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基于CONVERGE的喷油正时和喷油压力对直喷式柴油机性能、燃烧和排放特性的综合影响的模拟

【印】Puri lng, T., Soni lng, L., and Deshpande, S.

摘 要

由于全球范围内严格的排放标致的实施使得汽车行业专注于研究减少内燃机的排放。 燃油喷油正时的变化对减少发动机废气排放有较大的影响。 本文使用CONVERGE等CFD软件论述了在4冲程、单缸和直喷式柴油机在满负荷条件下运行时，燃油喷油正时随燃油喷油压力的变化情况。 由于在这项工作中所考虑的活塞和碗形的几何形状是对称的，因此只有60°的活塞缸组件的部分被考虑用于完整360°模型的数值模拟。 为了研究在发动机气缸内发生的燃烧和流体力学以及减少计算时间，量化模拟了文献中记载的压缩冲程中从20°曲轴转角（CA）（bTDC）到做功冲程中140度CA（aTDC）。 由文献，标致喷油正时为15.1°（bTDC），并且该时间提前至19°（bTDC）到延迟至8°（bTDC）的燃料喷油压力的变化及其对直喷式柴油发动机的性能、燃烧和排放特性的影响。此数值模拟已经验证了15.1°（bTDC）喷油正时。 分析结果预测了诸如缸内压力，缸内温度，相对于曲柄角（CA）的放热率的数值结果。 此外也研究预测了在不同的喷油正时和不同的喷油压力下的发动机排放，如NOx、粉尘、CO和HC。

关键词：喷油正时 喷油压力 燃烧 排放 CFD

第1章 简介

在内燃机中，柴油发动机以其高效率和燃料经济性而闻名。在柴油发动机中，主要是燃料与燃烧室中的空气混合，形成可用于燃烧的部分预混合的混合物。燃烧速率、微粒排放和烟雾形成可以通过部分预混合的混合物制备特性来控制。Canakci和Sayin研究了柴油机喷油正时效应的变化[1]。他们发现，随着喷油正时的提高，NOX排放量增加，但一氧化碳（CO）排放量和未燃烃（HC）减少。Uchida等人[4]通过实验研究了增压、进气涡流和燃油喷油速率对柴油燃烧的影响，以减少废气排放，而对发动机性能没有任何影响。 通过中间冷却系统实现增压，除延迟喷油正时的氮氧化物外，还可提高燃油经济性和减少排放。延迟喷油正时与增加喷油率的组合导致颗粒和NOX排放减少而不影响燃料经济性。Nwafor等人[5]研究了柴油-植物油燃料和柴油-天然气燃烧现象，并使用同一台发动机在喷油正时和标致喷油正时方面取得进展。结果表明，较长的延迟导致不可接受的压力上升水平与柴油爆震的结果，因为大量的燃料在预混合燃烧中燃烧。 在低负荷运行条件下，不同的替代燃料延迟时间更长，燃烧速率更慢。这些影响可以通过喷油正时的提高来补偿。 随着喷油正时的推进，发动机在低负荷下平稳运行。

喷油正时的提高导致燃料消耗增加，喷油延迟减少，CO和CO2排放水平降低。Jayashankara等[12]使用CFD代码数值研究了喷油正时和空气增压压力的影响。他们通过Payri等人完成的实验工作验证了他们的数值工作[6]。他们从工作中发现，随着喷油正时的提高，NOx排放量，汽缸压力和汽缸温度都会提高。他们还发现，与自然吸气发动机相比，增压和中冷发动机可产生更多的NOx排放量。Han等人[2]对多次注入和分裂注入情况进行了数值研究。他们发现多次喷油显着降低了NOx，而分开喷油时，烟尘排放得到了增加，而NOx排放保持不变。Assanis等人[9]数值研究了多重喷油对CI发动机燃烧和排放的影响。 他们表示，试点喷油和后喷油会导致烟尘排放减少。Ashrafur Rahman等人[13]研究了使用生物柴油，柴油和乙醇混合物作为燃料的喷油正时的影响。他们发现，如果柴油燃料的喷油正时提前，则排放NOX会增加，而CO和HC排放会减少。但是在延迟方面，NOX排放显着减少。R.Thundil等人[14]数值研究了柴油机喷油正时的提升效果。 他们表示，随着喷油正时的提高，缸内压力峰值上升，NOx增加，而烟灰减少。 他们还表示，为了降低喷油正时提前的NOx排放，可以将EGR累计高达40％。Abdullah等人[26]已经进行了实验研究工作，以优化CI引擎的性能和排放的多次喷油变化。结果表明，高压多次喷油与冷却的EGR一起，相比于在没有EGR的情况下在没有EGR的情况下在低压下多次喷油以及烟灰和NOX排放的组合，产生更好的总体结果。

Manimaran等人[15]研究了在各种燃料喷油温度下喷油正时的影响。 他们发现，随着燃料喷油温度的升高，烟尘水平下降。 在高燃料喷油温度下推进喷油正时，NOX排放增加。 Binesh等[18]在cfd代码的帮助下研究了液滴喷雾模型。 离散液滴法用于喷雾计算。 计算结果的验证是用实验数据完成的。 他们表明，由于喷油渗透在排放和燃烧特性方面发挥主要作用，可以用建模方法很好地预测。许多文献[19,20,21,22,23]指出，喷雾动力学在传热过程，燃烧，蒸发速率和污染物形成中起主要作用。燃料的雾化影响燃烧效率和污染物形成。对于柴油喷雾Reitz和Diwakar [24]有效地提出了eulerian-lagrangian喷雾和雾化模型。

本文论述了满负荷情况下燃油喷油压力随发动机性能和排放变化的喷油正时的提前和减速的影响。由于实验结果很难同样得到，它包括昂贵的硬件，如光学圆柱体，粒子图像测速仪（PIV）等，并且方便的工作，并且随后生成许多计算流体动力学（CFD）代码，其结果与实验结果相同工作。 因此，本文通过数值模拟研究了喷油正时提高到19度bTDC和喷油正时延迟到8度bTDC和标致喷油正时15.1度bTDC的影响，燃料喷油压力分别在700巴，1600巴和853巴的满负荷情况下发动机性能，燃烧及其排放特性的变化。

第2章 数值分析

PeugeotCitroeuml;n[8]的PSA“omega;”形活塞碗的发动机用于数值模拟分析。CONVERGE CFD工具用于发动机的流体动力学计算模拟和分析输出结果;使用软件ENSIGHT后期处理。为了研究在发动机气缸内发生的燃烧和流动物理现象，并减少计算时间，考虑从20°CA bTDC到140°CA aTDC的模拟，保持排气和进气阀关闭。模拟是针对压缩冲程的一部分完成的，全负荷工况用于捕获燃烧和排放特性。在引用文献中可以找到PSA标致发动机的规格[8]如表格1所示。

表1. 发动机规格

在Converge中，曲面效用用于创建STL格式的发动机扇形模型，该模型不含表面缺陷，如非正常方向，非流形边缘，重叠，开放边缘和交叉点等。扇形几何体的所有表面三角形均标有适当的边界，即活塞，头部，衬垫和周期性表面（如正面和背面）。

使用的喷油器有六个喷嘴孔，因此60度扇形发动机使用表面实用工具用周期性表面建模。网格生成在运行时在Converge内部发生。适合的体网格是使用切割单元技术自动生成的。内部的单元形状为六面体和正交的，它们保持静止并去除与移动网格相关的扩散。与表面几何相交的单元被形成任意多边形的多面体的表面切割。最后生成体拟合体网格，这是几何表面的精确表示，诸如基础网格，自适应网格（AMR），固定嵌入和网格缩放等方法用于网格细化的收敛。基网尺寸保持在1.4毫米；标尺2用于衬垫，活塞和头部的固定嵌入。在喷嘴嵌入中，应该使用4级。因为用于捕获喷雾物理的网格尺寸必须小于等于0.25mm [27]。喷嘴嵌入和固定嵌入网格细化遵循以下等式。

在用于捕获温度和速度的AMR中，使用表2所示的缸内条件。详细操作条件可在文献[8]中得到（表2）。

表2.发动机的详细操作条件

图1.部分气缸 图2.关于XZ平面对称的气缸扇形俯视图

第3章 CFD模型

O-Rourke模型[28]用于模拟在整个喷雾锥体中均匀分布的50000个燃料喷雾包，以计算喷雾建模中的喷雾湍流。蒸发相关的蒸发模型[29]用于模拟喷雾液滴蒸发。 当液体燃料蒸发时，蒸发模型将蒸发的液体燃料质量转换为源为正十二烷用来替代柴油。无时间计数器（NTC）模型[30]用来捕获液滴。

最后，碰撞Kelvin Helmholtz和Rayleigh Taylor（KH-RT）用模型[31,32]来预测液体的雾化和破裂。图3以20度曲轴转角aTDC呈现燃烧室内的燃油喷雾分布。

图3.对应于20°CA aTDC的燃油喷雾

正十二烷的燃料性质见于表3.

表3.正十二烷的燃料性质

化学SAGE燃烧模型[33]用于燃烧建模。热值、比热容、粘度、导热系数及其相应的随压力、温度和当量比的变化、详细的化学反应步骤、自由基的形成等热力学性质被导入到Chemkin格式的CONVERGE工具中以预测发动机气缸内燃烧过程中发生的详细化学动力学。在SAGE燃烧模型下采用CVODES模型，该模型可以捕获100个自由基来解决反应机制，并且是SUNDAILS软件包的一部分[34]。因此，在CONVERGE中提供了100种反应机理文件和432个正十二烷反应作为输入，用于在SAGE下使用求解器的更精确地捕获燃烧模型。在SAGE建模下这个数值涉及多个区域模型[35]。它通过在区域中的SAGE建模解决了详细的化学反应，并且处理具有相似热力学状态的各组cell以加速并实现详细的化学动力学解决方案。Hiroysau煤烟模型[36]和扩展的zeldovich NOX模型[37]用于捕捉烟尘和NOX排放量。用于捕捉流场物理燃烧室内湍流RNG k-ε模型[38]被用作内部流动是紊流。湍流模型采用壁面传热和壁面模型定律。

第4章 验证

实验数据来自Colin等人[8]做的相同的PSA标致设计的汽车柴油发动机，缸内压力变化相对于曲轴转角的变化在表格1中陈述的条件下。数值模拟结果显示，同样的汽车柴油发动机缸内压力随曲轴转角变化（在表格1运行条件下）实验数据一起验证。

图4.通过实验验证的仿真结果 图5.相对于网格单元数的峰值缸内压力

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