多次喷油策略下喷油间隔对双对置发动机性能和排放的数值分析*

张 磊， 苏铁熊,， 冯云鹏， 马富康， 张艳岗， 王 子

(1. 中北大学 机电工程学院， 山西 太原 030051； 2. 中北大学 能源动力学院， 山西 太原 030051； 3. 北京特种车辆研究所， 北京 100072； 4. 中国北方发动机研究所， 山西 大同 037000)

随着能源危机和环境污染的日益严重， 双对置二冲程柴油机由于其高效、高功率密度、高平衡性、低排放等优点， 引起了众多研究者的关注. 国内外针对双对置二冲程柴油机的研究工作已经广泛展开[1-3].

双对置二冲程柴油发动机采用对置活塞、对置气缸二冲程的结构. 由于其活塞相对运动， 采用侧面喷油结构——两个喷油器沿气缸径向方向成180°夹角布置在气缸壁上[4]. 对于双对置二冲程柴油机， 缸内涡流运动直接作用在侧面喷油嘴上， 容易引起喷雾轨迹偏差， 进而导致油滴在气缸内的运动、混合方式与传统发动机相比存在较大的差别. 同时由于气缸壁附近涡流比较大， 造成喷孔附近气流速度快、空气密度大， 不利于缸内油气混合. 再者， 与传统四冲程柴油机相比， 双对置二冲程柴油机的活塞相对运动速度是其2倍， 导致油气混合条件更加严苛[5,6]. 因此， 改善缸内油气混合是提高双对置二冲程柴油机性能的重要途径之一. D’Ambrosio[7]等指出预喷策略可以通过提高缸内温度来促进缸内油气混合过程. Park[8]等研究发现喷油间隔对柴油机性能有显著的影响. 李向荣[9,10]等指出减小喷油间隔以有效的提高缸内空间和缸内热氛围的利用率， 提高发动机性能， 同时降低soot排放， 但导致NOx排放升高. Cung[11]等研究表明： 恰当的喷油间隔可以有效地促进主喷燃油喷射距离和燃油蒸发， 促进混合气的形成， 降低缸内污染物排放. 目前， 预喷策略对发动机的工作过程的影响多以传统发动机为主， 而对于预喷策略在双对置二冲程柴油机的研究与应用中鲜有报道.

综上所述， 本文通过仿真分析喷油间隔对双对置二冲程柴油机混合及燃烧过程的影响， 得到喷油间隔对燃烧过程的影响规律.

1 仿真方案设计

1.1 研究对象及计算模型

图 1 OPOC柴油机结构示意图Fig.1 Concept of opposed-piston, opposed-cylinder (OPOC) diesel engine

试验用机为双对置二冲程柴油机， 布置在发动机中间的曲轴通过相应的曲柄连杆机构控制气缸内的一对活塞运动(见图 1)， 柴油机缸径为110 mm， 两个活塞的几何行程为160 mm， 有效压缩比为21， 活塞运动过程中气缸容积最小时对应的曲轴转角称为内容积止点(180°CA， TDC)， 气缸容积最大时对应的曲轴转角称为外容积止点(BDC). OPOC样机采用2个喷油器呈180°分布侧向布置在气缸壁上， 每个喷油器上有3个喷孔呈扇形分布， 喷孔直径为0.22 mm， 如图 2 所示. 喷油提前角为15 deg ATDC， 喷油持续期20 deg曲轴转角， 2个喷油器喷油分配比例为1∶1， 单缸循环总喷油量为90 mg， 喷油压力为140 MPa. 发动机标定工况转速为3 600 r/min.

图 2 OPOC燃烧室与喷嘴位置示意图Fig.2 OPOC diesel engine combustion and chamber and injector postion

图 3 CFD网格模型Fig.3 Computational domain of the simulation

利用AVL-FIRE建立了双对置二冲程柴油机右侧气缸的工作过程的计算流体动力学(Computational fluid dynamics, CFD)仿真模型如图 3 所示. 为了更精确计算， 模型考虑了整个换气过程， 计算从扫气口开启开始至扫气口再次开启结束. 进、排气道、气缸网格分别为52,936; 56,65; 357,404如图 3 所示. 湍流模型采用k-ε模型， 液滴破碎模型采用KH-RT模型， 液滴碰壁模型采用Walljet1模型， 燃油蒸发模型为Dukowicz模型， 燃烧模型采用shell自燃模型和三区拟序扩展火焰(ECFM-3Z)模型. 通过thermal NO和prompt NO原理预测NOx排放， 通过Hiroyasu model 预测碳烟排放.

1.2 计算模型的验证

图 4 为转速2 500 r/min， 80%负荷工况下仿真计算的缸内压力和放热率与试验值的对比. 从图 4 中可以看出仿真值与试验值能够较好地吻合， 其中缸内最大爆发压力最大误差不大于5%. 因此， 所建仿真模型可以进行高原环境下的OPOC柴油机燃烧过程仿真计算.

图 4 缸内压力和放热率与实验值对比曲线Fig.4 Comparison of calculated and measured in-cylinder pressure and heat release rate

1.3 预喷策略方案设置

图 5 为预喷策略示意图， 其中预喷正时和主喷正时分别指预喷和主喷开启电信号所对应的曲轴转角；mp是预喷燃油质量，mm是主喷燃油质量， 且mp

图 5 多次喷油策略示意图Fig.5 Multiply injection strategy

方案喷油量/mg4.2mg+79.8mg喷油正时/(deg)ATDC-65deg+ATDC-15degATDC-55deg+ATDC-15degATDC-45deg+ATDC-15degATDC-35deg+ATDC-15degATDC-25deg+ATDC-15deg

2 计算结果及分析

2.1 喷油间隔对湍流混合速度和速度场的影响

图 6 喷油间隔对湍流混合速率的影响Fig.6 The effect of injection interval on the turbulence mixing rate

油气混合过程对缸内燃烧和发动机性能有着重要的影响. 因此， 本文引入湍流混合速率表示缸内油气混合过程， 湍流混合速率为同一曲轴转角下， 平均湍流动能耗散率与平均湍流动能之比[5]. 图 6 和图 7 分别为不同预喷量对缸内湍流混合速率， 及速度场的影响. 图 6 为不同喷油正时对缸内湍流混合速率的影响. 如图 6 所示， 喷油间隔对预喷燃油的混合速率影响不明显； 随着曲轴转角的变化， 喷油间隔10 deg 喷油策略的缸内湍流混合速率逐渐增大， 混合速率超过其他4种喷油策略， 这是因为预喷正时滞后， 导致预喷燃油在喷嘴附近燃烧， 喷嘴附近温度升高， 促进主喷燃油油滴运动、雾化及蒸发. 喷油间隔增大， 预喷正时提前， 使预喷燃油远离喷嘴， 对主喷的促进作用逐渐减小， 因此缸内油气混合速率的变化呈现先快后慢的趋势， 其中喷油间隔大于30 deg的预喷策略缸内油气混合速率基本一致； 喷油间隔减小， 导致主喷阶段初期喷嘴附近燃油浓度过高， 抑制燃油混合速率， 但随着曲轴变化， 喷嘴附近温度升高， 缸内油气混合速率呈现出先慢后快的趋势. 图 7 为曲轴转角为-6 deg ATDC ， 不同喷油间隔对缸内速度场的影响， 如图 7 所示， 小喷油间隔可以有效促进湍流和涡流的形成.

图 7 喷油间隔对速度场的影响Fig.7 The effect of injection interval on velocity fields

2.2 预喷正时对缸内压力、温度及放热率的影响

图 8 不同喷油间隔策略对缸内平均压力的影响Fig.8 The effect of injection interval on the in-cylinder pressure

图 8 为不同喷油间隔对缸内平均压力的影响. 喷油间隔为10 deg的缸内平均最大压力为18.3 MPa. 喷油间隔为20 deg的缸内平均最大压力为19.1 MPa. 喷油间隔为30 deg的内平均最大压力为18.9 MPa. 喷油间隔为40 deg的缸内平均最大压力为19 MPa. 喷油间隔为50 deg的缸内平均最大压力为19.05 MPa. 研究表明： 不同喷油间隔影响缸内压力的变化， 其中喷油间隔为20 deg的预喷策略缸内最高平均压力最大.

不同喷油间隔对放热率的影响如图 9 所示： 随着喷油间隔的减小， 预喷燃油的预混燃烧峰值向右移动， 且预喷燃油的扩散燃烧逐渐减小， 甚至当喷油间隔为10 deg时， 预喷燃油的预混燃烧消失. 随着曲轴转角变化， 喷油间隔对主喷燃油放热率的影响为： 喷油间隔为10 deg的预混燃烧峰值为86.4 J/deg， 出现在-7.6 deg； 喷油间隔为20 deg的预混燃烧峰值为205.6 J/deg， 出现在-5.5 deg； 喷油间隔为30 deg的预混燃烧峰值为384.5 J/deg， 出现在-3.4 deg； 喷油间隔为40 deg的预混燃烧峰值为468 J/deg， 出现在-3 deg； 喷油间隔为50 deg的预混燃烧峰值为502 J/deg， 出现在-2.3 deg. 研究表明喷油间隔不仅影响预混燃烧， 同时也影响预混燃烧峰值对应的时刻增加， 其中喷油间隔50 deg主喷预混燃烧放热率最大.

不同喷油间隔对温度的影响如图 10 所示： 各喷油间隔的预喷策略缸内平均温度的总体趋势一致. 但从曲轴转角-10 deg到-2 deg缸内温度随着喷油间隔变化有所不同， 其中喷油间隔为10 deg的缸内平均温度呈现先增后减的趋势， 如图 10 所示.

图 9 不同预喷量策略对放热率的影响Fig.9 The effect of injection interval on the heat release rate

图 10 不同喷油间隔对温度的影响Fig.10 The effect of injection interval on the in-cylinder temperature

2.3 预喷正时对燃烧过程的影响

为了研究喷油间隔对燃烧过程的影响， 本文引入滞燃期、燃烧持续期以及燃烧重心C50(累积放热量达到总放热量50%的时刻) 3 个参数. 其中点火延迟为主喷燃油开启到燃烧始点C5(累积放热量达到总放热量5%的时刻)之间的曲轴转角， 燃烧持续期为燃烧终点C90(累积放热量达到总放热量90%的时刻)到燃烧始点之间的时间. 不同喷油间隔对点火延迟和燃烧持续期的影响如图 11 所示： 随着喷油间隔增加， 点火延迟增长， 但燃烧持续期缩短， 这是因为大喷油间隔策略对主喷燃油促进作用较小， 导致点火延迟增长， 较长的主喷燃油预混阶段， 形成较多燃混合气， 导致预混燃烧放热率峰值升高， 同时扩散燃烧阶段缩短如图9所示， 因此燃烧持续期缩短， 燃烧重心C50提前， 如表 2 所示.

表 2 不同喷油间隔对燃烧重心的影响

图 11 不同喷油间隔对滞燃期和燃烧持续期的影响Fig.11 The effect of injection interval on the ignite delay and combustion duration

图 12 不同喷油间隔对NOx和Soot排放的影响Fig.12 The effect of injection interval on the emission of NOx and soot

2.4 预喷正时对排放的影响

不同喷油间隔对NOx和Soot排放的影响如图 12 所示： 随着间隔增加， 缸内NOx排放量呈现先增加后减小的趋势， 而Soot排放量与之相反. 这是因为随着喷油间隔减小， 预喷燃油对主喷燃油的促进作用增强， 然而喷油间隔过小导致油气混合恶化， 缸内燃烧恶化， 导致Soot排放增高， NOx排放减少;喷油间隔过大， 预喷燃油对主喷燃油促进作用消失， 导致缸内油气混合质量较差， soot排放增加， 与此同时， 预喷燃油燃烧消耗了部分氧气， 生成少量水和CO2， 导致缸内热容升高， 抑制了NOx的生成.

3 结 论

1) 不同喷油间隔对主喷燃油油气混合速率影响不同， 小喷油间隔更有利于提高缸内油气混合速率.

2) 不同喷油间隔对OPOC发动机缸内压力和平均温度影响不同， 随着喷油间隔增大缸内压力和缸内平均温度都升高.

3) 喷油间隔对OPOC发动机排放有明显影响， 随着喷油间隔的增大， NOx呈现先增大后减小的趋势， Soot呈现先减小后增大大的趋势.

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