的氣化。在實(shí)際蒸發(fā)過(guò)程中，替代燃料的個(gè)體成分（分子）通過(guò)有效半徑模型進(jìn)行追蹤，并與個(gè)體燃料成分的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)相結(jié)合。使用了加強(qiáng)版的O′Rourke和Amsden壁膜模型，該模型采用基于粒子的數(shù)值方法來(lái)表示壁膜。在粒子方法中，在每個(gè)噴射油束接觸到壁面時(shí)，可以追溯球形液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡。在計(jì)算壁膜和周圍蒸發(fā)氣體之間的質(zhì)量和能量交換時(shí)，基于液體總體積及與相應(yīng)單元相關(guān)聯(lián)的邊界區(qū)域，將同一計(jì)算單元的壁膜液滴轉(zhuǎn)化為薄油膜。在當(dāng)前步驟中，通過(guò)對(duì)所有發(fā)動(dòng)機(jī)模擬設(shè)定相同的噴霧模型參數(shù)，來(lái)預(yù)測(cè)不同柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況。

3 結(jié)果和討論

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)模擬，轉(zhuǎn)速為1 789r／min，負(fù)荷為25%，吸入溫度為40℃，增壓為120.6kPa。根據(jù)表2，SOI和EGR從測(cè)試案例1～5各不相同。這些測(cè)試中的EGR都經(jīng)過(guò)冷卻，采用40℃的吸入溫度。通過(guò)從多孔噴油器注入多組分替代燃料，進(jìn)行全循環(huán)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)模擬。對(duì)不同噴射壓力的直噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧模型進(jìn)行詳細(xì)驗(yàn)證，可在其他文獻(xiàn)中查閱。全循環(huán)模擬從IVO之前開始，使用0.4mm的最小氣門限值。發(fā)動(dòng)機(jī)以2.0mm的幾何全網(wǎng)格尺寸為特征，在壁面和氣門座上精細(xì)到0.5mm。噴霧附近的網(wǎng)格通過(guò)SAM進(jìn)行精細(xì)化，需考慮到速度、溫度，以及CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度的細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)。SAM在液體-氣體接口區(qū)域處將網(wǎng)格細(xì)化到0.5mm。在前期工作中已經(jīng)完成了用于模擬柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的各種耦合模型的網(wǎng)格收斂，此種方法在這里也已使用過(guò)。對(duì)于采用13°CA上止點(diǎn)前，EGR率為40°且有SOI的CFD模擬為測(cè)試案例1，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量（EXP）驗(yàn)證該模型的設(shè)置，之后設(shè)置同樣的CFD用于其他4個(gè)測(cè)試案例。圖4展示了測(cè)試案例1中壓力和放熱率曲線的對(duì)比。燃料噴射正時(shí)是影響柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和廢氣排放的主要參數(shù)。燃料噴射的空氣狀態(tài)隨著噴射早于或晚于上止點(diǎn)而發(fā)生改變，因此造成了不同程度的點(diǎn)火延遲。對(duì)使用早期的SOI條件的工況點(diǎn)進(jìn)行仿真，即13°CA、22°CA，25°CA BTDC比較其對(duì)溫度和等值比的影響。第一個(gè)工況點(diǎn)為基準(zhǔn)案例（標(biāo)準(zhǔn)柴油案例），其他兩個(gè)案例為早期噴射（接近預(yù)混合燃燒）。所有案例的噴射持續(xù)時(shí)間及速率形狀保持一致。

圖4 測(cè)試案例1（TC1）的壓力（a）和放熱率曲線（b）

圖5 顯示了3個(gè)早期噴射工況點(diǎn)的對(duì)比及通過(guò)試驗(yàn)壓力和放熱率曲線進(jìn)行的驗(yàn)證?；谶@一結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)的柴油操作條件有1個(gè)12°CA的點(diǎn)火延遲。測(cè)試案例2和測(cè)試案例3中早期的噴射工況點(diǎn)在燃料噴射后會(huì)出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。測(cè)試案例3中的工況點(diǎn)有7°CA的點(diǎn)火觸點(diǎn)閉合角，在測(cè)試案例3中，帶EGR的早期噴射可減少溫度對(duì)點(diǎn)火觸點(diǎn)閉合角的影響。

圖5 測(cè)試案例1、2（TC2）和3（TC3）的壓力（a）和放熱率曲線（b）

圖6 燃燒室中早噴的液體油量

圖6 顯示了3個(gè)早期噴射工況點(diǎn)在燃燒室中的液體燃油量。在初始階段，燃燒室中液體燃油量在增加，接著就隨著蒸發(fā)開始減少。低EGR的測(cè)試案例2，比高EGR的測(cè)試案例3的蒸發(fā)率更高。在氣體混合中，更高的EGR可以提升比熱，從而降低燃燒室的溫度。得到的結(jié)果顯示在初始時(shí)間內(nèi)，燃燒室中液體燃油量較高，因而引起測(cè)試案例3中較大的點(diǎn)火觸點(diǎn)閉合角。由于預(yù)混合及擴(kuò)散燃燒階段的出現(xiàn)，測(cè)試案例1的曲線與其他案例略有不同。其中早期噴射可用于獲取預(yù)混燃燒模型，EGR率決定了其對(duì)點(diǎn)火延遲的影響。

對(duì)較晚出現(xiàn)噴油起始點(diǎn)的工況點(diǎn)也進(jìn)行了研究。這些測(cè)試案例使用了6°CA和0°CA ATDC的噴射條件。這些測(cè)試案例表示低EGR工況下（TC4）的晚噴射和高EGR工況下（TC5）的晚噴射。圖7顯示了對(duì)測(cè)試案例4和5的預(yù)測(cè)和驗(yàn)證。由此看出，晚噴射對(duì)燃燒階段的影響很大。噴射發(fā)生在上止點(diǎn)之后，點(diǎn)火延遲的增加是由于活塞下降時(shí)的擴(kuò)張效應(yīng)。與提升EGR相比，延遲噴射正時(shí)對(duì)點(diǎn)火延遲的影響更大。

圖7 測(cè)試案例4和5的壓力（a）和放熱率曲線（b）

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)并驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況對(duì)NOx和碳煙排放的影響。進(jìn)行排放驗(yàn)證是為了捕捉不同工況下的曲線趨勢(shì)，而不是定量比較。圖8～9顯示了通過(guò)不同發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)NOx和碳煙排放進(jìn)行預(yù)測(cè)和驗(yàn)證。從圖8～9可以看出，標(biāo)準(zhǔn)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況導(dǎo)致了較多的碳煙排放。早期燃油噴射在燃料-空氣混合中會(huì)產(chǎn)生更多的均質(zhì)成分，從而增加NOx含量，減少碳煙排放。EGR率可降低NOx，同時(shí)觀察到碳煙略有增加。由于燃油噴射在上止點(diǎn)之后發(fā)生，注入的燃油在低壓狀態(tài)下進(jìn)入燃燒室，從而增加碳煙含量。通過(guò)稀釋的EGR將燃油注入到上止點(diǎn)附近，可以保持較低的碳煙和NOx含量。通過(guò)對(duì)燃油噴射和EGR工況變量的CFD預(yù)測(cè)，可捕捉碳煙和NOx變量的趨勢(shì)。

圖8 不同發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的NOx排放指數(shù)

圖9 不同發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的碳煙

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)CFD模擬分析，對(duì)直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)噴射正時(shí)和EGR率對(duì)燃燒階段的影響進(jìn)行了研究。對(duì)不同柴油機(jī)的不同運(yùn)行工況進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)對(duì)CFD子模型采用相同的網(wǎng)格收斂仿真設(shè)置和固定的模型參數(shù)進(jìn)行模擬。通過(guò)CFD結(jié)果，得到發(fā)動(dòng)機(jī)不同運(yùn)行工況下壓力和放熱率的預(yù)測(cè)值。使用特定化學(xué)過(guò)程的多組分燃料模型有利于提升CFD方式的精確度。還研究了初始溫度和燃料-空氣分配對(duì)點(diǎn)火延遲的影響。點(diǎn)火延遲隨著噴射正時(shí)和EGR比例而變化。缸內(nèi)溫度、氣體成分及分布對(duì)點(diǎn)火延遲都有重要影響。初始溫度越低，就會(huì)增加點(diǎn)火延遲。等值比對(duì)點(diǎn)火延遲也有影響，但影響不大。該模型可用于捕捉折中方案及趨勢(shì)變化規(guī)律。