1、噴油定時和渦流比對低溫燃燒影響的模擬研究張志強1，趙福全1,2，李理光1,3，吳志軍1(1.同濟大學汽車學院，上海 200092；2.浙江吉利汽車研究院，杭州 311201；3.同濟大學中德學院，上海 200092)摘要：基于計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics -CFD）軟件和耦合自行編寫的程序，對一臺柴油機進行低溫燃燒模擬研究，對比分析不同廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation -EGR）率、噴油定時和渦流比對燃燒和排放的影響。結(jié)果表明，隨著EGR率增大，燃燒放熱過程滯后，缸內(nèi)壓力、溫度和放熱率峰值和累計放熱量降低，壁面油膜生成增

2、加，氮氧化物（Nitric Oxide -NOx）排放大幅降低的同時，碳煙（soot）、未燃碳氫化物（Unburned Hydro Carbons UHC）和一氧化碳（Carbon Monoxide -CO）排放增加；固定EGR率為40%的同時將噴油定時從353°CA（CA Crank Angle）提前至345°CA，可使燃燒放熱過程適當提前，并有利于提高熱效率和改善燃油經(jīng)濟性；保持EGR率為40%，噴油定時為345°CA時，隨著渦流比的增大，soot和UHC排放減少，而CO排放出現(xiàn)先減少后增大的趨勢，渦流比為3.0時，綜合效果較好。關(guān)鍵詞：低溫燃燒，噴油定時，渦

3、流比中圖分類號：TK421+.2 文獻標識碼：AA Simulation Study on the Effect of Start-of-Injection and Swirl Rate on the Low Temperature Combustion ZHANG Zhi-qiang 1, ZHAO Fu-quan 1,2, LI Li-guang Li1,3, WU Zhi-jun 1(1. School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai,200092;2.AutomobileEngineering Institute,

4、Zhejiang Geely Holding Group Co., LTD, Hangzhou, 311201;3.CDHK, Tongji University, Shanghai 200092）基金項目：“高等學校創(chuàng)新引智計劃資助”111項目(B08019)；上海市重點學科建設(shè)項目（B303）。作者簡介：張志強（1985- ），博士研究生，研究方向：內(nèi)燃機燃燒與排放控制，Email:zhiqiangbucy126 通訊 趙福全（1963- ），博士，教授，研究方向：內(nèi)燃機燃燒與排放控制，Email: Zhaofqgeely 基金項目：“高等學校創(chuàng)新引智計劃資助”111項目(B08019)；

5、上海市重點學科建設(shè)項目（B303）。作者簡介：張志強（1985- ），博士研究生，研究方向：內(nèi)燃機燃燒與排放控制，Email:zhiqiangbucy126 通訊 趙福全（1963- ），博士，教授，研究方向：內(nèi)燃機燃燒與排放控制，Email: Zhaofqgeely Abstract: Based on the CFD simulation software and coupled with the written codes, a study on the effect of the EGR, start of injection and swirl rate on the low tem

6、perature combustion is conducted. The results show that the combustion and heat release lag, the cylinder pressure, temperature, peak of heat release rate and accumulated heat release decrease, nevertheless the wall-film increase with the increased EGR rate. Besides, NOx emissions decrease drastical

7、ly with the increased EGR rate, meanwhile soot, UHC and CO emissions increase. When the EGR rate is kept constant at 40%, and the start of injection is advanced from 353°CA to 345°CA, the combustion and heat release are advanced, the efficiency and fuel economy are improved. When the EGR r

8、ate and start of injection are kept constant at 40% and 345°CA, with the increased swirl rate, the soot and UHC emissions is decreased, meanwhile CO emissions has a trend that first decreased than increased. There is the better effect when the swirl rate is 3.0.Key words: low temperature combus

9、tion, start of injection, swirl rate為了改善柴油機的排放和提高燃油經(jīng)濟性，國內(nèi)外學者們提出了多種不同的新型燃燒方式，如均質(zhì)壓燃（Homogeneous Charge Compression Ignition - HCCI）、預混充量壓燃（Premixed Charge Compression Ignition-PCCI）和低溫燃燒（Low Temperature Combustion-LTC）等。其中低溫燃燒方式主要通過較大EGR率1或可變壓縮比2，實現(xiàn)缸內(nèi)溫度的降低和延長滯燃期來促進燃油和空氣的混合，以達到同時降低NOx和soot排放的目的。低溫燃燒方式可

10、以在較濃的混合氣條件下實現(xiàn)，適用的工況范圍相比HCCI和PCCI得到了進一步的拓寬，因此低溫燃燒已成為了近年來柴油機燃燒研究的熱點。相關(guān)研究表明3，引入大量的廢氣會使得缸內(nèi)氣體比熱容的增加，進而導致燃燒過程滯后和放熱量減少。為了保證燃燒過程順暢進行和提高作功效果，在采用了大EGR率后，原先的噴油時刻（Start of Injection-SOI）必須相應(yīng)地進行調(diào)整。另外大量的試驗和模擬研究4-6發(fā)現(xiàn)低溫燃燒模式下存在新的排放物生成之間的trade-off關(guān)系：（NOx & soot） VS （UHC & CO）。因此在低溫燃燒的相關(guān)研究中，如何保證較少的NOx和soot排放的同

11、時，減少UHC和CO排放及提高燃燒效率是一個急需解決的課題。隨著可變渦流比技術(shù)在柴油機上的普及，對不同工況下采用不同渦流比（Swirl Rate- SR）來優(yōu)化燃燒過程得到了廣泛的研究，如趙昌普等人7的研究表明，適度的SR可以有效的促進燃油和空氣的混合，并有利于減少soot，而過大的SR可能會導致相臨的霧束之間發(fā)生干涉，甚至對霧化和燃燒帶來不良影響。Kook和Helmantel等人8,9的研究發(fā)現(xiàn)，適當?shù)腟R不僅能夠有效的促進soot的氧化，并且有利于獲得最少的CO排放。由此可知，通過優(yōu)化SR有望能夠改善低溫燃燒中的soot、UHC及CO排放問題。為此，本文基于仿真模擬手段，首先分析不同EGR

12、率對低溫燃燒造成的影響；然后采用不同SOI來優(yōu)化和改善燃燒過程，并獲得最佳的SOI；最后對比研究三種不同的SR對燃燒和排放的影響，分析獲得效果最佳的SR。1 計算模型和計算工況1.1 計算模型及驗證本文以某款高壓共軌高速輕型柴油機為基礎(chǔ)，搭建模型，該柴油機的基本參數(shù)如表1所示。表1 柴油機基本參數(shù)Tab.1 Parameters of the diesel engine參數(shù)/單位參數(shù)值缸徑×沖程/mm85×88.1連桿長度/mm149壓縮比16.2排量/L2.0最大扭矩/N · m (轉(zhuǎn)速/( r · min-1)300 (2200)標定功率/kW (轉(zhuǎn)

13、速/( r · min-1)100 (4000)由于該柴油機燃燒室具有軸對稱特點，為節(jié)省計算時間，根據(jù)噴油器噴孔數(shù)（8孔），計算區(qū)域取為完整燃燒室的1/8，計算過程從進氣門關(guān)閉時刻（213°CA），到排氣門打開時刻（499°CA）。圖1 上止點時燃燒室網(wǎng)格Fig.1 Calculation model mesh on the TDC圖1給出位于上止點時刻的燃燒室網(wǎng)格，其側(cè)壁邊緣凸起部分是燃燒室補償容積，該補償容積能夠保證在不同曲軸轉(zhuǎn)角下壓縮比的一致性10，整個燃燒室網(wǎng)格數(shù)為24127個。模型中物理化學過程所采用的計算模型如表2所示：表2 計算模型Tab.2 Sim

14、ulation model物理化學過程模型湍流運動Eddy-Viscosity模型噴霧破碎Wave模型壁面油膜生成Wallfilm模塊燃燒過程ECFM-3Z模型NOx生成Extended Zeldovich模型soot生成Kennedy/Hiroyasu/Magnussen模型為了驗證所建模型的準確性，以最大扭矩條件（轉(zhuǎn)速為2200 r/min,每循環(huán)噴油量為60 mm3）進行模擬計算，模擬計算得到的缸內(nèi)壓力與試驗結(jié)果進行對比如圖2所示，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果和試驗結(jié)果基本一致，證明所建模型是合理和準確的，并能夠應(yīng)用于后續(xù)模擬研究。圖2 試驗和模擬的缸壓對比Fig.2 Comparison of the

15、 experimental and simulatedcylinder pressure1.2 計算工況所計算的轉(zhuǎn)速為2200 r/min，每循環(huán)噴油量為30mm3，其他計算工況參數(shù)如表3所示。 表3 模擬計算工況參數(shù)Tab.3 Parameters of the simulation condition參數(shù)/單位參數(shù)值EGR率/%0,20,40,60SOI/°CA 353,350,345,340SR /-1,3,52 模擬研究結(jié)果2.1不同EGR率對低溫燃燒過程的影響圖3給出不同EGR率下的缸內(nèi)壓力、溫度、放熱率和累計放熱量的對比。從圖3a和3b可知，缸內(nèi)壓力和溫度的峰值隨著EGR

16、率的增大而降低，這是由于廢氣的引入導致缸內(nèi)氣體比熱容增大和對燃燒過程造成一定地延遲和阻滯所致。不同EGR率下放熱率和累計放熱量的對比如圖3c所示， 由于EGR帶來的熱效應(yīng)和化學效應(yīng)導致滯燃期增大（如圖4所示），進而造成燃燒放熱過程相應(yīng)滯后。同時隨著滯燃期的增大，滯燃期內(nèi)噴射的燃油較多，放熱率的峰值較高。而在EGR為60%時，卻出現(xiàn)最小的放熱率峰值和累計放熱量，這主要是由于EGR率過高，使得過量空氣系數(shù)太?。▋H為1.7），導致燃燒效率大幅降低所致。a. 缸內(nèi)壓力對比b. 缸內(nèi)溫度對比c. 放熱率和累計放熱量對比圖3不同EGR率下缸內(nèi)壓力、溫度、放熱率和累計放熱量的對比Fig.3 Pressure

17、, temperature, rate of heat release and accumulated heat release with different EGR rates指示熱效率 - i和指示燃油消耗率- BISFC（Indicated Specific Fuel Consumption- ISFC）隨著EGR率的變化關(guān)系如圖4所示，隨著EGR率的增大，i 減小而BISFC增大，這主要是由兩個方面的原因所導致：一是EGR率的增大導致累計放熱量的減少，二是EGR率的增大導致燃燒放熱過程滯后，從而作功效果變差。圖4 不同EGR率下滯燃期、i和BISFC對比Fig.4 Ignition d

18、elay, indicated thermal efficiency and indicated fuel consumption with different EGR rates燃油在噴射過程中，不可避免地會噴射到燃燒室面、缸壁面和缸蓋底面等內(nèi)部壁面，同時由于這些區(qū)域內(nèi)的溫度較低和氣流運動相對較弱，燃油會富集從而逐漸形成油膜，油膜的存在會導致UHC排放較多11，換言之，如果能夠減少油膜，對減少UHC排放和提高燃油經(jīng)濟性是非常有利的。為此針對不同EGR率進行壁面油膜生成研究是非常重要的。不同EGR率下形成的油膜質(zhì)量如圖5所示，隨著EGR率的增大，油膜質(zhì)量急劇上升，在EGR率為0%時，油膜質(zhì)量僅

19、為1.71×10-7kg，而在EGR率為60%時，油膜質(zhì)量迅速上升到3.38×10-7kg，即EGR率為60%時的油膜質(zhì)量約為EGR率為0%時的兩倍，這主要是由于這兩種EGR率下的缸內(nèi)溫度相差較大（如圖3b所示），大EGR率下的低溫狀態(tài)，不利于油膜的蒸發(fā)，并導致油膜大量生成，進而將導致UHC排放增加。圖5不同EGR率下油膜質(zhì)量對比Fig.5 Wall-film mass with different EGR rates大量的基礎(chǔ)燃燒學研究12,13表明柴油機的燃燒過程中NOx和soot生成區(qū)域會滿足如圖6所示的燃空當量比和溫度條件。為了研究四種EGR率下的柴油機仿真計算網(wǎng)格

20、單元的燃空當量比/溫度分布特點，耦合自行編寫的程序，將CFD軟件中計算得到的燃空當量比和溫度等細節(jié)信息輸出，并統(tǒng)一繪制到圖6中，可知隨著EGR率的增大，計算網(wǎng)格單元的燃空當量比/溫度的分布逐漸移向低溫區(qū)域，即遠離易于生成NOx和soot區(qū)域。但是隨著EGR率的增大，導致過量空氣系數(shù)的減少，燃空當量比逐漸變大，燃燒室中會出現(xiàn)大量的混合氣過濃的區(qū)域，這將非常不利于減少UHC和CO排放。a. EGR0%b. EGR20%c. EGR40%d. EGR60%圖6 不同EGR率下上止點時計算網(wǎng)格單元中的燃空當量比/溫度分布*Fig.6 Fuel-air stoichiometric ratio &

21、; temperature on the TDC with different EGR rates*NOx和soot的生成區(qū)域見參考文獻12和13過量空氣系數(shù)()、NOx、soot、UHC和CO對比如圖7所示，隨著EGR率的增大，隨之減少，NOx排放急劇降低。soot、 UHC和CO排放在EGR率增大到40%以前，隨著EGR率的增大而小幅增大，但在EGR率為60%時急劇增加，這是由于缸內(nèi)燃空當量比過大所致（如圖6d所示）。圖7 不同EGR率下過量空氣系數(shù)*、NOx、soot、UHC、和CO排放對比Fig. 7 , NOx, soot, UHC and CO emissions with dif

22、ferent EGR rates*過量空氣系數(shù)為無量綱量2.2 不同SOI對低溫燃燒的影響研究從前述的分析可知，采用大EGR率后，燃燒放熱過程相對無EGR率時出現(xiàn)滯后，從而導致動力性和經(jīng)濟性受損。為達到更為理想的燃燒和作功效果，本文在采用固定EGR率（40%），將SOI分別提前至350°CA、345°CA和340°CA，并與原始SOI（353°CA）進行對比分析。圖8給出了缸內(nèi)壓力、放熱率和累計放熱量隨SOI變化關(guān)系，可知隨著SOI的提前，峰值壓力出現(xiàn)的相位越早，同時峰值壓力越大；放熱率隨著SOI的提前而提前，并且放熱率的峰值隨著SOI的提前而越??；累計

23、放熱量隨著SOI的提前而略有減少。 由于SOI的提前，燃油噴射時缸內(nèi)的溫度和壓力較小，不利于燃油的燃燒，所以滯燃期隨著SOI的提前而增大，如圖9所示。i和BISFC隨著SOI的提前分別有所提高和減少，這主要是由于適度提前噴油，能夠避免由EGR率而帶來的燃燒放熱過程滯后，從而改善熱效率和燃油經(jīng)濟性。但是在SOI為340°CA時，i反而最低，同時BISFC最高，這主要是由于噴油時刻過早，放熱過程和缸內(nèi)壓力上升過程發(fā)生在上止點前，即燃燒過程所作的功中有較大部分為負功。a. 缸內(nèi)壓力對比b. 放熱率和累計放熱量對比圖8 不同SOI下缸內(nèi)壓力、放熱率和累計放熱量對比Fig.8 Pressure

24、, rate of heat release and accumulated heat release with different SOI圖9 不同SOI下滯燃期、i和BISFC對比Fig.9 Ignition delay ,indicated thermal efficiency and indicated fuel consumption with different SOI不同SOI下的生成的油膜質(zhì)量對比如圖10所示，隨著SOI的提前，油膜質(zhì)量增大，這是由于噴射過程越早，缸內(nèi)溫度越低，不利于燃油的蒸發(fā)，同時在SOI為340°CA時，噴射時刻過早，霧束甚至會偏離燃燒室而直接噴到

25、燃燒室頂部或缸壁區(qū)域而導致油膜質(zhì)量大幅增加。圖10 不同SOI下油膜質(zhì)量對比Fig.10 Wall-film with different SOI不同SOI下的NOx、soot、UHC和CO排放如圖11所示，NOx隨著SOI的提前而有一定的增加，但相比沒有EGR時仍為非常少。soot、UHC和CO排放隨著SOI的提前而有一定的減少。圖11 不同SOI下NOx、soot、UHC和CO對比Fig.11 NOx, soot, UHC and CO with different SOI2.3不同SR對低溫燃燒的影響研究為了進一步探討改善低溫燃燒排放的途徑，本文在采用固定EGR率（40%）和固定SOI（

26、345°CA），采用不同的SR（分別為1.0、3.0和5.0），對比分析其對低溫燃燒的影響。圖12給出了缸內(nèi)壓力、溫度和湍動能隨SR變化的關(guān)系，SR變化對缸內(nèi)壓力的影響基本不大。而缸內(nèi)溫度隨著SR的增大，峰值溫度有一定的降低，這主要是由于SR的增大，能夠促進燃油蒸發(fā)吸熱和氣流運動所致。缸內(nèi)湍動能隨著SR的增大而增大，尤其是在350°CA附近和380°CA以后，這對改善噴射過程的霧化效果和減少排放物非常有利。如圖13所示，不同SR下的放熱率和累計放熱量基本變化不大，這說明SR對燃燒放熱過程影響不大。a. 缸內(nèi)壓力對比b. 缸內(nèi)溫度對比c. 湍動能對比圖12 不同SR

27、下缸內(nèi)壓力、溫度和湍動能對比Fig.12 Pressure, temperature and TKE with different SR圖13不同SR下放熱率和累計放熱量對比Fig.13 Rate of heat release and accumulated heat release with different SR滯燃期、i和BISFC隨SR的變化關(guān)系如圖14所示。隨SR的變化，滯燃期變化很小。i和ISFC在SR為3.0時分別最大和最小，這表明適當?shù)腟R有利于達到最佳的熱效率和經(jīng)濟性。圖14 不同SR下滯燃期、i和BISFC對比Fig.14 Ignition delay ,indicat

28、ed thermal efficiency and indicated fuel consumption with different SOI不同的SR時油膜質(zhì)量的變化如圖15所示，隨著SR的增大，缸內(nèi)湍動能增強，油膜越易于蒸發(fā)，從而油膜質(zhì)量隨之減少。 圖15不同SR下油膜質(zhì)量對比Fig.15Wall-film with different SR不同SR下的NOx、soot、UHC和CO變化如圖16所示，NOx隨著SR的增大變化不明顯，相比沒有EGR時仍為非常少；soot和UHC分別隨著SR的增大而減少，這分別是由于SR的增大，強化燃油與空氣的混合和減少油膜的生成所導致；而CO排放隨著SR的增

29、大出現(xiàn)先減少后增大的趨勢，即存在一個較合適的SR（3.0）能夠保證CO排放最小，這也和Kook和Helmantel等人的研究結(jié)論較為一致，其原因主要是加強SR可以促進燃油的霧化，避免燃燒不充分，而當SR過大時，缸內(nèi)溫度會出現(xiàn)一定的降低（如圖12b所示），這對CO轉(zhuǎn)化到CO2的過程造成不良影響。圖16 不同SR下NOx、soot、UHC和CO對比Fig.16 NOx, soot, UHC and CO with different SR3 結(jié)論基于CFD軟件和自行編寫的程序，進行不同EGR率、SOI和SR對低溫燃燒影響的研究，得到的主要結(jié)論如下：（1）隨著EGR率的增加，滯燃期延長，燃燒放熱過程

30、滯后，缸內(nèi)溫度降低，不利于壁面油膜的蒸發(fā)，并導致油膜大量的生成，同時發(fā)動機的熱效率，燃油經(jīng)濟性變差；（2）隨著EGR率的增加，計算網(wǎng)格單元的燃空當量比/溫度的分布逐漸移向低溫區(qū)域，即遠離易于生成NOx和soot區(qū)域，但是燃空當量比逐漸變大，燃燒室中會出現(xiàn)大量的混合氣過濃的區(qū)域，這不利于減少UHC和CO排放；（3）在選定EGR率為40%，實現(xiàn)低溫燃燒后，通過適度提前噴油，可以使燃燒放熱過程提前，同時有利于提高熱效率和改善燃油經(jīng)濟性；對比三種渦流比，發(fā)現(xiàn)soot和UHC排放隨著渦流比增大而減少，而CO排放隨著渦流比的增大出現(xiàn)先減少后增大的趨勢，渦流比為3.0時綜合效果較好。參考文獻1 Ming Z

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