喷油模式和喷油定额对柴油机预混燃烧和排放的影响

喷油模式和喷油定额对柴油机预混燃烧和排放的影响

预混合动力燃烧技术（pcc）通过调整燃烧过程中的混合和反应参数来实现高效化能和低no。根据燃油喷射定时不同,PCCI燃烧分为:(1)柴油在很早的喷油定时(90~120°,CABTDC)下进行,以获得足够的混合时间形成稀且均匀的混合气Kamimoto和Kitamura等综上,笔者采用试验和数值模拟相结合的方法,研究中、小负荷下喷油模式和喷油定时对柴油机预混燃烧和排放的影响.1试验平台的构建和数值模拟模型的数值1.1燃油模拟系统试验在一台改装的6缸重型柴油机上进行,其主要技术参数如表1所示,试验装置参见文献[10].为满足单缸试验方案的需要,对其第6缸进行了改造作为试验用气缸,配备了单独的模拟增压进气系统、电控高压共轨燃油供应系统以及废气再循环系统以对燃油状态和缸内状态进行实时准确控制.进气压力、喷油模式(喷油定时、喷射次数及喷射压力等)及EGR率(进气氧体积分数)可以大范围灵活调整.表2为柴油机预混燃烧模式下的试验与模拟研究工况点.SOI(startofinjection)表示开始喷油的时刻,其中单次喷油的喷油定时与多次喷射最后一次喷油脉冲时刻相同.IMEP(indicatedmeaneffectivepressure)表示平均指示压力.1.2数值模拟模型和合理性验证应用STAR-CD三维CFD软件,模拟计算中的模型及模型验证参见文献[10].2结果与讨论2.1试验结果与讨论2.1.1混合喷油模式对均压升率的影响为了区分不同燃烧策略间的差别,引入“混合时间”概念.混合时间定义为从喷油结束到着火开始时刻之间所持续的时间图1为不同喷油模式对缸内压力和放热率的影响的试验结果.其中“SOI混合时间是表征燃油与空气预混合程度的量.混合时间均为正数时,多脉冲喷油最后一次喷油定时与单次喷油相同,多脉冲喷油4次喷油脉冲的混合时间均大于单次喷油工况,因而多次喷油的预混合程度均好于单次喷油情况.所以,较高负荷下,多次喷油的压升率略高于单次喷油的压升率.2.1.2多次喷油、燃烧碳烟图2为各工况试验测量的碳烟、CO和UHC排放及指示热效率与NO在较大喷油量下,欲同时降低碳烟、CO和UHC排放需要将单次喷油改为多次喷油,增大喷油脉冲的混合时间,提高着火前燃氧混合的程度.另外,多次喷油随着喷油定时的推迟,燃氧混合时间缩短,70°CABTDC工况的碳烟排放最高.2.2喷油至cabtdc由图2可知,喷油量为47,mg,进气压力为0.159MPa,EGR率为58%,,O3个工况的着火延迟期分别为32、23和15°CA,随着喷油定时的推迟,着火延迟期缩短,着火前燃氧混合时间缩短,3个工况的着火均发生在喷油结束后(着火延迟期大于喷油持续期),避免了边喷油边燃烧的扩散燃烧形式、局部高温区和局部过浓区,符合预混燃烧的特征,故NO图3为低负荷下单次喷油的喷油定时对着火前一时刻燃氧当量比分布的影响.当喷油定时由45°CABTDC向后推迟的时候,油束的撞壁点由活塞顶部和挤流区逐渐移向活塞凹坑的底部.当喷油定时为35°CABTDC时,喷射的油束碰撞在活塞的表面,被分成了两部分:一部分燃油在燃烧室上方,另一部分燃油进入活塞凹坑内,这有助于充分利用整个气缸内的新鲜空气.喷油定时不同,每一部分燃油蒸气分布的量也不同.喷入的油束和挤流运动所产生的空气运动都会明显影响燃油和空气的混合,燃油蒸气的分布影响着局部混合气的条件和每个区域内空气利用的程度,为随后的着火和燃烧过程做准备.当喷油定时为35°CABTDC时,燃烧室的唇口设计有助于形成的混合气进入燃烧室上方的空间中,又不会进入侧隙内,有利于充分利用燃烧室上方的新鲜空气.当喷油定时为26°CABTDC时,几乎所有的燃氧混合气在燃烧室内形成,燃烧室的“BUMP”环的剥离作用有助于降低燃烧室壁面附近的燃油浓区,但是晚的喷射定时使得混合时间降低.总之,由于不同的喷射定时,混合时间和混合空间(即混合气形成的位置)是不同的.图3所示当喷油定时为45°CABTDC和35°CABTDC时,混合气的最大局部当量比分别为1.34和1.32;当喷油定时推迟为26°CABTDC时,混合气的最大局部当量比为3.18,混合气浓区的存在有助于形成碳烟,但是其燃烧相位更接近上止点,更高的缸内温度更有助于碳烟氧化.综合作用下,低负荷时,最终的碳烟和其他燃烧中间产物CO、UHC排放随着喷油定时的推迟而略有降低(图2).同时,接近上止点的燃烧相位和更完善的燃烧效率使得指示热效率随着喷油定时的推迟明显升高.图4为单次喷油模式的喷油定时对局部温度大于2,200,K的缸内气体质量分数的影响.众所周知,NO图1和图2所示IMEP≈0.7,MPa、相同喷油压力下,喷油量的增多使得喷油持续期增长,此时,为避免爆震和NO图5为IMEP≈0.7,MPa时,单次喷油的喷油定时对着火前一时刻燃氧当量比分布的影响.喷油定时为45°CABTDC时,大量燃油蒸气进入侧隙内,在那里形成浓混合气.随着喷油定时的推迟,混合气的形成位置向燃烧室凹坑内转移.35°CABTDC时,形成的混合气远离侧隙区,并可以充分利用燃烧室上方和凹坑内的空气.26°CABTDC时,形成的混合气几乎全部集中在燃烧室凹坑壁面附近,在那里形成浓混合气.因此,在混合时间和混合空间的共同作用下,随喷油定时的推迟,局部燃氧当量比的最大值先明显减小后增大.与图3相比,相同喷油定时下,喷油质量增加,喷油持续期延长,混合时间缩短,着火前一时刻局部燃氧当量比的最大值明显增大.图6a为IMEP≈0.7,MPa负荷下,单次喷油的喷油定时对着火前一时刻各燃氧当量比范围内混合气的质量分数分布的影响.随着喷油定时的推迟,油束内的平均当量比由1.85增加到1.89再到3.76;Ф>2的累计质量分数由21.8%,增加到47.1%,再到63.8%,;Ф>3.5的累计质量分数由7.7%,下降至0%,再骤增至35.3%,.由Ф-T图图6b为IMEP≈0.7,MPa负荷下,多次喷油的喷油定时对着火前一时刻各燃氧当量比范围混合气的质量分数分布的影响.图7为IMEP≈0.7,MPa负荷下,多次喷油的喷油定时对着火前一时刻燃氧当量比分布的影响.当喷油始点由90°CABTDC推迟到80°CABTDC时,尽管混合时间缩短了10°CA,但是,燃油喷射在相对更高的环境密度和温度条件下进行,油束的贯穿距离缩短,进入侧隙内的气相燃油的质量降低.同时,当第4次脉冲喷射定时由45°CABTDC推迟到35°CABTDC时,最后一次脉冲喷射的燃油喷入燃烧室凹坑内,这有利于充分利用整个气缸内的空气.基于以上原因,着火前一时刻缸内的最大局部燃氧当量比由4.4降低到3.6.另外,图6b所示当多次喷油的喷油始点由90,°CABTDC推迟到80°CABTDC时,Ф<1的燃氧混合气的累计质量分数由29.9%,增加到40.5%,,而Ф>2的燃氧混合气的质量分数几乎没变.因而此时碳烟排放基本不变(图2a).图7所示当多次喷油的喷油始点由80°CABTDC推迟到70°CABTDC时,由于喷射位置的改变,形成的混合气局部当量比最大的位置由侧隙内转移到燃烧室凹坑内,改善了混合气形成的空间位置.然而,由于混合时间缩短了10°CA,此时着火前一时刻局部当量比的最大值由3.6增加到4.3;Ф>2的混合气的累计质量分数由3.6%,增加到17.6%,(图6b).因而此时的碳烟排放由0.1,FSN骤增至0.4,FSN(图2a).对比图6b与图6a、图7与图5,在IMEP≈0.7,MPa负荷下,与单次喷油相比,多次喷油的优势非常明显.在较高负荷下,增加的喷油质量和延长的喷油持续期使得单次喷油模式的混合时间缩短,持续喷入的燃油累积在一起形成了大量的浓混合气.相比之下,在这种情况下采用多次喷油模式,可以将喷入的燃油质量分为4个脉冲,最后一个脉冲的喷射定时与原单次喷油的定时相同,将其他3个脉冲油量在压缩冲程的早期喷入燃烧室,这样保证这3个脉冲的油量有足够的混合时间,最后一个脉冲由于喷油持续期缩短,其混合时间也增加,这样在较高负荷下可以形成更均质的混合气(图6),3种喷油定时下多次喷油的平均当量比分别为1.17(工况7)、1.14(工况8)和1.30(工况9),远低于单次喷射的1.85(工况4)、1.89(工况5)和3.76(工况6),这有利于同时降低碳烟、CO和UHC排放(图2).另外,对比图6b与图6a可知,采用多次喷射Ф=1的混合气的质量分数比采用单次喷射的要高的多,因而多次喷射的燃烧速率要高于单次喷射的燃烧速率.所以,多次喷射的压力升高率略高于单次喷射的压力升高率,但都在爆震压升率界限内(图1).综合以上分析,3种工况下,第4次喷油定时为35°CABTDC时,可以分别得到各组最优的NO图8为3个工况下着火前一时刻混合气当量比分布的质量分数对比.在较高负荷下,多次喷油与单次喷油相比,由于在混合时间和混合空间的优势,其平均当量比由1.89(工况5)降为1.14(工况8),φ>2的质量分数亦大大降低,接近于小负荷单次喷油的情况(工况2).因此,IMEP≈0.7,MPa负荷时,采用喷油定时为80、65、50和35°CABTDC的多次喷油策略可以得到与低负荷(IMEP≈0.45,MPa)时单次喷油相当的碳烟和UHC排放,但CO排放较高,热效率较低(41%,)(图2),在此基础上降低CO排放、提高热效率的方法有待进一步研究3喷油复合式喷油模型(1)预混燃烧的混合时间均为正数,说明预混燃烧的燃油喷射和燃烧过程是两个相互独立的过程,避免了边喷油边燃烧的柴油机传统扩散燃烧形式,有利于降低NO(2)低负荷(IMEP≈0.45,MPa)、单次喷油模式喷油定时为35,°CABTDC时,油束的撞壁位置将形成的混合气分成燃烧室上方和活塞凹坑两部分,有利于充分利用整个气缸内的新鲜空气;随着喷油定时的推迟,高温混合气的累积质量分数先降后增,故35°CABTDC时的NO(3)IMEP≈0.7,MPa负荷、单次喷油模式与低负荷相比,由于喷油量增多,喷油持续期延长,着火前燃氧混合时间缩短,碳烟、CO和UHC排放急剧升高;改变喷油定时,在混合时间和混合空间的共同作用下,单次喷油模式喷油定时为35°CABTDC