喷油时刻和进气压力对直喷柴油机性能影响的利用CFD的仿真研究

摘要：

本文介绍了利用CFD模型来仿真研究不同喷油定时和进气压力（自然吸气和增压条件）时直喷（DI）柴油机在不同瞬态工况下的性能。本次研究选用的是一个单缸直喷式柴油机，它有两个与气缸壁相切进气口，并且排气口也有所涉及。选定柴油机恒定转速1000转，探讨其喷油时刻（喷油提前角分别为16，12,8CAD bTDC）和进气压力（1.01,1.21,1.71bar）对其性能的影响。在驾驶条件下的吸气和压缩冲程期间，CFD预测结果已经通过文献中的实验结果验证。利用 Magnusson的涡流分解模型用于燃烧模拟，介绍和讨论了预测的性能和排放特性，如压力，温度，放热，NOx和烟尘。预测值表明，如果延迟喷油正时将导致气缸内压力、温度、放热率、累计放热量和NOx的排放都提高，提前喷油正时则可以让这些参数下降。直到某一曲轴转角，碳烟排放增加，然后排放减少。增压中冷柴油机的放热率峰值和最大累积放热量都下降，点火延迟缩短，NOx排放增加，碳烟(SOOT)排放减少。

关键词：柴油机，CFD，进气道，涡流比，喷油正时，进气压力，温度，排放

1绪论：

与任何其他类型的内燃机相比，柴油机因其良好的动力性能和燃油经济性而闻名。 注入柴油机的燃料必须与空气混合并形成可燃混合物，因而可通过控制可燃混合物的制备特性控制其燃烧速率，烟雾和颗粒的形成以及排放水平。 由于燃油-空气混合不均匀且混合物在燃烧室内分布不均匀使得柴油机的燃烧过程非常复杂。对应不同的发动机功率与效率，可通过控制喷油定时以及燃油与空气的混合从而控制热量释放速率得以实现。

直喷式柴油发动机的燃烧在动力注入点开始，由两个不同的阶段组成：点火延迟和放热时间。点火延迟是实际燃油注射点和点火开始之间的时间间隔，取决于气缸压力，温度和燃料化学性质。在DI柴油发动机中，点火延迟是压缩比，涡流比和速度的函数。放热期由两种不同的燃烧方式组成，即预混燃烧和扩散燃烧。最初，大多数燃料以预混模式燃烧，直到点燃之前准备好燃烧的燃料空气混合物被耗尽。在这一点之后，燃烧仅在扩散模式中进行，直到燃烧结束^[24]。燃料的放热速率会引起发动机气缸内气体压力和温度的变化，并严重影响发动机的燃油经济性，动力输出和排放，同时它也可以很好地洞察发动机中发生的爆炸过程。喷油正时提前时烟雾浓度下降，然而若喷射正时提前太多，由于制动器热效率的降低，烟雾浓度水平升高，这导致在任何给定输出下的燃料输入增加。由于更高的制动器热效率、预混燃烧阶段的增加和燃料消耗的降低，推进喷射正时在一定程度上可以降低烟气浓度。

NOx的形成速率与温度呈指数关系。燃烧室内的高温相对较短，均匀的预混燃烧导致较高的NOx形成速率，因而可以通过减少预混合燃烧速率即通过抑制初始注入来降低NOx。初始燃烧时降低峰值温度可降低NOx排放，但是降低燃烧室中的峰值温度会降低热效率，这是不希望出现的。此外，同时减少NOx和颗粒物排放是困难的。柴油发动机排放控制技术的特点是 “NOx与PM权衡”。这种权衡是指NOx和PM的排放此消彼长，不可大幅度同时降低。柴油机设计人员必须平衡这种权衡，以实现NOx和PM的兼容性。可以通过适当控制预混合和扩散燃烧阶段优化的燃烧来实现柴油发动机排气中的NOx和颗粒物排放的同时减少。具体措施有将吸入的空气通过增压来强制进入气缸，以燃烧相同数量的燃料并保持原始的发动机功率密度，或使DI柴油发动机以超稀混合运行，以同时减少NOx和烟尘排放^[9] 。增加进气旋流速度有助于减少烟尘排放，尽管NOx排放增加。增压可以有利地增强扩散燃烧，从而提高燃油经济性，延迟喷油正时和减少排放。旋流和增压也是影响缸内气流模式的主要参数^[17]。Uchida等^[18]表明，当进气压力提高时，进气增压对废气排放和燃料消耗都有有利影响。因此，进一步调查进气压力对废气排放的意义重大。

Sayin和Canakci ^[3]对单缸柴油发动机进行了实验研究，以研究喷射正时对使用乙醇混合柴油的发动机性能和废气排放的影响。与标准喷油正时的结果相比，延迟喷油时刻，NOx和CO₂排放量增加，未燃烧HC和CO排放减少。另一方面，随着喷油时刻提前，HC和CO排放减少，NOx和CO₂排放提高。 Li等^[9]通过实验研究了单缸DI柴油发动机的各种进气成分和进气压力对燃烧和排放特性的影响。结果表明当进气压力增加时，点火延迟和预混合燃烧减少，而扩散燃烧稍微增强。Uchida等^[17]研究了增压，进气旋流和燃油喷射速率对柴油机燃烧的影响，以减少NOx和颗粒物的排放，而不影响性能。结果表明使用中冷增压系统可以提高燃油经济性，减少NOx的排放。随着喷射时间的延长，喷射速率的提高也降低了颗粒物和NOx的排放，而不会降低燃油经济性。 Nwafor等^[19]和Nwafor ^[20]对柴油-天然气和柴油- 植物油燃料进行了燃烧研究，采用相同的发动机在标准喷油正时和提前喷油正时下进行实验。据指出，更长的喷油延迟导致太多的燃料准备好参与预混燃烧，压力上升率增加，柴油机燃烧室发生爆震。替代燃料则表现出更长的延迟时间和较慢的燃烧速率，特别是在低负荷运行条件下，可通过提前喷油时间来补偿这些影响。点火延迟可通过提前喷油正时而减少，但往往会导致油耗的轻微增加。对于低速运行，建议采用适中的喷油正时提前。 CO和CO₂排放随着喷油正时的延迟而减少。Payri等人^[22]在配有两个进气门的DI柴油机的进气和压缩冲程期间进行缸内流动分析。通过使用CFD以及激光多普勒测速仪，分析并比较不同燃烧室的几何流量。他们发现在最大气门升程时获得了最大的涡流和湍流速度值，并且在进气冲程的第二部分期间保持了最大涡旋水平。活塞的几何形状在压缩冲程的第一阶段对流动特性的影响可以忽略不计，并且当活塞接近TDC时发现了显着的影响。

从上述文献综述可以看出，对CI发动机流场的CFD分析有重大意义。 经过审查可以得知，喷油正时和进气压力的对柴油机的影响尚未得到系统的分析。 因此，本文提出分析上述两个参数对使用CFD的DI柴油发动机性能的影响， 希望目前的努力将弥补这一空白。

本文的目的是介绍对重型DI柴油发动机性能特点的综合CFD研究结果。所采用的方法分为两部分：预测结果的验证和考虑发动机性能的分析。为了验证，进行吸气和压缩冲程的计算，并将预测结果与可用的实验数据进行比较。将获得的涡流比，径向速度和湍流强度与激光多普勒测速（LDV）测量进行比较^[22,23]。在第二部分，对不同喷油正时和不同进气压力的燃烧过程的CFD预测进行了讨论，其预测值包括气缸压力，温度，放热，NOx和烟尘排放，从而详细分析燃烧过程。特别地，对不同的喷油正时和不同的进气压力所观察到的差异进行讨论，得出了适当的结论。这些都有助于研究喷油正时和进气压力对燃烧特性的影响。

2发动机几何计算：

本文研究了具有两个定向进气口的环形燃烧室的单缸DI柴油发动机，其端口与气缸壁相切，并且有两个排气口。 该发动机的几何参数和燃料喷射参数详见表1。研究中采用预处理器GAMBIT创建引擎的整个计算领域，采用计算流体动力学的代码STAR-CD来控制方程的解决方案和后处理结果。 用于仿真的计算网格如下图1所示。对于505,542个单元，整个计算领域采用六面体块结构化网格。 表1

3数学模型：

通过求解三种方程（质量守恒，动量守恒和能量守恒）来模拟气缸内混合气流动，以及计算燃烧时的物质浓度。

3.5 NOx建模：

氮氧化物是柴油发动机生产的主要空气污染物。 NOx浓度对流场有一定的影响。 NOx反应的时间跨度大于湍流混合过程的时间跨度和控制散热反应的烃的燃烧时间跨度。 因此，NOx的计算可以与主反应流场分离。已经确定了在液化混合气燃烧期间形成一氧化氮有两种机制，即：热力型NOx和温度型NOx。

3.5.1 热力型NOx：

热力型NOx（取决于温度）是大气氮与氧气在高温条件下氧化反应而产生。对于热力型一氧化氮，主要反应一般被认为是由以下三种扩展的Zeldovich机制提出：

这些反应的速率常数已经在许多实验研究中测量^[6,15]，并且从这些研究获得的数据已经得到Baulch等^[2]的评估认证。 基于Baulch等^[2]的反应速率系数（32） -（34）的表达式如下：

（35）

（36）

（37）

（38）

（39）

（40）

其中K1，K2和K3是正向的，，和分别是反应（32）- （34）的反向速率常数。

热力型NOx的形成仅在高温下才有意义，因为氮的热固定需要破坏强N₂键。 该效应由反应方程式的高活化能表示，这使得该反应是Zeldovich机制的速率限制。 N的氧化活化能很小，因此可以建立准稳态。 基于这一假设，NO的瞬时形成速率为：

如果这些不是由燃烧模型计算，则必须假设获得O，OH和H基团的浓度。

3.5.2 温度型NOx

由碳氢化合物和分子氮的反应形成温度型NOx。它具有弱的温度依赖性，寿命只有几微秒。 这种机制对柴油发动机NOx排放的影响在燃烧室附近富含混合物的区域很显着。温度型NOx的产生率由De Soete ^[4]给出，

[O2]，[N2]和[Fuel]的单位是。氧反应顺序b取决于实验条件。根据De Soete^[4]b随着氧基摩尔分数XO₂的变化如下：

3.6 SOOT建模

在Arrhenius单步中写出的烟尘排放模型，其形式认为烟灰质量的变化率等于氧化形成速率降低速率^[8]：

M_fv是燃料蒸汽质量，P是压力，，。

氧化速率采用Nagle Strickland-Consta氧化模型^[16]

其中Mc是碳的分子量，是烟灰密度（2g /），Ds是烟灰直径（30nm），并且：

是氧的分压，速率常数以g /为单位

4方法：

利用计算流体动力学的代码STAR-CD解决离散Navier-Stokes方程。利用基于压力校正方法，并使用PISO算法的具有标准壁功能的RNG k-e模型进行物理建模。利用一阶逆风差分法（UD）用于计算隐含时间离散化的动量，能量和湍流方程。使用逆风分解方案对动量，湍流动能/耗散和温度以及密度的中心差分方案进行空间分解。时间离散使用隐式方案完成。组合层流和湍流特征时间燃烧模型与自燃模型用于表征点火和燃烧。 Reitz-Diwaker模型^[25]用于表征基于壁面反弹边界条件下的液滴分解。用于确定液滴尺寸变化的模型是Reitz和Diwakar的模型，其数学上表示液滴的维数是韦伯数的临界值。单一平流和重建方案（MARS）[STAR-CD Methodology Volume]用于离散物种的标量。 NOx的排放通过使用扩展的Zeldovich机制来建模。烟尘排放模型用Arrhenius单步形式写入，通过记录烟灰的质量变化率来模拟烟尘排放。

5边界和初始条件：

设定进气口和排气口符合恒压边界条件，因此动态效应可忽略。不考虑气缸壁的影响，即使用湍流边界条件的平滑壁选项。压力和温度的初始值在整个研究过程中被认为是均匀的。忽略排气冲程末端气缸中的流动的残余涡流，所以流动最初应该是静止的。 初始湍流强度设定为平均流量的5％，并用Prandtl的混合长度模型估算积分长度尺度。 吸进气道侧壁，出气道侧壁和气缸盖，以及形成燃烧室气缸壁和活塞顶盖都设定为绝热。

7结果与讨论：

基于验证所获得的信心，本研究倾向于评估燃油喷射正时和进气压力对柴油机性能和排放的影响。 关于喷射正时和进气压力对性能和排放的影响的综合研究如下：

7.1喷油正时的影响

进行模拟以研究燃料喷油正时对以1000rpm的速度运行的发动机的性能的影响。实验中所选用的喷油正时（SOI）有16L，12L和8L bTDC以及所有步骤在本研究中的各种情况下都有所考虑。

图6和图7显示了三个喷油定时（SOI下）获得的气缸平均压力和温度曲线。表4显示了三个喷油定时所获得的峰值气缸压力和温度。可以看出提前喷油定时造成较高的峰值压力和温度，延迟喷油定时造成较低的峰值压力和温度，并且都与基准情况有关。当喷油正时提前时，气缸内的压力和温度不足以点燃燃料，因此在点火延迟期间会产生大量的蒸发燃料。 反之，在延迟喷油正时的情况下，气缸内部的压力和温度足以点燃燃料，并且在点火延迟期间产生相对少量的蒸发燃料。<!--

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