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通过CFD建模分析先进喷射策略对重型直喷式柴油机性能和污染物排放的影响

Raouf Mobasheri；Zhijun Peng；Seyed Mostafa Mirsalim

摘要:

为了研究预喷式、后喷式、多燃料喷射策略和EGR对重型直喷式柴油机性能和排放造成的综合影响，进行了先进的CFD模拟实验。先进的NOx和碳烟形成模型已经与一种改进版的ECFM-3Z燃烧模型相结合应用。该模型与卡特彼勒3401直喷式柴油机的实验数据进行验证，得到了缸内压力、放热率、NOx和碳烟排放量的测量值和预测值良好的一致性。对于没有预喷射的不同分层喷射情况分别进行了优化，然后对不同的多次喷射情况进行了优化。总体而言，考虑了三个因素对于喷射优化的影响，包括EGR率，主喷射与后喷射之间的间隔以及每个脉冲的喷油量。对于多次喷射的情况，还增加了两个因素（包括主喷射时的两次喷射和三次喷射）。结果表明，使用预喷射和优化的主喷射明显对燃烧过程产生有利的影响，它可以形成一个单独的第二阶段放热过程，降低最高燃烧温度，从而减少NOx的产生。另外，已经发现在后喷射时，适当的EGR下注入足够的燃料，可以显著的减少碳烟的排放但是不减少NOx的排放。

关键词：多次喷射；CFD模拟；直喷式柴油机；EGR；污染物排放

1.引言

改善直喷式柴油机以符合严格的废气排放标准，与喷油系统的持续发展密切相关。传统的喷油器设计通常适用于接近上止点的喷油正时，不能很好的满足非常早或较晚喷油定时的要求。柴油机行业的一个增长趋势是更广泛地使用电控高压喷射系统，其可以在循环的任何时刻喷射燃料而不会因为喷射定时或发动机转速改变喷射速率。多次喷射已经成为降低柴油机污染物排放的有效手段（Li等人，2004；Mendez等人，2008；Husberg等人，2008；Badami等人，2002；Mobasheri等，2011；Shundoh等人，1992）。多次喷射将每个燃烧过程中的燃料喷射总量分成两次或多次喷射。预喷射的定义是，第一次喷射时喷射的燃料占总燃料质量的15%或更少。许多研究人员现在正在研究预喷射和分层喷射，作为同时减少NOx和碳烟排放的有效手段。

已经发现多次喷射的好处是在于高度依赖每次的喷射量和喷射之间的间隔时间。Shundoh等人（1992）的报告说明，如果预喷射与高压喷射结合使用，NOx可以减少35%，碳烟排放量减少60%至80%，而不损失燃油经济性。Nehmer等人（1994）将第一次喷射的燃料量从燃料总量的10%增加至75%，研究了重型柴油机中分层喷射的影响。他们发现分层式喷射更好地利用了空气充量，并使燃烧持续到作功行程中，而不是单个喷射的情况，不会增加碳烟的产生。Tow等人（1994）发现，相比起单次喷射，长时间在重型发动机上使用两次喷射，颗粒物排放量减少了三分之一，而NOx排放没有增加，只是油耗略有的增加。张（1999）使用单缸HSDI柴油发动机来研究预喷射与EGR对碳烟，NOx排放和燃烧噪声的影响，发现预喷射增加了碳烟的排放。作者还表明，减少预喷射中的喷射量并增加预喷射和主喷射之间的时间间隔，可以减少主喷射开始时的引燃火焰面积，从而降低碳烟的排放。

众所周知，废气再循环（EGR）是可以有效减少NOx排放的（Ladommatos等，1997；Hentschel和Richter，1995；Ladommatos等，1998；Arcoumanis等人，1983）。EGR在柴油机上的应用有助于从进气的部分氧气和氮气中分离出具有更高比热容的二氧化碳和水蒸气。

Ladommatos等人（1997）对2.5L四缸直喷式柴油机EGR的影响进行了详细的研究。他们的结果表明，EGR导致的NOx排放量的减少和颗粒物排放的增加主要归因于残余气体对进气充氧的稀释作用。Hent- schel和Richter（1995）在1.9L直喷式柴油机中研究碳烟的生成，发现了随着EGR率增加，产生的碳烟只是略有增加，但燃烧过程中被氧化的碳烟显著减少。

Ladommatos等人（1998）还观察到，EGR的使用导致滞燃期的延长以及整个燃烧过程的位置向膨胀冲程偏移。这导致了燃烧气体在高温下消耗的时间较短，使热NOx形成较少，并且降低了碳烟氧化率。

据Arcoumanis等人（1983）的报告，冷EGR在EGR率低于30%时排放的NOx较低，但是与热EGR相比，在EGR率较高时，冷EGR 排放的NOx更多。由于其影响非常复杂，通常必须考虑将EGR的应用与其他优化（如燃料喷射策略）相结合。

如前所述，多次喷射被认为是改善颗粒物排放的有效手段。因此，将EGR和多次喷射结合使用来同时减少颗粒和NOx排放可能性的研究是有意义的。Mikulic等人（1993）研究了带有EGR的预喷射对发动机排放和燃料消耗的影响，并且发现只有在EGR和预喷射结合使用时才能达到最低的NOx排放。他们还发现，预喷射与EGR结合使用不会增加燃料的消耗和HC的排放。Uchida等人（1998）发现预喷射和EGR结合使用，特别是在低负载的条件下时，由于烟雾增加，导致NOx与比油耗折衷结果几乎没有优势。他们认为，烟雾的增加可能是由于主喷射阶段喷嘴部分的温度和浓度较高。Pierpont等人（1995）研究了EGR和多次喷射的不同组合效果，当EGR与优化的两次喷射和三次喷射结合使用时，实现了NOx和碳烟排放明显同时减少，仅仅只是比油耗略有增加。

先进的喷射策略为改善混合过程提供了可能的途径，可以减少NOx和碳烟的排放。在当前的研究中，通过CFD模拟来确定直喷式柴油机中先进喷射策略和EGR结合影响的减排能力是有意义的。为此，已经考虑了三个因素对于喷射优化的影响，包括EGR率，主喷射与后喷射之间的间隔以及每个脉冲中的喷油量。基于这些模拟，可以获得NOx和碳烟最少量排放的最佳数据已经得到了证明。

1. 数值计算方法

2.1.CFD代码与计算网格

计算网格使用AVL ESE Diesel Tool创建（ICE Physics and Chemistry，2009）。由于喷嘴在燃烧室中心的对称位置，CFD计算是在60°扇形网格上进行的。在计算网格中不包括排气口和进气口在内，将该模拟集中在缸内流动和燃烧过程中。从进气门关闭时开始计算，到排气门开启时结束。所有的计算都使用相同的初始条件和边界条件。用于计算的时间步长为曲柄转角0.2°。最终网格是由六面体为主的网格组成。在上止点和下止点中，网格中单元的确切数量分别为34725和79311。发现本决议给出了足够的与电网无关的结果。

2.2.喷雾模型

标准的波浪模型，是刘等人（1993）用于对所得液滴进行一次和二次雾化的描述。在这个模型中，液体表面初始扰动的增长与它的波长、喷射的燃料、域流体还有其他物理和动力学参数有关。液滴喷射的特征尺寸与喷嘴出口直径（喷射）相等。Dukowicz模型是Dukowicz（1979）描述的，应用于处理液滴的加热与蒸发。该模型假定液滴温度均匀。此外，液滴的温度变化率由热平衡决定，其表明从气体到液滴的热对流或者加热液滴或者供应用于蒸发的热量。在仿真模拟中使用的喷雾碰壁模型是基于Naber等人（1988）描述的喷雾碰壁模型所建立。该模型假定撞击墙壁的液滴受到韦伯数的反弹或反射的影响。壳牌自动点火模型被用于模拟自动点火（Halstead等，1977）。在这种通用机制中，涉及烃类燃料、氧化剂、总自由基池，支化剂，中间物种和产品共6种通用种。此外，由Halstead等人（1977）的描述，自燃的重要阶段，如点火，扩散，分支和终止等，都是通过广义反应来给出的。

2.3.湍流混合模型

考虑到湍流效应的影响，采用k-型方法，并且对柴油的复杂氧化过程的不可逆反应进行了总结（ICE Physics and Chemistry，2009；Liu等人，1993）。平均反应速率已经由 Colin和Benkenida在2004年通过拟序火焰模型（CFM）进行评估。对于柴油喷雾而言，燃料液滴彼此非常接近，基本上位于一个由燃料构成的区域中。在燃料蒸发后，从几乎纯净的燃料区域到环境中与空气混合需要足够的时间。在这种情况下，最初是通过将燃料放入ECFM-3Z模型的lsquo;纯燃料rsquo;区中来模拟燃料和空气的混合（Colin和Benkenida，2004）。一种lsquo;混合燃料rsquo;运输方程的求解，将燃料从未混合状态转换为混合状态的源项描述如下：

其中是混合燃料的质量分数，是混合区气体的平均摩尔质量，是燃料的摩尔质量，是平均密度，是未燃气体的密度（新鲜气体的密度，燃烧没有发生），是混合时间。

2.4.燃烧模型

燃烧模型最初是基于拟序火焰模型所建立。ECFM-3Z模型（Colin和Benkenida，2004；Heacute;lie 和Trouveacute;，2000）区分了与柴油机内燃料燃烧有关的三个主要过程，即自燃，预混合燃烧和非预混合燃烧，扩散燃烧。自燃预反应是在燃料和空气的预混合中计算的，其滞燃期由局部温度、压力、燃料/空气当量比和残余气体量决定。在ECFM-3Z中建立火焰传播过程的模型，在喷射开始和始燃点之间的时间段期间形成的燃料/空气/残余气体混合物中进行预混合燃烧之后的局部自燃。第三种方式是扩散燃烧，反应发生在燃料和氧化剂分离的小区域中。在ECFM-3Z中，假定反应区的化学时间远小于扩散过程所需的时间。因此，扩散燃烧过程中的反应速率完全由燃料和氧化剂的混合来确定。这种不同点火/燃烧方式的明显分离使得ECFM-3Z型号特别适用于传统柴油燃烧模式和替代柴油燃烧模式。在传统情况下，大部分燃烧可以假定为扩散型，在最近引入替代概念的情况下，预混合燃烧内消耗大量的燃料。

2.5.污染物模型

众所周知，NO的形成主要取决于三种不同的过程，即热力型NO、快速型NO和燃料型NO（ICE Physics and Chemistry，2009）。通常在汽车柴油机应用中，第三个可以忽略不计，因为燃料中没有足够的氮。其他两种机制可能导致发动机中NO的形成，主要是热力型NO的形成，但也会出现一定数量的快速型NO。用于这项工作的模型涵盖了这两个贡献（ICE Physics and Chemistry，2009）。Hiroyasu模型（ICE Physics and Chemistry，2009；Hioyasu 等人，1989）也被用来预测碳烟的生成。一般来说，碳烟的产生主要发生在两个主要阶段，即碳烟形成和碳烟氧化。这些过程取决于燃料成分、缸内气体压力、缸内气体温度以及局部的燃料和氧气浓度。在目前的研究中实现的碳烟形成模型是基于适当的延伸和相适的联合化学/物理速率表达式相结合，用于表示颗粒成核、表面生长和氧化过程的。

1. 结果与讨论

3.1.模型的验证

用于模型验证的柴油机是单缸的卡特彼勒3401重型卡车发动机。发动机技术参数见表1（Wiedenhoefer和Reitz，2000）。

表1.发动机规格

燃料输送系统是一种电控共轨燃油喷射系统（Wiedenhoefer和Reitz，2000）。在研究的所有喷射情况下，每个发动机循环中都喷入等量的燃油。燃料喷射系统的主要特性列于表2。

表2.喷油器燃油系统规格

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