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柴油机燃油喷射系统参数优化仿真研究

张国栋 李达 王桂华 白书战 李国祥 山东大学 济南250061

山东大学

关键词：柴油机，模拟，碳烟，排放。

摘要：

本文采用三维模型对一台六缸柴油机进行了数值模拟，通过改变喷油器的插入深度和喷油嘴的角度对燃烧和排放进行了优化，结果表明，适当的插入深度可以在不增加NOx生成量的前提下，提高涡流卷吸能力能力，减少碳烟的生成。 但是不适当的油束夹角会恶化余隙容积或燃烧室凹坑中的燃烧。与NOx排放相比，插入深度或油束夹角的变化对碳烟排放的影响更大，两者都可以在不显著影响NOx排放的情况下进行优化以减少碳烟排放。

简介：

柴油机的燃烧是一个复杂的过程，受一系列因素影响。燃油喷雾，气缸气流和燃烧室的形状共同决定了柴油机的燃烧，从而决定了动力性能，经济性能，NVH性能和发动机的排放[1]。随着新的柴油机排放法规越来越严格，进行清洁燃烧技术研究越来越必要了，燃油喷雾，气缸空气流量和燃烧室形状各方面的合理设计可以实现缸内燃烧性能优化，从源头上控制发动机排放，减轻后处理的工作量。调节NOx排放量和碳烟排放量的平衡关系，以满足适应后处理设备的实际要求。为了实现发动机的缸内燃烧性能优化，过去几十年的研究在燃烧室形状优化[2]，燃料理化特性修正[3]以及燃料供应系统参数调整[4]方面做了大量工作。喷射正时[5]，UMH喷射喷嘴[6]，喷雾特性[7]等是优化燃油供应系统的重要参数。仿真需要更少的时间和费用，研究周期更短，可以获得更多的研究结论，实验技术的发展提高了测试结果的准确性，例如气缸内的空气流动和温度，可以利用仿真分析与实验数据是否基本一致来考核仿真研究结论的准确性。本研究利用仿真软件CONVERGE建立了发动机的3d燃烧室模型，并模拟了不同喷油器的插入深度和喷油嘴的角度的燃烧过程，分析了这两个参数对发动机燃烧过程和排放产生的影响，即NOx产生和碳烟。的产生，为柴油机燃油喷射系统的设计和优化提供了参考。

初步分析：

燃油喷射后，随着燃油油束夹角雾夹带空气，当量比从内部逐渐减小。随着燃油喷雾的向前移动，一部分燃油继续沿活塞顶部移动，从而在余隙容积中形成了涡旋。另一部分燃料被燃烧室凹坑限制，沿着凹坑壁面移动，形成另一组涡流。

NOx的形成都需要高温和充足的氧气，但是缺氧区域中形成的碳烟会在充足的氧气和高温下被消耗掉。在燃油喷雾与燃烧室的凹形区域碰撞之前，在当量比较低的燃油喷雾外部形成了少量的NOx；碰撞后，随着燃料雾化的改善，首先形成了明显的NOx。碳烟在燃油喷雾的内部形成的同时在外部不断消耗。凹形燃烧室将喷雾分开后，在余隙容积和燃烧室凹坑中形成了两组涡流。相比之下，前者的氧气较少，产生的热量更多，后者的热量较少，并且有足够的氧。因此，两个区域中的燃料比例对于NOx生成控制和碳烟生成控制都是至关重要的。

模型和边界条件：

喷油器居中布置，八个喷嘴均匀布置，燃烧室沿气缸轴线对称。 为了减少计算量，本文采用了一个1/8燃烧室模型，其中心为45°角。 模拟持续时间为575°CA〜845°CA，进气门和排气门保持关闭状态。使用Hypermesh总共生成了1812个三角形网格。 使用2d网格作为燃烧室几何形状，根据测试发动机参数结合活塞运动，CONVERGE在计算过程中自动生成六面体网格，并在燃料喷雾，活塞顶部和其他具有较高速度或温度梯度的区域进行自适应网格细化。 最多生成267219个，最少生成10965个3d网格。 当活塞位于TDC时，三角形2d网格如图1所示。

图1. 2d网格。

燃烧模拟采用SAGE求解器[8]，以庚烷代替柴油，计算化学动力学机理下的燃烧过程。 排放模拟对NOx采用扩展Zeldovich NOx模型[9]，对碳烟采用Hioyasu模型[10]。 湍流采用Rapid Distortion RNG k-eps模型，喷雾破碎采用KH-RT模型[11，12]，液滴/壁相互作用采用壁膜模型，碰撞和聚结采用NTC碰撞模型，液滴阻力采用动态液滴阻力模型， 薄膜汽化模型已激活。 本研究使用了六缸柴油发动机，试验发动机的基本参数如表1所示。

表1.具体测试引擎。

每个气缸都有一个喷射器，该喷射器具有沿圆周均匀分布的8个喷嘴，油束夹角为150°，喷射器的插入深度为1.95mm。

结果与分析

仿真模型验证

通过试验和仿真得到了试验发动机在标准工况下的气缸压力曲线，仿真结果与试验结果的压力变化趋势相似，最大差值小于5％，如图2所示，仿真模型近似于实机工作条件。

图2.气缸压力曲线比较

仿真案例

该研究的变量是喷射器的插入深度和油束夹角。 将插入深度定义为喷嘴与气缸盖燃烧面之间的垂直距离。 通过分别调整每个变量，模拟和分析了两个变量对燃烧过程的影响，从而以最佳变量优化了燃烧室。 在油束夹角为150°的情况下，模拟发动机在h = 1.45mm，h = 1.7mm，h = 1.95mm，h = 2.2mm和h = 2.45mm时的燃烧，总共5例； 以1.95mm的插入深度，在角度= 140°，角度= 145°，角度= 150°，角度= 155°和角度= 160°时模拟发动机燃烧，总共5种情况。 将修改后的燃烧室的模拟结果与原始状态在h = 1.95mm，角度= 150°时进行比较。 仿真案例如图3所示。

图3.仿真案例

插入深度修正仿真与优化

如图4所示，随着喷油器的插入深度增加，喷雾完全移向气缸盖，更多的燃油将分配给余隙容积注入余隙容积的燃料动能损失较小，燃料的速度方向和燃料喷射方向的变化相对较小，因此燃料和空气的混合更加彻底，燃烧相对激烈。 随着插入深度的减小，喷雾将完全移向活塞，更多的燃料将分配到燃烧室，动能损失更大，燃烧效果也相对较差。

图4.不同插入深度（725°CA，730°CA，740°CA，从上到下）的当量比分布

如图5所示，随着喷油器插入深度的增加，余隙容积中的氧气充足性将降低，从而减少了NOx的产生。 分配给余隙容积的燃料将增加，从而增加了碳烟的形成，但是，碳烟的消耗将受到氧气不足以及碳烟与空气充分混合的两个矛盾因素的影响。 燃烧室中有足够的氧气，但燃料较少，可产生高温并产生NOx。 燃烧室凹坑的燃料较少，氧气充足，碳烟的产生会减少。 随着插入深度的减小，余隙容积中的氧气充足性将增加，从而增加了NOx的形成，而燃烧室中的NOx形成和整个气缸中的碳烟生成均受矛盾因素的影响，无法从理论估算中得出。

图5.不同插入深度（725°CA，730°CA，740°CA，从上到下）下NOx（左）和碳烟（右）的分布

如图6所示，最小NOx生成情况（h ＝ 2.45mm）显示出减少了2.2％（与原始状态h ＝ 1.95mm，角度＝ 150°，以下相同）。 在三种情况下碳烟生成量显着减少，最小碳烟生成量减少了13.6％（h = 2.2mm）。 一种情况，h = 2.45mm，具有最高的碳烟形成峰值，这是因为更多的分配到燃烧室的燃料增加了碳烟形成，但碳烟的生成最终减少了，因为涡流卷吸能力加强增加了碳烟消耗，这是碳烟生成过程的主要因素。

图6.不同插入深度下的NOx和碳烟生成

油束夹角修正仿真与优化

如图7所示，随着油束夹角的减小，分配给余隙容积的燃料将显着减小，而径向速度降低。 更多的燃料将以相对较高的轴向速度分配到燃烧室中，从而在燃烧室中卷吸空气，同时也卷吸燃料，后者会阻碍燃烧效率。 随着油束夹角的增加，分配给燃烧室的燃料将显着减少，轴向速度降低； 更多的燃料将以相对较高的径向速度分配到余隙容积，但是氧气不足会阻碍余隙容积内的燃烧过程。

图7.不同油束夹角下的当量比分布（在725°CA，730°CA，740°CA，从上到下）

如图8所示，随着油束夹角的减小，余隙容积中的氧气充足性将增加，而较少的燃料将减少产生NOx的高温区域。在较低的径向速度下，燃料和空气将更彻底地混合并减少碳烟的形成，此外，余隙容积中足够的氧气会增加碳烟的氧化。燃烧室中的氧气更少，高温区域更大，这是NOx产生的两个矛盾因素。随着更多的燃料分配到燃烧室中碳烟的形成将增加，但是由于涡流同时卷吸了空气和燃料，因此碳烟的消耗可能太复杂而无法估算。随着油束夹角的增加，更多的燃料分配到余隙容积，余隙容积中的氧气充足性将显着降低，从而减少了NOx的形成。随着燃料分布的增加，碳烟的形成将增加，并且氧气不足将阻碍碳烟的氧化。燃烧室中的NOx生成很复杂，并且难以估计；如果使用较少的燃料和足够的氧气，则在燃烧室中形成的碳烟将不那么重要，并且会被彻底氧化。

图8.不同油束夹角（725°CA，730°CA，740°CA，从上到下）下NOx（左）和碳烟（右）的分布

如图9所示，在角度= 160°时，最小NOx产生量减少了28.9％，而碳烟产生量却增加了224％。 在角度= 145°时，最小碳烟生成量减少了46.3％，但NOx生成量仅增加了1.4％。 较大的油束夹角将使余隙容积中的燃烧变差，减少NOx的产生，但过度增加碳烟的形成； 较小的油束夹角会恶化燃烧室中的燃烧，这也会增加碳烟的形成。

图9.不同油束夹角下的NOx和碳烟生成

总结

（1）适当增加插入深度将增强旋涡的卷吸能力并增加碳烟消耗，而不会增加NOx的产生。 在2.45mm处的最佳插入深度可将NOx生成减少2.2％，并将碳烟生成减少13.6％。

（2）不合适的油束夹角会恶化余隙容积或燃烧室内的燃烧。 最佳油束夹角为145°时，碳烟生成量显着降低了43.6％，而NOx生成量仅略微增加了1.4％，实现了NOx与碳烟生成之间的平衡。

（3）插入深度和油束夹角的变化对碳烟生成的影响比NOx生成更大，并且两者都可以进行优化实现以减少碳烟排放而不影响NOx排放显着。

致谢

该研究由潍柴控股集团有限公司提供资金支持。

参考文献：

1. G. Chen, S. Ma, B. Mao, et al., Development of Combustion System of a Low-Emission Heavy-Duty Diesel Engine with EGR, J. Transactions of CSICE 31(2013) 310-317.
2. S. Jaichandar, K. Annamalai, Effects of open combustion chamber geometries on the performance of pongamia biodiesel in a DI diesel engine, J. Fuel 98 (2012) 272–279.
3. X. Lu, X. Zhou, L. Ji, et al., Experimental studies on the dual-fuel sequential combustion and emission simulation, J. Energy 51 (2013) 358-373.
4. C. Zhao, C. Song, X. Li, et al., Influence of Fuel Injection System Parameters on Combustion and Emissions of a Diesel Engine, J. Transactions of CSICE 26(2008) 505-512.
5. T. Fang, Chia-fon F. Lee, Low sooting combustion of narrow-angle wall-guided sprays in an HSDI diesel engine with retarded injection timings, J. Fuel 90 (2011) 1449–1456.
6. X. Miao, X. Wang, J. Yu, et al., Experimental Investigation on Fuel Injection Rate of UMH Nozzle, J. Transactions of CSICE 26(2008) 307-312.
7. J. Hao, B. He, C. Jin, Effects of Diesel Engine Combustion Chamber Matching Parameters on Wall Impinging Spray Cha

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