噴油模式和噴油定額對柴油機(jī)預(yù)混燃燒和排放的影響

噴油模式和噴油定額對柴油機(jī)預(yù)混燃燒和排放的影響

預(yù)混合動(dòng)力燃燒技術(shù)（pcc）通過調(diào)整燃燒過程中的混合和反應(yīng)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)高效化能和低no。根據(jù)燃油噴射定時(shí)不同,PCCI燃燒分為:(1)柴油在很早的噴油定時(shí)(90~120°,CABTDC)下進(jìn)行,以獲得足夠的混合時(shí)間形成稀且均勻的混合氣Kamimoto和Kitamura等綜上,筆者采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究中、小負(fù)荷下噴油模式和噴油定時(shí)對柴油機(jī)預(yù)混燃燒和排放的影響.1試驗(yàn)平臺的構(gòu)建和數(shù)值模擬模型的數(shù)值1.1燃油模擬系統(tǒng)試驗(yàn)在一臺改裝的6缸重型柴油機(jī)上進(jìn)行,其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示,試驗(yàn)裝置參見文獻(xiàn)[10].為滿足單缸試驗(yàn)方案的需要,對其第6缸進(jìn)行了改造作為試驗(yàn)用氣缸,配備了單獨(dú)的模擬增壓進(jìn)氣系統(tǒng)、電控高壓共軌燃油供應(yīng)系統(tǒng)以及廢氣再循環(huán)系統(tǒng)以對燃油狀態(tài)和缸內(nèi)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確控制.進(jìn)氣壓力、噴油模式(噴油定時(shí)、噴射次數(shù)及噴射壓力等)及EGR率(進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù))可以大范圍靈活調(diào)整.表2為柴油機(jī)預(yù)混燃燒模式下的試驗(yàn)與模擬研究工況點(diǎn).SOI(startofinjection)表示開始噴油的時(shí)刻,其中單次噴油的噴油定時(shí)與多次噴射最后一次噴油脈沖時(shí)刻相同.IMEP(indicatedmeaneffectivepressure)表示平均指示壓力.1.2數(shù)值模擬模型和合理性驗(yàn)證應(yīng)用STAR-CD三維CFD軟件,模擬計(jì)算中的模型及模型驗(yàn)證參見文獻(xiàn)[10].2結(jié)果與討論2.1試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1.1混合噴油模式對均壓升率的影響為了區(qū)分不同燃燒策略間的差別,引入“混合時(shí)間”概念.混合時(shí)間定義為從噴油結(jié)束到著火開始時(shí)刻之間所持續(xù)的時(shí)間圖1為不同噴油模式對缸內(nèi)壓力和放熱率的影響的試驗(yàn)結(jié)果.其中“SOI混合時(shí)間是表征燃油與空氣預(yù)混合程度的量.混合時(shí)間均為正數(shù)時(shí),多脈沖噴油最后一次噴油定時(shí)與單次噴油相同,多脈沖噴油4次噴油脈沖的混合時(shí)間均大于單次噴油工況,因而多次噴油的預(yù)混合程度均好于單次噴油情況.所以,較高負(fù)荷下,多次噴油的壓升率略高于單次噴油的壓升率.2.1.2多次噴油、燃燒碳煙圖2為各工況試驗(yàn)測量的碳煙、CO和UHC排放及指示熱效率與NO在較大噴油量下,欲同時(shí)降低碳煙、CO和UHC排放需要將單次噴油改為多次噴油,增大噴油脈沖的混合時(shí)間,提高著火前燃氧混合的程度.另外,多次噴油隨著噴油定時(shí)的推遲,燃氧混合時(shí)間縮短,70°CABTDC工況的碳煙排放最高.2.2噴油至cabtdc由圖2可知,噴油量為47,mg,進(jìn)氣壓力為0.159MPa,EGR率為58%,,O3個(gè)工況的著火延遲期分別為32、23和15°CA,隨著噴油定時(shí)的推遲,著火延遲期縮短,著火前燃氧混合時(shí)間縮短,3個(gè)工況的著火均發(fā)生在噴油結(jié)束后(著火延遲期大于噴油持續(xù)期),避免了邊噴油邊燃燒的擴(kuò)散燃燒形式、局部高溫區(qū)和局部過濃區(qū),符合預(yù)混燃燒的特征,故NO圖3為低負(fù)荷下單次噴油的噴油定時(shí)對著火前一時(shí)刻燃氧當(dāng)量比分布的影響.當(dāng)噴油定時(shí)由45°CABTDC向后推遲的時(shí)候,油束的撞壁點(diǎn)由活塞頂部和擠流區(qū)逐漸移向活塞凹坑的底部.當(dāng)噴油定時(shí)為35°CABTDC時(shí),噴射的油束碰撞在活塞的表面,被分成了兩部分:一部分燃油在燃燒室上方,另一部分燃油進(jìn)入活塞凹坑內(nèi),這有助于充分利用整個(gè)氣缸內(nèi)的新鮮空氣.噴油定時(shí)不同,每一部分燃油蒸氣分布的量也不同.噴入的油束和擠流運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的空氣運(yùn)動(dòng)都會明顯影響燃油和空氣的混合,燃油蒸氣的分布影響著局部混合氣的條件和每個(gè)區(qū)域內(nèi)空氣利用的程度,為隨后的著火和燃燒過程做準(zhǔn)備.當(dāng)噴油定時(shí)為35°CABTDC時(shí),燃燒室的唇口設(shè)計(jì)有助于形成的混合氣進(jìn)入燃燒室上方的空間中,又不會進(jìn)入側(cè)隙內(nèi),有利于充分利用燃燒室上方的新鮮空氣.當(dāng)噴油定時(shí)為26°CABTDC時(shí),幾乎所有的燃氧混合氣在燃燒室內(nèi)形成,燃燒室的“BUMP”環(huán)的剝離作用有助于降低燃燒室壁面附近的燃油濃區(qū),但是晚的噴射定時(shí)使得混合時(shí)間降低.總之,由于不同的噴射定時(shí),混合時(shí)間和混合空間(即混合氣形成的位置)是不同的.圖3所示當(dāng)噴油定時(shí)為45°CABTDC和35°CABTDC時(shí),混合氣的最大局部當(dāng)量比分別為1.34和1.32;當(dāng)噴油定時(shí)推遲為26°CABTDC時(shí),混合氣的最大局部當(dāng)量比為3.18,混合氣濃區(qū)的存在有助于形成碳煙,但是其燃燒相位更接近上止點(diǎn),更高的缸內(nèi)溫度更有助于碳煙氧化.綜合作用下,低負(fù)荷時(shí),最終的碳煙和其他燃燒中間產(chǎn)物CO、UHC排放隨著噴油定時(shí)的推遲而略有降低(圖2).同時(shí),接近上止點(diǎn)的燃燒相位和更完善的燃燒效率使得指示熱效率隨著噴油定時(shí)的推遲明顯升高.圖4為單次噴油模式的噴油定時(shí)對局部溫度大于2,200,K的缸內(nèi)氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響.眾所周知,NO圖1和圖2所示IMEP≈0.7,MPa、相同噴油壓力下,噴油量的增多使得噴油持續(xù)期增長,此時(shí),為避免爆震和NO圖5為IMEP≈0.7,MPa時(shí),單次噴油的噴油定時(shí)對著火前一時(shí)刻燃氧當(dāng)量比分布的影響.噴油定時(shí)為45°CABTDC時(shí),大量燃油蒸氣進(jìn)入側(cè)隙內(nèi),在那里形成濃混合氣.隨著噴油定時(shí)的推遲,混合氣的形成位置向燃燒室凹坑內(nèi)轉(zhuǎn)移.35°CABTDC時(shí),形成的混合氣遠(yuǎn)離側(cè)隙區(qū),并可以充分利用燃燒室上方和凹坑內(nèi)的空氣.26°CABTDC時(shí),形成的混合氣幾乎全部集中在燃燒室凹坑壁面附近,在那里形成濃混合氣.因此,在混合時(shí)間和混合空間的共同作用下,隨噴油定時(shí)的推遲,局部燃氧當(dāng)量比的最大值先明顯減小后增大.與圖3相比,相同噴油定時(shí)下,噴油質(zhì)量增加,噴油持續(xù)期延長,混合時(shí)間縮短,著火前一時(shí)刻局部燃氧當(dāng)量比的最大值明顯增大.圖6a為IMEP≈0.7,MPa負(fù)荷下,單次噴油的噴油定時(shí)對著火前一時(shí)刻各燃氧當(dāng)量比范圍內(nèi)混合氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的影響.隨著噴油定時(shí)的推遲,油束內(nèi)的平均當(dāng)量比由1.85增加到1.89再到3.76;Ф>2的累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由21.8%,增加到47.1%,再到63.8%,;Ф>3.5的累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由7.7%,下降至0%,再驟增至35.3%,.由Ф-T圖圖6b為IMEP≈0.7,MPa負(fù)荷下,多次噴油的噴油定時(shí)對著火前一時(shí)刻各燃氧當(dāng)量比范圍混合氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的影響.圖7為IMEP≈0.7,MPa負(fù)荷下,多次噴油的噴油定時(shí)對著火前一時(shí)刻燃氧當(dāng)量比分布的影響.當(dāng)噴油始點(diǎn)由90°CABTDC推遲到80°CABTDC時(shí),盡管混合時(shí)間縮短了10°CA,但是,燃油噴射在相對更高的環(huán)境密度和溫度條件下進(jìn)行,油束的貫穿距離縮短,進(jìn)入側(cè)隙內(nèi)的氣相燃油的質(zhì)量降低.同時(shí),當(dāng)?shù)?次脈沖噴射定時(shí)由45°CABTDC推遲到35°CABTDC時(shí),最后一次脈沖噴射的燃油噴入燃燒室凹坑內(nèi),這有利于充分利用整個(gè)氣缸內(nèi)的空氣.基于以上原因,著火前一時(shí)刻缸內(nèi)的最大局部燃氧當(dāng)量比由4.4降低到3.6.另外,圖6b所示當(dāng)多次噴油的噴油始點(diǎn)由90,°CABTDC推遲到80°CABTDC時(shí),Ф<1的燃氧混合氣的累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由29.9%,增加到40.5%,,而Ф>2的燃氧混合氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎沒變.因而此時(shí)碳煙排放基本不變(圖2a).圖7所示當(dāng)多次噴油的噴油始點(diǎn)由80°CABTDC推遲到70°CABTDC時(shí),由于噴射位置的改變,形成的混合氣局部當(dāng)量比最大的位置由側(cè)隙內(nèi)轉(zhuǎn)移到燃燒室凹坑內(nèi),改善了混合氣形成的空間位置.然而,由于混合時(shí)間縮短了10°CA,此時(shí)著火前一時(shí)刻局部當(dāng)量比的最大值由3.6增加到4.3;Ф>2的混合氣的累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由3.6%,增加到17.6%,(圖6b).因而此時(shí)的碳煙排放由0.1,FSN驟增至0.4,FSN(圖2a).對比圖6b與圖6a、圖7與圖5,在IMEP≈0.7,MPa負(fù)荷下,與單次噴油相比,多次噴油的優(yōu)勢非常明顯.在較高負(fù)荷下,增加的噴油質(zhì)量和延長的噴油持續(xù)期使得單次噴油模式的混合時(shí)間縮短,持續(xù)噴入的燃油累積在一起形成了大量的濃混合氣.相比之下,在這種情況下采用多次噴油模式,可以將噴入的燃油質(zhì)量分為4個(gè)脈沖,最后一個(gè)脈沖的噴射定時(shí)與原單次噴油的定時(shí)相同,將其他3個(gè)脈沖油量在壓縮沖程的早期噴入燃燒室,這樣保證這3個(gè)脈沖的油量有足夠的混合時(shí)間,最后一個(gè)脈沖由于噴油持續(xù)期縮短,其混合時(shí)間也增加,這樣在較高負(fù)荷下可以形成更均質(zhì)的混合氣(圖6),3種噴油定時(shí)下多次噴油的平均當(dāng)量比分別為1.17(工況7)、1.14(工況8)和1.30(工況9),遠(yuǎn)低于單次噴射的1.85(工況4)、1.89(工況5)和3.76(工況6),這有利于同時(shí)降低碳煙、CO和UHC排放(圖2).另外,對比圖6b與圖6a可知,采用多次噴射Ф=1的混合氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比采用單次噴射的要高的多,因而多次噴射的燃燒速率要高于單次噴射的燃燒速率.所以,多次噴射的壓力升高率略高于單次噴射的壓力升高率,但都在爆震壓升率界限內(nèi)(圖1).綜合以上分析,3種工況下,第4次噴油定時(shí)為35°CABTDC時(shí),可以分別得到各組最優(yōu)的NO圖8為3個(gè)工況下著火前一時(shí)刻混合氣當(dāng)量比分布的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比.在較高負(fù)荷下,多次噴油與單次噴油相比,由于在混合時(shí)間和混合空間的優(yōu)勢,其平均當(dāng)量比由1.89(工況5)降為1.14(工況8),φ>2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)亦大大降低,接近于小負(fù)荷單次噴油的情況(工況2).因此,IMEP≈0.7,MPa負(fù)荷時(shí),采用噴油定時(shí)為80、65、50和35°CABTDC的多次噴油策略可以得到與低負(fù)荷(IMEP≈0.45,MPa)時(shí)單次噴油相當(dāng)?shù)奶紵熀蚒HC排放,但CO排放較高,熱效率較低(41%,)(圖2),在此基礎(chǔ)上降低CO排放、提高熱效率的方法有待進(jìn)一步研究3噴油復(fù)合式噴油模型(1)預(yù)混燃燒的混合時(shí)間均為正數(shù),說明預(yù)混燃燒的燃油噴射和燃燒過程是兩個(gè)相互獨(dú)立的過程,避免了邊噴油邊燃燒的柴油機(jī)傳統(tǒng)擴(kuò)散燃燒形式,有利于降低NO(2)低負(fù)荷(IMEP≈0.45,MPa)、單次噴油模式噴油定時(shí)為35,°CABTDC時(shí),油束的撞壁位置將形成的混合氣分成燃燒室上方和活塞凹坑兩部分,有利于充分利用整個(gè)氣缸內(nèi)的新鮮空氣;隨著噴油定時(shí)的推遲,高溫混合氣的累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)先降后增,故35°CABTDC時(shí)的NO(3)IMEP≈0.7,MPa負(fù)荷、單次噴油模式與低負(fù)荷相比,由于噴油量增多,噴油持續(xù)期延長,著火前燃氧混合時(shí)間縮短,碳煙、CO和UHC排放急劇升高;改變噴油定時(shí),在混合時(shí)間和混合空間的共同作用下,單次噴油模式噴油定時(shí)為35°CABTDC