多次喷射对柴油机双燃烧系统性能影响的模拟研究
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崔柳正 朱涛 陈明山
【摘 要】柴油机的燃烧室形状、混合气的形成、燃烧过程和喷射次数，对其动力性、经济性以及排放污染物的生成具有重要的影响。本文选用ZS1100M型柴油机，设计了一种双ω型燃烧室，采用多次喷射策略，利用AVL FIRE软件对燃烧过程进行了模拟计算，对比分析计算结果。研究表明，较大的后喷量可以降低燃烧过程峰值温度，有效降低NO的排放。在多组实验中，其中主喷-后喷策略，且后喷量为6mg的策略，可以改善燃烧，有利于油气的混合，也有利于减少SOOT和NO的排放，使NO和SOOT有一个较好的折中值。
【关键词】多次喷射；双ω燃烧室；数值模拟
一、研究内容
多次喷射是一种降低柴油机排放中的NOX，PM和噪声的有效策略。多次喷射策略可以很好地提高柴油机可燃混合气的质量，优化燃烧过程，进而提高柴油机的动力性，减少成本，还能降低污染物的排放。除了喷射策略外，燃烧室形状也影响着缸内混合气的形成，并进一步影响着燃烧的整个过程。因此可以通过燃烧室形状来改善混合气的形成和优化燃烧过程。
为解决混合气不均匀的状况，本研究提出一种双ω型燃烧室，配合多次喷射的喷射方式[1]。双ω燃烧室能够改善柴油机喷雾空间分布，提高缸内混合气形成质量。采用多次喷射方式，通过改变预喷量和后喷量，进行多次模拟计算，并分析实验数据，使NO和SOOT排放有一个较好的折中值。
二、物理化学模型设置
三、模型的建立
（一）研究对象及模型
本文以ZS1100M柴油机为依据，建立双ω型燃烧室模型。
（二）燃烧室模型的建立
本文计算的燃烧室为新设计的直喷双ω型燃烧室。首先，利用Solidworks三维制图软件，绘制双ω型燃烧室模型。然后导入AVL FIRE中的ESE-Diesel模块，进行划分网格，物理建模等[2]。图3.1为燃烧室结构简图。红色线为喷油角度[3]。
因为设置的喷油器是垂直中置的，是中心对称模型。ZS1100M型柴油机设置的是四个喷孔，因此简化计算，选择一个喷孔所在的扇形区域即1/4的燃烧室对喷雾和燃烧进行模拟计算。图3.2即为1/4的燃烧室的网格划分。
（三）初始条件和边界条件确定
在Fire ESE模块中，默认燃烧上止点为720°CA（在之后绘图时，采用origin8画图，将燃烧上止点移到0°CA），在本次研究中，计算区间选择560°CA至850°CA（画图及之后提及区间为-160°CA至130°CA）。开始计算时，取缸内的初始气体处于均匀分布，并且有相同的温度和压力。初始参数表详见表3.2。
（四）计算模型验证
利用AVL FIRE对设计的双ω型燃烧室进行单次喷射模拟研究。将计算得到的模拟缸压曲线与原机的实验缸压曲线进行对比，图3.3即为对比结果。两者缸压曲线基本一致，模拟值在峰值略微高于实验值，误差很小。所以，双ω燃烧室模型比较准确，可用于模拟计算。
四、多次喷射对双ω燃烧室的数值模拟
结合实际情况与数值模拟得出的结论，优化缸内的燃油燃烧，提出5种不同的预喷——主喷——后喷方案。保证每循环供油量不变（每循环喷油量为45.3mg），使预喷与后喷燃油量总和不变为6mg，改变预喷与后喷的燃油质量。对这五种多次策略进行数值模拟研究，并与单次喷射结合比较，分析优劣。喷射策略如下表4.1。
在本次多次噴射策略中，通过控制主喷射量，保证主喷量和后喷量总量控制在6mg。在缸内压力图4.1和缸内温度图4.2中，可以看到，采用预喷射，使缸内的压力和温度变化更加平滑，其中，温度曲线和压力曲线最平滑的是multiple1-3。采用多次喷射，降低了主喷量，使缸内峰值压力和峰值温度都降低了一些。由于multiple1-1只采用了主喷和后喷策略，缸内压力和缸内温度都有突变，燃烧剧烈。NO生成图4.3显示，multiple1-1生成量最低，而在图4.4中，SOOT生成量在这六组数据中不是很高。最高缸内压力大概在7.2MPa，最高温度约为1540K。在本次研究中，采用multiple1-1即主喷-后喷策略对NO和SOOT排放控制更好。
五、数值模拟结果分析
（一）切片位置选择及彩色云图
FIRE软件中，manager模块可以提供三维彩色云图。三维彩色云图可以更形象地展现燃烧的整个过程，我们可以对燃烧过程有一个具体的认识。接下来，选择single、multiple1-1和multiple1三种多次喷射次略，从燃烧室的温度场、燃空当量比以及NO、SOOT浓度场来分析比较柴油机气缸内部的燃烧过程。
（二）彩色云图分析
multiple1采取预喷-主喷-后喷相结合的策略且预喷量和后喷量均为3mg；single采用的是单次喷射策略；multiple1-1采用的是主喷-后喷策略，且后喷量为6mg，占总喷油量的13.2%。
（1）燃空当量比分析：在图5.2中，由于预喷时间是曲轴转角的-20°CA至-16°CA，只有采用预喷的multiple1出现了油束。因为主喷时间是曲轴转角的-8°CA至12°CA，在-5°CA时，都看到了油束，单次喷射因为没有预喷和后喷，在相同喷射时间内喷射更多的燃油量，当量比其他两组大大。由0°CA的当量比分布可知，受缸内气体流动的影响，原先的燃油蒸汽已经扩散分散，逐渐散布在燃烧室中，雾化的燃油蒸汽贴着气缸壁面。由5°CA及15°CA当量比分布云图显示，燃油蒸汽向周围继续扩散，一部分向上扩散进入余隙容积部分，当量比最高的地方集中在间隙处。由25°CA的当量比分布云图可知，由于multiple1有后喷，油束刚刚喷完，当量比仍然挺高的，multiple1-1的后喷量比multiple1高，所以当量比也比multiple1高。
（2）燃烧时温度场分析：由温度场分布图5.3可知，油束的颜色较深，显然温度是低于缸内温度的，因为燃油中夹杂着空气，并且在蒸发的过程中，吸收周围的热量。最先喷射的油开始蒸发，并与缸内的空气混合，形成可燃混合气。相比较而言，单次喷射single油束雾化较好，温度较高。而multiple1和multiple1-1温度在5°CA至25°CA相差不多。
（3）NO浓度场分析：观察NO浓度场图5.4，并结合燃空当量比分布图5.2和温度场分布图5.3，可以看出，NO的主要生成于高温富氧的区域。因为single的温度较高，从5°CA到25°CA属于扩散燃烧，油气的当量比极不均匀，有利于形成高温富氧的环境，导致NO的生成量增加。从图中可以看出，在凸脊处NO生成量较多，从5°CA开始，NO生成的起点，随着曲轴转角的变化，NO生成逐步扩散开来。multiple1和multiple-1在温度分布相差不多，在NO排放上也相差不多，不过，还是multiple1-1的生成量少些。综合温度场分布图和NO生成量分布图，可知NO大多生成在 1812K～2306K。
（4）SOOT浓度场分析：从图5.5中可看出，SOOT主要生成在喷油的尽头，还有燃油雾化的部分。因为燃油雾化蒸发，气流的运动导致周围的空气不多。综合NO和SOOT生成量分布图可知，SOOT大多生成于近壁面，有些在余隙容积处生成。SOOT生成区域是NO生成区域的子域，SOOT和NO生成大多在当量比不均匀的地方。燃气均匀性较好的策略是multiple1-1。所以在NO和SOOT排放量方面，相应减少。可以看到，NO生成量在三种喷射策略中最少，SOOT含量也不算高。
六、结论
①NO和SOOT大多生成于当量比不均匀的地方，合理控制当量比，控制混合气尽量均匀，有助于降低SOOT和NO的排放。
②NO的生成条件是高温富氧的环境。预混合燃烧会产生较高的温度，同时在主喷之后的燃烧会带来持续的高温，这样的环境会生成大量的NO。
③SOOT的生成主要有两个方面：一是SOOT的直接生成，二是SOOT的氧化。SOOT生成主要集中在近壁面，气流流动缓慢，周围废气多，氧浓度低，不易造成SOOT的氧化。
④综合比较本实验的多次喷射策略，发现multiple1-1生成的SOOT和NO的生成量都较低，故选择此策略做为本实验的最佳策略，即预喷量为0，后喷量为6mg。
【参考文献】
[1] 冯立岩， 隆武强， 魏胜利，等. 新型伞状喷雾柴油预混合压燃数值模拟研究[J]. 内燃机学报， 2006， 24（2）：134-140.
[2] AVL FIRE v2008缸內计算控制参数说明.
[3]陈欢. 柴油机双ω燃烧系统燃烧及排放性能数值模拟[D]. 江苏大学， 2013.