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预喷射对增压柴油机高负荷燃烧和排放的影响

2020-07-29 来源:易榕旅网
第16卷第1期 2010年2月 燃烧科学与技术 Vo1.16 NO.1 Feb.2010 Journal of Combustion Science and Technology 预喷射对增压柴油机高负荷燃烧和排放的影响 解方喜 ,洪伟 , 阎朝亮 ,韩立伟 ,赵靖华 长春130025;2.吉林师范大学计算机学院,四平136000) (1.吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室, 摘要:应用CFD模拟软件FIRE针对车用增压柴油机在高负荷工况下采用预喷射策略的缸内工作过程进行了数值 计算,并分析了预喷射量和预/主间隔角对燃烧过程和排放的影响.研究结果表明,随预/主间隔角和预喷射量的增加燃 烧始点提前,主喷燃油的燃烧速率加快,燃烧重心和终点提前,致使缸压峰值、放热率峰值和温度峰值均有所升高和前 移;同时.对于NOx和碳烟,预喷射量和预/主喷射间隔角存在两个界限,在两个界限之内能获得较好的NOx和碳烟的折 中关系,并且这两个界限与预喷射量和预/主喷射间隔角存在着一定的关系,当预喷射量和间隔角较小时碳烟生成量较 高,而预喷射量和问隔角过大时N 生成量急剧增加. 关键词:增压柴油机;预喷射;燃烧;NOx;碳烟; 数值模拟 中图分类号:TK421.42 文献标志码:A 文章编号:1006—8740(2010)01.0069—05 Effect of Pilot Injections on Combustion and Emissions Under High Load of Turb0charged Vehicle Diesel Engine XIE Fang—xi ,HONG Wei ,YAN Chat—liang ,HAN Li—wei ,ZHAO Jing—hua (1.State Key Laboratory of Automobile Dynamic Simulation,Jilin University,Changchun 1 30025,China; 2.College of Computer Science,Jilin Normal University,Siping 1 36000,China) Abstract:Numerical simulation of thermodynamic cycle and combustion in a turbocharged vehicle diesel engine using pilot injections under high load operations is carried out by means of a CFD tri—dimensional numerical analysis software FIRE.In this paper,the effects of pilot injection fuel quantity and interval between pilot nd amain injection on combustion process and exhaust emissions are discussed.The computed results indicate that start of ignition,combustion center and combustion terminal are advanced,and duration of main combustion is shortened with the increasing interval and pilot injection fuel quantity.All these factors result in increase and advance of in—cylinder peak pressure,peak heat release rate and peak tem— perature.For NO and soot emission control,there are two liitms for pilot injection fuel quantity nd ainterval between pilot and main injection,and quantity and interval rae relative to he ttwo liitms.The less quantity and interval,the more soot, and when quantity and interval become excessive,N trade—off may be obtained between the two limits. emission increases dramatically.Moreover,well soot and NOx Keywords:turbocharged diesel engine;pilot injection;combustion;NO ;soot;numerical simulation 柴油机排放造成的环境污染已经引起人们的Ft 益关注,在全球范围内各国政府也在不断推出新的污 染物排放法规.因而在保证柴油机动力性和经济性 的前提下,降低柴油机的有害排放便成为当前研究者 面对的挑战.在柴油机的诸多参数中,喷油规律对柴 油机油气混合和燃烧品质的影响较大.很早以来,科 2008.12.05. 收稿日期: 基金项目: 国家自然科学基金资助项 ̄(50876039). 作者简介: 解方喜(1982一 通讯作者: 洪),男,博士研究生,jluxfx@126.tom. 伟,hongw@jlu.edu.cn. 燃 烧 科 学 与 技 术 第16卷第1期 技工作者就希望能通过改变柴油机的喷油规律,优化 柴油机的燃烧过程,从而获得低的颗粒与N 排 放.但受限于当时的技术水平,直到2O世纪9O年 代,采用控制喷油规律降低颗粒与N 排放的工作 才逐渐取得成效u J. 国内外的一些学者在预喷射对PM和N 的排 放影响方面做了大量的实验研究与仿真工作 ,但 是不同文献在预喷射参数(如预喷射量和预/主喷射 间隔角等)对于燃烧过程及有害排放物影响的论述不 尽相同,有的甚至是迥异的结论,这是因为不同型式 的发动机具有不同的燃烧室结构、不同的进排气系统 和不同的燃油系统所致.但总的来说,预喷射的燃烧 可以缩短主喷射的着火滞燃期、减少预混合燃烧量, 但会造成初期温度升高,放热提前.故本文借助于 CFD软件AVL FIRE,深入分析预喷射策略参数(如 预喷射率和预/主间隔角)对燃烧过程和有害排放物 的影响机理,并获得了一些具有指导意义的结论. 1 数学模型和模型验证 1.1 数学模型 计算模型主要采用标准足.芒湍流模型、Wave液滴 破碎模型、Dukowicz蒸发模型、Walljetl撞壁模型、 shell点火模型、EBU湍流控制燃烧模型、Enable湍流 扩散模型以及Zeldovic的N 生成模型和Kennedy- Hiroyaru.Magnussen模型的碳烟生成模型.FIRE采 用有限容积法求解贴体非直角坐标系中偏微分方程 组.在离散方程过程中对对流项、扩散项所涉及到的 相邻单元交界面处物性值、一阶导数的计算都遵循了 守恒性、有界性等原则;对时间的积分采用全隐式、 Nicolson半隐式或全显式的处理,对于速度场与压力 场的耦合求解使用较成熟的SIMPLE(半隐式压力耦 合方法)算法. 1.2模型验证 表1为计算用发动机参数.图1是当发动机转速 为1 850 r/min、喷油量为40 mg、进气压力为156 kPa、 进气温度为325 K、喷油定时为348。CA(12。CA BTDC)时,缸内压力计算值和试验值对比.从图中可 以看出,模拟的缸内压力结果与试验结果吻合较 好.同时,本工况的N 和碳烟的数值模拟结果分别 为3.73 g/(kW・h)和0.17 g/(kW・h),而原机试验结 果分别为3.98 g/(kW・h)和0.185 g/(kW‘h),计算 结果与试验结果的误差在10%以内,故认为所选模型 和计算方法合理,能对模拟排放结果进行定性分析. 表1柴油机主要技术参数 发动机结构参数 指标 吸气方式 增压中冷 缸径/mm 85 行程/mm 88 压缩比 l8 活塞余隙/mm 0.9~1.1 喷油嘴倾角/(。) 13 燃烧室形状 气缸T作容积/L 1.997 连杆长度/mm l75 喷油嘴孔数×孔径/mm 7×O.144 油柬夹角/(。) 155 }}I1轴转街 CA) 图1缸内压力的模拟结果和试验结果对比 2计算结果与分析 2.1 主要特征参数定义 文中将两次燃油喷射分别命名为主喷射和预喷 射.定义os 为主喷定时,也就是传统的喷油提前角; 为预喷射终点到主喷始点经过的曲轴转角.同时, 在文中用预喷射量Q 。表征预喷射的燃油量与总循环 喷射量的百分比.研究中保持喷油总量不变,当只采 用主喷射的时候,主喷射量为100%.同时,为了深入 分析柴油机的燃烧过程,采用燃烧始点、燃烧重心及 燃烧终点等特征参数对不同预喷射参数下的燃烧过 程进行分析评价.从大量文献中发现燃烧始点 和 燃烧终点。计算方法不尽相同,但是通常采用总体燃。 烧放热量的5%和95%确定,而本研究中采用总体燃 烧放热量的5%作为燃烧始点不能很好地表征预喷射 对燃烧过程的影响,因此本文采用燃烧压力曲线与压 缩曲线的脱离点作为燃烧始点,燃烧终点为燃烧放热 总量的95%.文中P 。 为缸内燃烧压力峰值; 为 缸内温度峰值;(dQ/dO)为燃料燃烧的瞬时放热率; (dQ/dO) 为放热率曲线峰值;Q 为最高燃烧压力点 对应的累积相对放热量;Os为燃烧始点对应的曲轴转 角;o为燃烧终点对应的曲轴转角;o5 o  为总体燃烧放热量的50%对应的曲轴转角. 2.2预/主间隔角和预喷射率对燃烧特性的影响 图2是主喷定时为8。cA BTDC、QPI为5%、预, 解方喜等:预喷射对增压柴油机高负荷燃烧和排放的影响 ・71・ 主问隔角 从6。CA增加到3l。CA时的燃烧过程对 比曲线.图中曲线标号为预/主喷间隔角 和喷油提 点提前,主喷燃油的燃烧速率加快,燃烧重心和终点 提前,致使缸压峰值、放热率峰值和温度峰值均有所 前角为8。CA BTDC的无预喷喷射策略.由图可见, 对燃烧参数有很大影响,随 的增加,燃烧始点和 放热重心提前,放热率峰值和滞燃期降低,缸内压力 曲线峰值升高并提前,前期缸内温度升高.同时,当 由0。CA增加到16。CA时燃烧始点虽有所提前, 但变化幅度相对较小,由于预喷射的燃油主要发生冷 焰反应,其产生的活性物质会减少主喷燃油的滞燃 期;当ol由16。CA增大到31。CA时预喷射燃油发生 了早期燃烧,燃烧始点显著提前,并且缸内压力和温 度曲线也显著提前地脱离线组. U 已 二 专 § 翌 曲轴转角/r CA) (a)缸内压力和放热率 (b)缸内温度 曲轴转flf/(。CA) (c)累积放热率 图2预,主间隔角 对燃烧过程的影响 图4为不同预/主间隔角 和预喷量Q I的燃烧 参数对比.从图中可以看到,随Qpt的增加燃烧始点、 燃烧重心和终点提前,使得缸内平均压力峰值、放热 率峰值和缸内平均温度峰值升高,同时对应的峰值位 置也有所前移.对相同Q 策略下随 的增加燃烧始 升高和前移.对于 为25%的策略虽然燃烧始点和 重心较 为15%的策略有所提前,但是燃烧终点却略 有推后.因此适当提高 和QPI,有助于加快主喷燃 油的燃烧速率和碳烟的后期氧化,但燃烧过程的提前 也将会促进N 的生成. 曲轴转角 CA) (a)缸内压力和放热率 (b)缸内温度 曲轴转角,(。CA) (c)累积放热率 图3预喷 ̄l-,JJ.Qr一对燃烧过程的影响 2.3预/主间隔角和预喷射量对N 和碳烟的影响 图5为预/主间隔角 和预喷射量QPI对NOx和 碳烟生成量影响的万有特性曲线.由图可见,随o1和 Qpl的增加,NO 生成总量升高,碳烟减少,这与文献 [11]中所论述的试验结果相吻合.同时,从整体上看, 图形上、下两侧区域的颜色较深(区域I和Ⅲ),而中 间的颜色较为明亮(区域Ⅱ).在区域I中N0 的生 成量较高,并且随 和QPI的增加,NOx显著增加,而 碳烟变化不明显;在区域Ⅲ中NO 的变化幅度较小, 而碳烟的生成量较高;在区域Ⅱ中碳烟和N 的生 ・72・ 燃 烧 科 学 与 技 术 第16卷第1期 成量较为适中,并且在此区域中随 和Q -的增加, N 生成总量升高,碳烟减少,因而可以获得较好的 N 和碳烟的折中关系.当 和QPI过小时碳烟的生 成量较高;当 和Q -过大时碳烟的变化幅度较小, NO 将急剧上升.同时,这两个界限与 和QP1也存 在着一定的关系,即随着ol的增加QPI减小. NOx和碳烟折中关系.由此可以推测出,对于 和 QH存在两个界限,在两个界限之内能获得较好的 预喷射量Q ,% (a)缸内压力峰值 £ 预喷射量Q l,% 预喷射警Q ,% (c)放热率峰值 (d)燃烧重心 预喷射量Q ./% (e)缸内温度峰值 图4 和QPl对燃烧特征参数的影响 提前,主喷燃油的燃烧速率加快,燃烧重心和终点提 前,致使缸压峰值、放热率峰值和温度峰值均有所升 高和前移. (2)不同预喷射策略会产生不同的效果,如果 预/主间隔角和预喷射量较小时,则预喷射燃油主要 发生冷焰反应,燃烧始点略有提前;如果预喷射提前 角和预喷射量较大时,则预喷射燃油会发生明显的燃 一预/主间隔角 CA) NO /10;—。碳烟/(mg・m。) 烧放热,燃烧始点显著提前,并且缸内压力和温度曲 线也较早地脱离线组,使得NO 和压缩功增加. (3)对于No 和碳烟生成总量,预喷射量和预/ 主间隔角存在两个界限,在两个界限之内能获得较好 的NO 和碳烟的折中关系.当预喷射量和预/主间隔 图5 和QPl对NO 和碳烟的影响 3结语 (1)随预/主间隔角和预喷率的增加,燃烧始点 角过小时碳烟的生成量较高;当预喷射量和预/主间 2010年2月 解方喜等:预喷射对增压柴油机高负荷燃烧和排放的影响 ・73・ 隔角过大时碳烟的变化幅度较小,而NOx将显著上 升.同时,这两个界限与预喷射率和预/主间隔角存在 着一定的关系,即随着预/主间隔角的增加预喷射量 减小. 参考文献: [1]Tow T C,Pierpont D A,Reitz R D.Reducing particu— late and NOx emissions by using multiple injections in a heavy duty DI diesel engine[C]∥SAE Paper.Detroit, MI,USA,1994,940897. 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