通过CFD建模分析先进喷油策略对重型直喷柴油机发动机性能和污染物排放的影响
摘要：为了研究先导式，后置式和多燃料喷射策略和EGR对重型直喷式柴油发动机的发动机性能和排放形成的综合影响，进行了先进的CFD模拟。ECFM-3Z燃烧模型的改进版本与先进的氮氧化物和碳烟形成模型相结合。该模型通过卡特彼勒3401 DI柴油发动机的实验数据进行验证，预测和测量的缸内压力，热释放率，氮氧化物和烟尘排放得到了很好的一致。针对不使用先导注入的不同分割注入情况分别进行优化，然后针对各种多注入情况进行优化。总体而言，考虑了三个因素用于喷射优化，包括EGR率，主喷射与后喷射之间的分离以及每个脉冲中喷射的燃料的量。对于多次喷射的情况，还增加了两个因素（包括主喷射期间的双重喷射和三重喷射）。结果表明，使用先导喷射和优化的主喷射对燃烧过程具有显着的有益影响，因此它可以形成单独的第二阶段放热，从而降低最高燃烧温度，从而减少NOx的形成。另外，它发现在适当的EGR下喷射适量的燃料可以显着减少碳烟，而不会导致NOx损失率。
关键词：多次喷射，CFD模拟，DI柴油发动机，EGR，污染物排放
1.介绍
DI柴油机符合严格的废气排放标准的改进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TDC的喷油正时，并且无法满足非常早或较晚喷油正时的要求。柴油发动机行业的增长趋势是更广泛地使用电子控制的高压喷射系统，其可以在循环的任何点喷射燃料而不会由于喷射正时或发动机转速而改变喷射率。
多次喷射已被证明是减少柴油机中污染物排放的有效手段（Li等，2004; Mendez等，2008; Husberg等，2008; Badami等，2002; Mobasheri等， ，2011; Shundoh等，1992）。多次喷射将总燃料量分成每燃烧事件两次或多次喷射。试点喷油通常也被定义为在第一次喷油时喷油量为15％或更少的喷油。许多研究人员现在正在研究试点和分流喷射作为同时减少氮氧化物和烟尘排放的有效手段。
已经发现多次喷射的好处高度依赖于每次喷射中燃料量的规格以及喷射之间的停留时间。Shundoh等人（1992）报道，如果先导喷射与高压喷射结合使用，则NOx可以减少35％，并且吸烟60-80％，而不损害燃料经济性。Nehmer等人（1994）通过将第一次喷射中的燃料量从总燃料量的10％改变到75％，研究了重型柴油机中的分流喷射的效果。他们发现分流式喷射更好地利用了空气充量，并且允许燃烧继续进入动力冲程，而不是单个喷射情况，而不增加烟灰产生量。Tow等人（1994）发现，在重型发动机上使用双重喷射并保持相对较长的停留时间，导致颗粒物排放减少三分之一，NOx没有增加，而BSFC与单次喷射相比只有轻微增加。Zhang（1999）使用单缸HSDI柴油发动机来研究先导喷射EGR对烟尘，NOx和燃烧噪声的影响，并发现喷射引发增加了烟尘排放。作者还表明，在主喷射开始时减少试点喷油中的燃油量并增加喷油和主喷射之间的间隔可以减少试点火焰面积，从而降低烟尘排放。
众所周知，废气再循环（EGR）对减少NOx排放是有效的（Ladommatos等，1997; Hentschel和Richter，1995; Ladommatos等，1998; Arcoumanis等，1983）。EGR在柴油发动机中的应用有助于用排气中的二氧化碳和水蒸气替代进气中的部分氧气和氮气，从而具有更高的比热容。
Ladommatos等人（1997）详细研究了EGR在2.5L四缸直喷式柴油发动机中的作用。他们的结果表明，由于EGR导致的NOx排放量的减少和颗粒物排放的增加可能主要归因于残余气体对入口充氧量的稀释作用。Hentschel和Richter（1995）研究了1.9 L DI柴油机中烟灰的形成，发现随着EGR率的增加，烟灰的形成量仅略有增加，但在燃烧过程中被氧化的烟灰量明显减少。Ladommatos等人（1998）也观察到EGR的使用导致点火延迟的增加以及整个燃烧过程的位置向膨胀冲程的偏移。这导致燃烧气体在高温下花费较短时间，导致较低的热NOx形成以及降低的碳烟氧化率。
Arcoumanis等人 （1983）报道，冷EGR在EGR率低于30％时导致更低的NO x排放，但是在更高的EGR率下，与热EGR相比，冷EGR看起来提供略高的NO x排放。由于其影响如此复杂，通常必须考虑将EGR的应用与其他优化结合起来，例如燃油喷射策略。
如前所述，多次喷射被认为是改善微粒排放的有效手段。因此，研究结合使用EGR和多次喷射来探讨同时减少颗粒和NOx排放的可能性是有意义的。Mikulic等人（1993）研究了EGR引燃喷射对发动机排放和燃料消耗的影响，发现只有使用EGR和先导喷射的组合才能达到最低的NOx排放。他们还发现，试点喷射与EGR结合不会使燃料消耗和HC排放恶化。Uchida等人（1998）发现，由于烟雾增加，特别是在低负荷条件下，引燃喷射与EGR的组合使用对于NO x -BSFC折衷结果几乎没有优势。他们认为，烟雾的恶化可能是由主喷射干扰在喷嘴附近的较高和较高当量比区域造成的。Pierpont等人（1995）研究了EGR与多次喷射的联合效应，并且当EGR与优化的双重和三次喷射结合使用时，仅在BSFC中轻微增加时实现了NOx和烟尘排放的显着减少。
先进的喷射策略为改善混合过程提供了可能的途径，从而可以减少NOx和烟尘排放。在当前的研究中，通过计算流体力学（CFD）模拟来确定DI柴油发动机中先进喷射策略和EGR的组合效应的减排能力是有意义的。为此目的，已经考虑了三个因素用于喷射优化，包括EGR率，主喷射与后喷射之间的分离以及每个脉冲中喷射的燃料的量。基于这些模拟，已经证明了获得最小量的NOx和烟尘排放的最佳操作点。
2.数值程序
2.1 CFD代码和计算网格
计算网格是使用AVL ESE Diesel Tool（ICE Physics and Chemistry，2009）创建的。由于喷油器位于燃烧室中心的对称位置，CFD计算是在60个扇形网格上进行的。通过将该模拟集中在缸内流动和燃烧过程中，排气口和进气口不包括在计算网格中。计算从进气阀关闭（IVC）开始，到排气阀开启（EVO）结束。所有计算都使用相同的初始和边界条件。用于计算的时间步长是曲柄角的0.2度。最终的网格由六面体支配的网格组成。在TDC和BDC中，网格中细胞的确切数量分别为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
Liu等人描述了标准的WAVE模型（1993）用于所得液滴的初级和次级雾化建模。在这个模型中，液体表面初始扰动的增长与其波长以及喷射燃料和域流体的其他物理和动态参数有关。滴包裹注入的特征尺寸等于喷嘴出口直径（斑点注入）。Dukowicz模型应用于处理液滴的加热和蒸发，这在Dukowicz（1979）中有所描述。该模型假定液滴温度均匀。另外，液滴温度变化的速率由热平衡决定，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。在模拟中使用的喷淋壁相互作用模型是基于Naber等人所述的喷淋壁冲击模型（1988）。这个模型假设撞击墙壁的液滴受基于韦伯数的反弹或反射的影响。壳牌自动点火模型用于自动点火模型（Halstead等，1977）。在这种通用机制中，涉及6种用于碳氢燃料，氧化剂，总游离基池，支化剂，中间物种和产品的通用物种。此外，自燃的重要阶段，如引发，增殖，分支和终止，由Halstead等人描述的广义反应给出（1977年）。
2.3 湍流混合模型
k-ε方法已被用于考虑湍流效应，而柴油燃料的复杂氧化过程通过单步不可逆反应进行了总结（ICE Physics and Chemistry，2009; Liu等，1993）。平均反应速率已通过Coherent Flamelet Model（CFM）Colin和Benkenida，2004进行了评估。对于柴油喷雾器，燃料液滴彼此非常接近并且位于基本上由燃料制成的区域中。在燃料蒸发后，从几乎纯净的燃料区域与环境空气混合需要足够的时间。在这种情况下，燃料与空气的混合通过最初将燃料放入ECFM-3Z模型的“纯燃料”区域来模拟（Colin and Benkenida，2004）。“未混合燃料”的运输方程可以解释如下：将燃料从非混合状态转换为混合状态的源项描述如下：
（1）
其中是未混合燃料的质量分数，是混合区中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（新鲜的密度 如果没有发生燃烧就会得到的气体）， 是混合时间。
2.4 燃烧模型
燃烧模型最初基于相干火焰模型。ECFM-3Z模型（Colin和Benkenida，2004;Heacute;lie和Trouveacute;，2000）区分了柴油机燃烧的所有三种主要制度，即自燃，预混火焰和非预混，即扩散燃烧。自燃预燃反应是在燃料和空气的预混合量内计算的，点火延迟由当地温度，压力，燃料/空气当量比和残余气体量决定。局部自动点火之后是预混合燃烧，在根据火焰传播过程建模的ECFM-3Z内在喷射开始和自燃开始之间的时间段期间形成的燃料/空气/残余气体混合物。第三种方式是扩散燃烧，其中反应发生在分隔燃料和氧化剂的薄区中。在ECFM-3Z中，假定反应区中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，在最近引入的替代概念的情况下，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NO，即时NO和燃料NO机制（ICE Physics and Chemistry，2009）。通常在汽车柴油发动机应用中，第三个可以忽略不计，因为燃料中没有显着的氮气量。其他两种机制可能导致发动机中的NO形成，其中主要形成热NO，但也会出现一些量的NO。用于这项工作的模型涵盖了这两项贡献（ICE Physics and Chemistry，2009）。
Hiroyasu模型（ICE物理与化学，2009; Hioyasu等，1989）也被用来预测烟尘的形成。一般来说，烟尘的产生主要发生在两个主要阶段，即烟尘形成和烟灰氧化。这些过程取决于燃料成分，缸内气体压力，气缸内气体温度以及当地燃料和氧气浓度。在当前研究中实施的烟灰形成模型是基于适当延伸和适应的联合化学/物理速率表示的组合，用于表示颗粒成核，表面生长和氧化的过程。
3.结果与讨论
3.1 模型验证
用于模型验证的柴油发动机是卡特彼勒3401重型卡车发动机的单缸版本。表1给出了发动机的规格（Wiedenhoefer和Reitz，2000）。
表1 发动机规格
表2 喷油器燃油系统规格
图1 计算和测量缸内压力和热释放率的比较
燃料输送系统是电子控制的共轨燃油喷射系统（Wiedenhoefer和Reitz，2000）。在所研究的所有喷油情况下，在每个发动机循环中喷入相同量的燃油。表2列出了喷射系统的主要特性。
图1显示了预测和测量的缸内压力和热释放率之间的比较。结果是基于气缸壁的均匀壁温度为425K，气缸盖为525K，活塞顶部为525K的假设。
由模型预测的趋势与实验结果相当接近，但仍存在一些差异，如图1所示。这些差异可能与计算的输入参数的实验不确定性有关，例如精确的喷射持续时间，启动 IVC的喷射时间和气体温度。
图2和图3呈现了针对0％和10％的EGR水平的预测和测量的发动机输出碳烟和NOx值之间的比较。
图2 预测的NOx与实测数据的比较（Wiedenhoefer et al，2000）
图3 预测烟尘与实测数据的比较（Wiedenhoefer et al，2000）
图4 喷射正时对NOx和碳烟的影响，单次喷射，EGR = 0％
表3 研究案例的计算条件
如图2所示，增加引起进气量稀释的EGR和进气中的氧气不足导致较低的燃烧温度并因此降低NOx排放。相反，如图3所示，这种变化对烟尘形成有相反的影响。
尽管可以预测NOx和烟尘形成过程，但这两个组分只有一个测量值。为了进一步评估模型的预测能力，用几种不同的喷射时间模拟了NOx和烟灰之间的折衷。图4显示的结果表明，本研究中使用的模型可以提供足够的关于燃烧过程和排放的仿真结果的信心。
从图4中可以看出，预测的趋势与实验值非常相似。特别是，它们捕捉到氮氧化物减少的趋势和燃料喷射延迟增加的烟尘。
3.2 建模方法学
如前所述，为了充分发挥多个喷射参数的综合效应，需要对发动机工况进行仔细优化。基于上述单次喷射验证的成功，下面几节将介绍并讨论不同多次喷射情况下的模拟结果。总共有24种不同的喷射装置，对于每个脉冲（每秒脉冲高达30％）的可变燃料量的分流和多次喷射情况以及脉冲之间的可变分离/停留（高达30°CA）已经考虑过。该优化分别针对不具有先导喷射的分流喷射情况进行，然后针对不同的多喷射策略伴随着早期先导喷射。另外，对于多个注入案例，还有两个案例
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