周巍

摘 要：為研究高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的關(guān)鍵控制參數(shù)對柴油機性能的影響。建立了柴油機工作過程仿真模型和高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)模型，將工作過程仿真模型與高壓共軌燃油系統(tǒng)模型進行耦合。在對耦合得到的柴油機仿真模型進行精度驗證后，以功率為邊界條件，通過調(diào)整噴射正時和噴油壓力，研究不同燃油噴射控制參數(shù)對高壓共軌柴油機經(jīng)濟性能和排放性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著噴油壓力升高，循環(huán)噴油量增加，導(dǎo)致缸內(nèi)爆發(fā)壓力增加，IMEP值和排放量都上升;而隨著噴油始點提前，由于滯燃期的增長，燃料燃燒更充分，缸內(nèi)爆發(fā)壓力，IMEP值和排放量都上升。

關(guān)鍵詞：高壓共軌燃油系統(tǒng);船用柴油機;控制參數(shù);耦合模型

中圖分類號：U664.121? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）12-0083-04

1引言

國際海事組織（IMO）為了更好地限制船舶廢氣污染，而制定了三階段的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，目前已規(guī)定了波羅的海、北海、北美以及美國加勒比海為排放控制區(qū)，在該排放控制區(qū)內(nèi)的船舶必須滿足相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。此外，國內(nèi)也在積極地推進海岸線劃設(shè)排放控制（ECA）的劃設(shè)工作。我國政府已頒布了《船舶發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）》（GB15097-2016），規(guī)定自2021年7月1日起實施。日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)對船用柴油機的排放性能和壽命周期提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，降低排放的同時，具備良好的燃油經(jīng)濟性一直是柴油機技術(shù)的研究重點[3]。高壓共軌電控燃油噴射技術(shù)已成為實現(xiàn)柴油機整機性能提升和排放降低的有效技術(shù)途徑，其通過提高噴油量和噴油定時的控制精度優(yōu)化燃油的噴射過程，能夠顯著提高柴油機的經(jīng)濟性和排放性能，也能為機外排放后處理系統(tǒng)減輕了壓力[4-5]，同時，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)因由于其噴射燃油高壓霧化良好的特點[6]，還被運用于船用雙燃料發(fā)動機的引燃裝置上[7]，因此開展高壓共軌系統(tǒng)控制參數(shù)對船用中速柴油機性能影響的研究有著重要意義[8]。本文以某船用中速柴油機為研究對象，建立高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真模型和柴油機工作過程仿真模型，在對仿真模型進行精度驗證后進行模型耦合并驗證耦合可行性。利用建立的耦合模型進行噴油壓力和噴油始點對柴油機性能的影響分析。

2柴油機工作過程仿真模型建立

柴油機氣缸內(nèi)的工作過程是很復(fù)雜的，它是包含物理、化學(xué)、流動、傳熱、傳質(zhì)等綜合過程。在柴油機氣缸內(nèi)熱力過程仿真計算時，為了簡化計算，采用零維模型建立柴油機實際缸內(nèi)工作過程的數(shù)學(xué)模型[9]?；诂F(xiàn)象學(xué)的BARBA模型能夠比較精確的反應(yīng)柴油機燃油噴射、預(yù)混燃燒、擴散燃燒、廢氣對擴散燃燒的影響等過程，該模型將燃油從噴入氣缸到燃燒的過程劃分為兩個獨立的過程：第一步是基于預(yù)混火焰?zhèn)鞑ゼ僭O(shè)在預(yù)混區(qū)采用預(yù)混燃燒模型。當(dāng)預(yù)混區(qū)間燃油充分燃燒后，此時主噴階段燃油的氧化則通過受控混合燃燒模型來表示[10]。具有燃油引燃噴射和主噴的燃燒過程可以被分為孤立的7部分：

（1）預(yù)混燃油噴射。在引燃噴射開始時初始化燃燒模型，并計算相關(guān)變量。噴油時需要表示出預(yù)混區(qū)已噴射燃油的濃度并計算著火滯燃期的長短。此時油滴蒸發(fā)的宏觀特性可以通過表面積和體積折算的方式來衡量，用索特平均直徑。假設(shè)燃油被噴入氣缸時就開始蒸發(fā)，則其蒸發(fā)公式表示為：

（1）

其中，，在湍流場中。

（2）預(yù)混噴射的著火滯燃期。將引燃噴射噴油始點的著火滯燃期定義為。在零維柴油燃燒模型中，著火滯燃期通常表示為單步化學(xué)反應(yīng)。這些相對簡單的模型可以用于著火滯燃期的對數(shù)與溫度的倒數(shù)成正比的傳統(tǒng)燃燒模型。著火延時子模型根據(jù) Arrhenius 定律可表示為：

（2）

式中，和為子模型參數(shù);和為燃燒室的溫度和壓力。

（3）預(yù)混噴射燃燒過程。在滯燃期結(jié)束時進入到預(yù)混燃燒階段，此前已經(jīng)蒸發(fā)為氣態(tài)的預(yù)混燃油得到充分燃燒。預(yù)混區(qū)多建立于噴油初期，因此滯燃期中所噴油霧都被包含在預(yù)混區(qū)中。新鮮空氣和燃燒廢氣通過下式也體現(xiàn)在預(yù)混區(qū)中。

（3）

式中參數(shù)用來保證在無殘余燃燒廢氣情況下燃油空氣當(dāng)量比為1.25。若噴油結(jié)束時滯燃期仍未結(jié)束，由于燃油在周圍工質(zhì)中的擴散預(yù)混區(qū)會擴大。

（4）受控混合燃燒的燃油噴射。由于主噴開始時第一次噴射油霧的燃燒尚未結(jié)束，主噴模型為主噴階段建立了一個新的預(yù)混區(qū)并計算該區(qū)域的著火滯燃期。上述預(yù)混區(qū)燃油噴射過程的定義與預(yù)混燃油噴射階段定義相同。

（5）受控混合燃燒的著火滯燃期。在第一次噴射過程中，著火滯燃期需要從主噴階段的始點一直計算到它等于1，此時燃油開始燃燒。主噴階段的著火模型與引燃噴射階段相同，但是由于較高的壓力和溫度，主噴階段的著火滯燃期更短，且在噴射完成前結(jié)束。在著火開始時刻已經(jīng)噴射的燃油在預(yù)混區(qū)燃燒，此時尚未噴射的燃油則用受控混合燃燒模型表示。

（6）受控混合燃燒之前的預(yù)混燃燒。由于滯燃期在噴射完成前結(jié)束，主噴階段預(yù)混區(qū)燃油比例較引燃噴射低，且其燃燒路徑比第一次噴射也偏低。

（7）受控混合燃燒過程。與預(yù)混燃燒模型相同，滯燃期結(jié)束時尚未燃燒的油霧按照受控混合燃燒模型逐漸燃燒。在這個燃燒模型中，油霧和周圍空氣的混合速率決定了其引燃效率。因此，混合燃燒模型中已燃燒燃油質(zhì)量可通過下式計算：

（4）

典型混合長度是一個關(guān)于噴油孔的數(shù)量和燃油/空氣當(dāng)量比和燃燒室容積的函數(shù)，典型混合速率是一個關(guān)于活塞運動速率和湍流動能的函數(shù)。

（8） 排放預(yù)測。是內(nèi)燃機排放的主要污染物，下式中表述了污染物生成與分解的三個守恒方程。

（5）

式中為不同公式定義了一個動力學(xué)參數(shù)，并定義向右反應(yīng)方向為符號+，向左反應(yīng)方向為-。演變定義如下式：

（6）

選用AMESim提供的ENG12BARBALTC12元件作為缸內(nèi)燃燒子模型，該模型根據(jù)前文陳述的BARBA方法計算缸內(nèi)工質(zhì)燃燒壓力、溫度和廢氣排放等參數(shù)。

噴油器元件FNGINJ11-1可以將導(dǎo)入的噴油率數(shù)據(jù)擬合為用六個參數(shù)表達的近似曲線，可以比較精確地反映出實際的噴油規(guī)律。此外，噴油器子模型需要輸入四個外部變量，分別是噴油器內(nèi)的燃油壓力、燃油溫度、噴油提前角和噴射脈寬，根據(jù)機械式噴油器的噴油率試驗數(shù)據(jù)擬合仿真噴油率曲線。將壓氣機與渦輪機通過一個旋轉(zhuǎn)軸連接組合為渦輪增壓器，需要設(shè)置的主要參數(shù)包括壓氣機和渦輪機的幾何參數(shù)（如葉輪外緣直徑、擴壓管直徑等），通過獲取的增壓器特性曲線，將其標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下（一般為1.013bar，293K）通用特性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為當(dāng)前試驗條件下的特性數(shù)據(jù)，

3燃油噴射系統(tǒng)仿真模型建立

為了研究高壓共軌系統(tǒng)對柴油機的影響，建立高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真模型。共軌管具有穩(wěn)壓的作用，能夠減小高壓油泵壓力波動對噴油壓力的影響，因此本文假設(shè)從共軌管輸出的燃油壓力和溫度相對穩(wěn)定，將其簡化為一個穩(wěn)定壓力源與噴油器連接。由于共軌管具有穩(wěn)壓的作用，能夠減小高壓油泵壓力波動對噴油壓力的影響，因此本文假設(shè)從共軌管輸出的燃油壓力和溫度相對穩(wěn)定，將其簡化為一個穩(wěn)定壓力源與噴油器連接。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中的電控噴油器，是通過一根較短的高壓油管和共軌相連的，主要由電磁閥，壓力放大系統(tǒng)和孔式針閥偶件等幾部分構(gòu)成的。綜上根據(jù)實驗室噴油器實物構(gòu)建的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真模型如圖1所示。

4柴油機仿真模型精度驗證

為了驗證柴油機工作過程仿真模型的正確性，特選擇100%負荷、90%負荷、75%負荷和50%負荷四個工況下的仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果如下：通過仿真，獲得了柴油機各個工況下的仿真數(shù)據(jù)（見圖2～圖5），分別為各工況下缸內(nèi)壓力仿真數(shù)據(jù)與試模型的仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)相對誤差較小，驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性與合理性。

5控制參數(shù)對柴油機性能影響分析

基于燃油噴射模型與柴油機工作過程仿真模型耦合的合理性，在保證噴油脈寬不變的條件下，分別改變噴油壓力和噴油始點，探究燃油噴射控制參數(shù)對柴油機性能影響。如表1所示。

從圖6，圖7及表2，表3可以看出，隨著噴油壓力升高，循環(huán)噴油量增加，導(dǎo)致缸內(nèi)爆發(fā)壓力增加，IMEP值和排放量都上升;而隨著噴油始點提前，循環(huán)噴油量略有下降，但由于滯燃期的增長，燃料燃燒更充分，缸內(nèi)爆發(fā)壓力，IMEP值和排放量都上升。

6結(jié)論

（1）本文建立了柴油機工作過程仿真模型和高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真模型耦合得到的柴油機模型，驗證了仿真模型的精度，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真模型能夠正確的反應(yīng)燃油噴射和壓力波動規(guī)律，耦合模型可以較準(zhǔn)確地模擬缸內(nèi)燃燒及渦輪增壓器運行。

（2）隨著噴油壓力升高，循環(huán)噴油量增加，導(dǎo)致缸內(nèi)爆發(fā)壓力增加，IMEP值和排放量都上升;而隨著噴油始點提前，由于滯燃期的增長，燃料燃燒更充分，缸內(nèi)爆發(fā)壓力，IMEP值和排放量都上升。

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