噴油模式和噴油定額對柴油機預(yù)混燃燒和排放的影響

噴油模式和噴油定額對柴油機預(yù)混燃燒和排放的影響

預(yù)混合動力燃燒技術(shù)（pcc）通過調(diào)整燃燒過程中的混合和反應(yīng)參數(shù)來實現(xiàn)高效化能和低no。根據(jù)燃油噴射定時不同,PCCI燃燒分為:(1)柴油在很早的噴油定時(90~120°,CABTDC)下進行,以獲得足夠的混合時間形成稀且均勻的混合氣Kamimoto和Kitamura等綜上,筆者采用試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究中、小負荷下噴油模式和噴油定時對柴油機預(yù)混燃燒和排放的影響.1試驗平臺的構(gòu)建和數(shù)值模擬模型的數(shù)值1.1燃油模擬系統(tǒng)試驗在一臺改裝的6缸重型柴油機上進行,其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示,試驗裝置參見文獻[10].為滿足單缸試驗方案的需要,對其第6缸進行了改造作為試驗用氣缸,配備了單獨的模擬增壓進氣系統(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)進行實時準(zhǔn)確控制.進氣壓力、噴油模式(噴油定時、噴射次數(shù)及噴射壓力等)及EGR率(進氣氧體積分數(shù))可以大范圍靈活調(diào)整.表2為柴油機預(yù)混燃燒模式下的試驗與模擬研究工況點.SOI(startofinjection)表示開始噴油的時刻,其中單次噴油的噴油定時與多次噴射最后一次噴油脈沖時刻相同.IMEP(indicatedmeaneffectivepressure)表示平均指示壓力.1.2數(shù)值模擬模型和合理性驗證應(yīng)用STAR-CD三維CFD軟件,模擬計算中的模型及模型驗證參見文獻[10].2結(jié)果與討論2.1試驗結(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“混合時間”概念.混合時間定義為從噴油結(jié)束到著火開始時刻之間所持續(xù)的時間圖1為不同噴油模式對缸內(nèi)壓力和放熱率的影響的試驗結(jié)果.其中“SOI混合時間是表征燃油與空氣預(yù)混合程度的量.混合時間均為正數(shù)時,多脈沖噴油最后一次噴油定時與單次噴油相同,多脈沖噴油4次噴油脈沖的混合時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的推遲,燃氧混合時間縮短,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,進氣壓力為0.159MPa,EGR率為58%,,O3個工況的著火延遲期分別為32、23和15°CA,隨著噴油定時的推遲,著火延遲期縮短,著火前燃氧混合時間縮短,3個工況的著火均發(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為低負荷下單次噴油的噴油定時對著火前一時刻燃氧當(dāng)量比分布的影響.當(dāng)噴油定時由45°CABTDC向后推遲的時候,油束的撞壁點由活塞頂部和擠流區(qū)逐漸移向活塞凹坑的底部.當(dāng)噴油定時為35°CABTDC時,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,另一部分燃油進入活塞凹坑內(nèi),這有助于充分利用整個氣缸內(nèi)的新鮮空氣.噴油定時不同,每一部分燃油蒸氣分布的量也不同.噴入的油束和擠流運動所產(chǎn)生的空氣運動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)噴油定時為35°CABTDC時,燃燒室的唇口設(shè)計有助于形成的混合氣進入燃燒室上方的空間中,又不會進入側(cè)隙內(nèi),有利于充分利用燃燒室上方的新鮮空氣.當(dāng)噴油定時為26°CABTDC時,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),但是晚的噴射定時使得混合時間降低.總之,由于不同的噴射定時,混合時間和混合空間(即混合氣形成的位置)是不同的.圖3所示當(dāng)噴油定時為45°CABTDC和35°CABTDC時,混合氣的最大局部當(dāng)量比分別為1.34和1.32;當(dāng)噴油定時推遲為26°CABTDC時,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,更高的缸內(nèi)溫度更有助于碳煙氧化.綜合作用下,低負荷時,最終的碳煙和其他燃燒中間產(chǎn)物CO、UHC排放隨著噴油定時的推遲而略有降低(圖2).同時,接近上止點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的推遲明顯升高.圖4為單次噴油模式的噴油定時對局部溫度大于2,200,K的缸內(nèi)氣體質(zhì)量分數(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,為避免爆震和NO圖5為IMEP≈0.7,MPa時,單次噴油的噴油定時對著火前一時刻燃氧當(dāng)量比分布的影響.噴油定時為45°CABTDC時,大量燃油蒸氣進入側(cè)隙內(nèi),在那里形成濃混合氣.隨著噴油定時的推遲,混合氣的形成位置向燃燒室凹坑內(nèi)轉(zhuǎn)移.35°CABTDC時,形成的混合氣遠離側(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,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,在混合時間和混合空間的共同作用下,隨噴油定時的推遲,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,相同噴油定時下,噴油質(zhì)量增加,噴油持續(xù)期延長,混合時間縮短,著火前一時刻局部燃氧當(dāng)量比的最大值明顯增大.圖6a為IMEP≈0.7,MPa負荷下,單次噴油的噴油定時對著火前一時刻各燃氧當(dāng)量比范圍內(nèi)混合氣的質(zhì)量分數(shù)分布的影響.隨著噴油定時的推遲,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的累計質(zhì)量分數(shù)由21.8%,增加到47.1%,再到63.8%,;Ф>3.5的累計質(zhì)量分數(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負荷下,多次噴油的噴油定時對著火前一時刻各燃氧當(dāng)量比范圍混合氣的質(zhì)量分數(shù)分布的影響.圖7為IMEP≈0.7,MPa負荷下,多次噴油的噴油定時對著火前一時刻燃氧當(dāng)量比分布的影響.當(dāng)噴油始點由90°CABTDC推遲到80°CABTDC時,盡管混合時間縮短了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行,油束的貫穿距離縮短,進入側(cè)隙內(nèi)的氣相燃油的質(zhì)量降低.同時,當(dāng)?shù)?次脈沖噴射定時由45°CABTDC推遲到35°CABTDC時,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氣缸內(nèi)的空氣.基于以上原因,著火前一時刻缸內(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由90,°CABTDC推遲到80°CABTDC時,Ф<1的燃氧混合氣的累計質(zhì)量分數(shù)由29.9%,增加到40.5%,,而Ф>2的燃氧混合氣的質(zhì)量分數(shù)幾乎沒變.因而此時碳煙排放基本不變(圖2a).圖7所示當(dāng)多次噴油的噴油始點由80°CABTDC推遲到70°CABTDC時,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,由于混合時間縮短了10°CA,此時著火前一時刻局部當(dāng)量比的最大值由3.6增加到4.3;Ф>2的混合氣的累計質(zhì)量分數(shù)由3.6%,增加到17.6%,(圖6b).因而此時的碳煙排放由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個脈沖,最后一個脈沖的噴射定時與原單次噴油的定時相同,將其他3個脈沖油量在壓縮沖程的早期噴入燃燒室,這樣保證這3個脈沖的油量有足夠的混合時間,最后一個脈沖由于噴油持續(xù)期縮短,其混合時間也增加,這樣在較高負荷下可以形成更均質(zhì)的混合氣(圖6),3種噴油定時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)量分數(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次噴油定時為35°CABTDC時,可以分別得到各組最優(yōu)的NO圖8為3個工況下著火前一時刻混合氣當(dāng)量比分布的質(zhì)量分數(shù)對比.在較高負荷下,多次噴油與單次噴油相比,由于在混合時間和混合空間的優(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)量分數(shù)亦大大降低,接近于小負荷單次噴油的情況(工況2).因此,IMEP≈0.7,MPa負荷時,采用噴油定時為80、65、50和35°CABTDC的多次噴油策略可以得到與低負荷(IMEP≈0.45,MPa)時單次噴油相當(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相互獨立的過程,避免了邊噴油邊燃燒的柴油機傳統(tǒng)擴散燃燒形式,有利于降低NO(2)低負荷(IMEP≈0.45,MPa)、單次噴油模式噴油定時為35,°CABTDC時,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氣缸內(nèi)的新鮮空氣;隨著噴油定時的推遲,高溫混合氣的累積質(zhì)量分數(shù)先降后增,故35°CABTDC時的NO(3)IMEP≈0.7,MPa負荷、單次噴油模式與低負荷相比,由于噴油量增多,噴油持續(xù)期延長,著火前燃氧混合時間縮短,碳煙、CO和UHC排放急劇升高;改變噴油定時,在混合時間和混合空間的共同作用下,單次噴油模式噴油定時為35°CABTDC