魏福祥，許俊峰，張艷崗，馬天翔，曹睿鑫，王步云

(中北大學(xué)能源動力工程學(xué)院，山西 太原 030051)

功率密度是柴油機(jī)的重要性能指標(biāo)，高功率密度(high power density，HPD)柴油機(jī)以其輸出功率大、轉(zhuǎn)速高、燃燒室體積小的特點成為柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展史上一個重要的里程碑[1-2]。由于與HPD柴油機(jī)配合的電控高壓共軌噴油系統(tǒng)具有良好的噴油特性，可保證柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性[3]，因此在HPD柴油機(jī)噴霧燃燒過程中起到關(guān)鍵作用。從長遠(yuǎn)來看，通過設(shè)計與優(yōu)化燃燒系統(tǒng)以達(dá)到最佳性能，從而改善發(fā)動機(jī)的空間很大[4]，因此研究噴油提前角和噴油夾角對深入研究HPD柴油機(jī)燃燒過程具有重要的意義[5]。

本文采用AVL Fire軟件針對5種噴油提前角和4種噴油夾角對HPD柴油機(jī)燃燒過程進(jìn)行三維計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)仿真研究，通過研究在壓縮和做功(580°～860°)行程時噴油提前角和夾角對燃燒過程的影響規(guī)律，為今后HPD柴油機(jī)噴油系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)。

1 模型的構(gòu)建及驗證

本文首先在Pro/E軟件內(nèi)建立燃燒室和活塞的幾何模型，然后向AVL Fire軟件的Workflow Manager模塊導(dǎo)入完整的三維模型，并在Fame Engine +模塊中完成動網(wǎng)格的劃分。為防止出現(xiàn)奇點，需在適當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行細(xì)化處理，幾何模型和網(wǎng)格切面圖如圖1所示。

圖1 幾何模型和網(wǎng)格切面圖

在Fire軟件中采用的湍流模型為k-epsilon模型，液滴破碎分裂模型為WAVE模型，液滴蒸發(fā)模型為Dukowicz模型，著火模型為Diesel模型，燃燒模型為EBU模型，NO排放模型為Extended Zeldovich模型，Soot排放模型為Kinetic模型。

噴油位置與油束分布如圖2所示。

該高功率密度柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速為3 800 r/min，單缸循環(huán)噴油量為206 mg，噴孔數(shù)為10，噴油提前角為6°，噴油夾角為157°，缸徑為109 mm，行程為109 mm，連桿長為183 mm，壓縮比為13.4，缸蓋溫度和活塞頂溫度均為493 K，氣缸壁面溫度為403 K，氣缸初始壓力和溫度采用實驗數(shù)據(jù)。仿真缸壓曲線與試驗曲線的對比如圖3所示。

圖2 噴油位置與油束分布圖

圖3 缸壓仿真值與實驗值對比圖

從圖可以看到仿真值與試驗值吻合較好。峰值壓力相差1.43%，仿真峰值相位滯后于實驗值1°，由于存在不可避免的誤差，因此基本可以認(rèn)定模型構(gòu)建的準(zhǔn)確性。

2 噴油提前角對燃燒性能的影響分析

噴油提前角對缸內(nèi)壓力和溫度的影響如圖4所示。由圖可知：缸內(nèi)溫度在燃燒前期增長很快，最高溫度出現(xiàn)在缸壓峰值后；隨著噴油提前角由-12°減小到-4°，缸內(nèi)最大壓力下降了22.3%，最高溫度下降了3.48%，壓力和溫度升高率的下降也使得柴油機(jī)工作更加緩和、噪聲更小。噴油提前角的減小使著火點和燃燒時刻推遲，同時滯燃期隨之縮短，在此期間噴入缸內(nèi)的燃油比重減少，油氣混合程度下降，使得缸內(nèi)壓力和溫度峰值降低并滯后。

圖4 不同噴油提前角的壓力和溫度對比曲線圖

噴油提前角對放熱率和累計放熱量的影響如圖5所示。由圖可知：放熱率曲線在燃燒前期增長很快，缸內(nèi)反應(yīng)劇烈,峰值大多出現(xiàn)在上止點附近，隨著噴油提前角由-12°減小到-4°，放熱率峰值逐漸偏離上止點位置，且逐漸降低。從累計放熱量曲線可直觀看出此區(qū)間內(nèi)放熱總量的對比情況。由于缸壓隨著噴油推遲而逐漸降低，低溫燃燒的趨勢使得峰值在熱功轉(zhuǎn)換效率損失增多的情況下降低，同時滯燃期隨噴油推遲而縮短，使得油氣混合程度下降，因此當(dāng)達(dá)到燃燒條件時，燃料燃燒放出的熱量顯著減少，從而推遲了放熱率峰值出現(xiàn)時刻。

圖5 不同噴油提前角的放熱率和累計放熱量

噴油提前角對NO和Soot生成的影響如圖6所示。由圖可知：隨著噴油提前角由-12°減小到-4°，NO生成速率逐漸下降，而Soot生成速率逐漸上升。NO生成速率由缸內(nèi)燃燒放熱的高溫狀態(tài)決定，隨著噴油的推遲，滯燃期縮短，油氣混合程度下降，缸內(nèi)溫度總體下降，因而需要高溫環(huán)境才能形成的NO生成時刻推遲。因為放熱率峰值隨著噴油推遲遠(yuǎn)離上止點，缸內(nèi)此刻無法維系較高的溫度，所以NO生成速率下降且總量減少，最后由于燃燒后期NO失去了高溫生成的條件，導(dǎo)致曲線保持水平狀態(tài)。

圖6 不同噴油提前角的NO和Soot生成

缸內(nèi)Soot的生成取決于缸內(nèi)環(huán)境和氧化氛圍[6]，在燃燒前期Soot在高溫缺氧環(huán)境下快速生成到達(dá)峰值，之后隨著油氣繼續(xù)混合，Soot又被快速氧化消減，最終其生成與氧化達(dá)到平衡而趨于穩(wěn)定。隨著噴油推遲，滯燃期的減小使油氣混合程度下降，缸內(nèi)溫度的降低使Soot氧化條件變差，再者由于噴油逐漸趨近于上止點，油氣初始混合空間減小，壓力增大，燃油在局部空間的濃度增大，導(dǎo)致Soot排放惡化。

圖7為5種噴油提前角的經(jīng)濟(jì)性能與排放性能對比圖。由圖可知，隨著噴油提前角的減小，功率下降，油耗率上升，NO排放下降，提前角-12°到-8°Soot排放下降明顯，之后略有上升。本文初始工況即噴油提前角為-6°時的油耗較高，且Soot排放不是最低；在噴油提前角為-8°時，油耗相對原機(jī)可以降低2.01%，Soot排放下降4.44%，較為合理；若噴油繼續(xù)提前，在噴油提前角為-12°時油耗雖然可以降低4.97%，但所付出的代價是增加67.11%的NO和205.77%的Soot排放。綜合考慮，此模型存在的最優(yōu)提前角為-8°。

圖7 5種噴油提前角的經(jīng)濟(jì)性能與

3 噴油夾角對燃燒性能的影響分析

為4種噴油夾角下速度場、溫度場、當(dāng)量比分布如圖8,9,10所示。由圖可知，速度場明顯反映出噴油夾角的變化，不同的夾角會影響空氣場的分布以及氣流運動。油束貫穿距[7]的變化對混合氣形成位置有直接影響：151°時油束多集中于凸臺，導(dǎo)致此處溫度較為集中，是NO主要形成區(qū)域；154°時溫度場變化微小，最高溫度與151°時相差不大；157°時溫度場繼續(xù)向上移動，油束落點位于燃燒室中心，利于上下空氣的卷吸，分布較均勻；160°時變化明顯，有大量油束在撞擊壁面后分散到燃燒室上部，使得凹坑底部溫度較低，Soot可能在此處大量產(chǎn)生。總之，4種噴油夾角的高溫區(qū)域在上止點后的分布有較大的差異，但最高溫度相差不大。

圖8 不同噴油夾角速度場分布云圖

圖9 不同噴油夾角溫度場分布云圖

圖10 不同噴油夾角當(dāng)量比分布云圖

當(dāng)量比在燃燒室內(nèi)的空間分布呈現(xiàn)顯著的差異。夾角151°時油束碰壁后無法順利向其他方向擴(kuò)散，在凹坑聚集了大量油束，產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致此處生成大量的NO，而燃燒室上方較低的空氣利用率導(dǎo)致燃燒不充分，放熱少；夾角154°時，燃油部分較夾角151°時偏向于燃燒室中心，對周圍空氣的利用率稍有改善，但變化不大；夾角157°和160°時，油束貫穿至喉口處，燃油在喉口處形成分流，促進(jìn)了燃油的擴(kuò)散，改善了油氣混合進(jìn)而提升了燃油燃燒效果，但較大的噴油夾角使得間隙中的燃油濃度過高[8]，反而可能出現(xiàn)燃燒不充分以及NO和Soot排放惡化的現(xiàn)象。

不同噴油夾角對壓力和溫度、放熱率和累計放熱量、NO和Soot生成的影響如圖11,12,13所示。由圖可知,噴油夾角對缸內(nèi)壓力、溫度以及放熱量的影響微小，隨著夾角的增大，缸內(nèi)壓力溫度以及NO生成水平上升，Soot生成水平有所下降，但在160°夾角時相較于其他工況變化明顯，NO和Soot生成水平都比較高。分析原因：151°夾角時的燃油大量集中在燃燒室凹坑內(nèi)，較高的溫度使得混合程度較差的油氣Soot排放增加，在燃燒后期由于燃油燃燒的不充分，在溫度逐漸降低的情況下再次產(chǎn)生大量的Soot排放，呈現(xiàn)出雙峰曲線；隨著夾角的增大，油氣混合情況得以改善，燃油蒸汽逐漸由燃燒室凹坑向喉口移動，大量燃油得到充分燃燒，雖然NO排放有所上升，但變化極小，且Soot排放下降明顯；夾角增大到160°時，放熱率與累計放熱量曲線都有明顯的上升，缸內(nèi)較高的溫度使得NO排放顯著增加，更多的燃油進(jìn)入到活塞頂與缸蓋之間的間隙中，此處較低的溫度不利燃燒的進(jìn)行，在燃油撞擊壁面向上下兩個方向擴(kuò)散時聚集在燃燒室凹坑內(nèi)和進(jìn)入活塞頂?shù)挠挽F蒸汽量較多，導(dǎo)致燃燒不充分，Soot排放峰值反而增大。

圖11 不同噴油夾角的壓力和溫度對比曲線圖

圖12 不同噴油夾角的放熱率和累計放熱量

圖13 不同噴油夾角的NO和Soot生成

4種噴油夾角的經(jīng)濟(jì)性能和排放性能對比圖如圖14所示?？梢钥闯?，隨著噴油夾角的增大，功率上升，油耗下降，NO排放上升，Soot排放下降。本文初始工況即夾角為157°時，功率、油耗以及NO、Soot排放適中；若夾角減小，油耗上升明顯，Soot排放會增加數(shù)倍；若夾角增大，油耗雖然下降了1.62%，但所付出的代價是大幅度增加了23.39%的NO排放。綜合考慮，此模型存在的最優(yōu)夾角為157°。

圖14 4種噴油夾角的經(jīng)濟(jì)性能和排放性能對比圖

4 結(jié)束語

本文利用AVL Fire軟件對仿真模型進(jìn)行標(biāo)定，驗證了模型的準(zhǔn)確性，并通過改變噴油提前角和噴油夾角，闡述了二者對HPD柴油機(jī)影響的普遍規(guī)律，分析了滯燃期、油氣混合程度、峰值爆發(fā)壓力和溫度以及NO和Soot排放規(guī)律，該規(guī)律為進(jìn)一步研究HPD柴油機(jī)的燃燒和排放奠定了基礎(chǔ)，例如不同燃燒室?guī)缀涡螤疃加衅淦ヅ涞淖顑?yōu)噴油提前角和噴油夾角。

本文所用幾何模型的噴油提前角和噴油夾角優(yōu)化為：模型所給出的初始噴油夾角為157°時的燃燒較為充分，功率和油耗以及產(chǎn)生的NO和Soot都在一個合理且較低的水平；初始噴油提前角為-6°時效果不是最佳，若再提前2°，即-8°時，在NO生成增加量可以接受的情況下，油耗可以降低2.01%，Soot排放可以下降4.44%。綜合考慮，此模型存在最優(yōu)噴油提前角為-8°、噴油夾角為157°。