先进喷油策略对直喷柴油机性能及排放特性影响的仿真研究



先进喷油策略对直喷柴油机性能及排放特性影响的仿真研究

基于CFD仿真，研究了预喷、后喷、多次喷射及EGR对重型直喷柴油机性能与排放特性的影响。由于喷油器位于燃烧室中心且燃烧室形状对称，故仿真过程只采用60°部分网格进行计算以节省计算时间；由于主要研究缸内流动特性及燃烧过程，故计算网格不包括进气道与排气道，且计算从进气门关闭开始到排气门开启结束。计算步长设置为0.2°，位于上止点时计算网格数为34725，位于下止点时计算网格数为79311，所有计算方案均采用相同的初始设置与边界条件。计算过程中选取标准WAVE模型作为喷雾破碎模型，蒸发加热模型为Dukowicz模型，并采用相关火焰模型中改进的ECFM-3Z燃烧模型来估算平均反应速率。用于模型验证的发动机为卡特彼勒3401型单缸重型载货车柴油机，其采用电控高压共轨燃油喷射系统，具体参数见表1。

图1与图2分别为无预喷和有预喷的多次喷射试验设置，各组试验中循环喷油量固定为0.1622g，且主喷起始时刻固定为上止点前9°，对于有预喷的多次喷射，预喷量固定为总喷油量的5%且喷油持续1.075°，预喷与主喷间隔为30°。

研究结果表明，尽管采用EGR可以有效降低缸内温度从而减少NOx排放，但同时会导致Soot（碳烟）排放增加，原因是EGR会导致高温浓混合气区域增多，而采用多次喷射可以有效减少这些区域内Soot的生成量，多次喷射改善了缸内燃料与空气的混合，起到稀释混合气的效果。将预喷与后喷结合，可在扩散燃烧阶段减少Soot的形成，并在膨胀冲程将已形成的Soot氧化，从而降低Soot排放，同时NOx排放也保持在较低水平。

表1　发动机参数

刊名：International Journal of Heat and Fluid Flow（英）

刊期：2012年第33卷

作者：Raouf Mobasheri et al

编译：韩晓梅