高压共轨柴油机燃烧室内气流特性与共轨压力匹配研究

高压共轨柴油机燃烧室内气流特性与共轨压力匹配研究

0高压共轨燃油系统柔性控制的必要性现代直接喷油机的燃料经济和污染物排放主要取决于汽油和空气的混合，尤其是汽油和空气之间的相互作用，尤其是汽油和空气之间的相互作用。燃烧室内的气流特性以及气流特性与燃油喷雾之间匹配的好坏程度是决定发动机燃烧室内燃油喷雾与空气混合过程的关键因素,混合过程又会直接影响缸内混合气的速度场、浓度场和温度场的分布和发展过程,从而影响到混合气的着火和燃烧过程,最终决定了发动机的动力性和排放。高压共轨喷油系统具有高压喷射及喷射压力灵活可控、喷射定时可柔性调节和可控喷油率等特点,所以共轨式燃油喷射系统可以根据发动机和车辆的运行工况对喷油压力、燃油喷射量、喷油定时及喷射规律等进行自由调节,从而为实现高效、清洁、低噪声的燃烧过程提供了更多的可控参数。因此,利用高压共轨燃油系统的柔性控制,寻找出最佳的燃油喷雾与燃烧室内气流运动匹配方案是实现高压共轨柴油发动机高效低排放燃烧的有效途径之一。限于测试设备,对发动机燃烧室内的速度场、浓度场和温度场等微观领域还不能完全通过试验进行深入的研究。目前采用最多的办法就是使用一些较为成熟的商用三维数值仿真软件对速度场、浓度场和温度场进行数值仿真研究,以此作为对微观的了解。本文借助目前较为成熟的三维计算流体动力学软件FIRE对试验用发动机进行了数值模拟。在经过反复的验证的基础之上,用其仿真结果作为辅助手段,研究分析不同喷射压力与缩口直喷燃烧室内的气流特性匹配时对混合气形成和发动机性能的影响。1发电机的主要技术参数直喷缩口形燃烧室如图1所示。定义燃烧室缩口比为D1/D2,径深比为D2/h。其中,I型:D1/D2=0.87,D2/h=2.65;Ⅱ型:D1/D2=0.81,D2/h=3.2。试验用柴油机的主要技术参数见表1。试验中所用到的测试设备见表2。试验过程中,冷却水温和机油温度均控制在80℃左右,增压中冷使用的是水冷,转速稳定在±1r/min,扭矩稳定在±3N·m。为了兼顾高、中、低速使用转速范围内的特性比较,试验转速分别为1400、2000、3000r/min。具体试验方案为:(1)确定高压共轨喷射压力的控制方法;(2)在其他参数不变的条件下,通过改变轨压来分析其对发动机燃烧过程、经济性和排放的影响;(3)调整发动机转速和负荷,选取最佳喷射压力,分析最佳喷射压力参数随发动机转速、负荷的变化关系。2后期燃料的空燃性能图2为不同燃烧室结构参数下在燃油喷雾动能作用下的燃烧室内气流运动特性分布情况。由图2可见:(1)缩口比大的I型燃烧室内的喷雾初期撞壁距离明显小于Ⅱ型燃烧室,在喷雾还没有散开的情况下喷雾周围还没有足够的空气动能与燃油混合,撞壁只会大幅度减小喷雾动能,造成后期燃油和空气的动能不足,极大地削弱了混合效果;(2)缩口比小的Ⅱ型燃烧室具有更大的挤气面积,能够形成更大的挤流和逆挤流强度,有利于后期的扩散燃烧过程。此外,大的挤气面积在挤气过程中可以将更大量的空气压入燃烧室内部,提供了更充足的空气;(3)在活塞下行的过程中,由于缩口的阻碍作用使更多的气体滞留在燃烧室内部,燃烧室内部总体空燃比大于I型燃烧室,有利于燃烧过程。因此,本文采用了缩口比为0.81和径深比为3.2的II型燃烧室的直喷式柴油机作为研究对象,研究喷射压力与燃烧室内气流特性的匹配对发动机动力性能、排放和经济性的影响。2.1喷射压力对预混合燃烧的影响首先将发动机定于3000r/min、80%负荷的常用工况,在其他条件相同的情况下,依次调整轨压为140MPa、120MPa、100MPa、80MPa,分析轨压对发动机性能的影响,其中,喷油量为5.02×10-5kg,喷油提前角为9°CA。试验所测得的气缸压力和放热率(每度曲轴转角的放热量占整个燃烧过程中总的放热量的比率)曲线分别如图3和图4所示。随着轨压升高,燃烧初期的放热率增大,放热重心前移,放热率峰值明显增加,缸内最高燃烧压力增大,且缸内高压的持续期变长,后期的放热率明显减小。这主要是由于轨压越高,在喷油持续期内,相同的曲轴转角内喷入的油量越多,且雾化效果更好,尤其是当轨压小于一定值的情况时,轨压对喷雾质量的影响更大。结合气流运动速度情况(图2)可见:上止点前燃烧室的气流速度和湍流动能明显要比后期强,那么在前期喷入的燃油明显比后期的混合要好,预混合燃烧量也更大。图5为轨压140MPa和80MPa的速度场分布。当喷雾与气流运动匹配较好时,气流运动在喷射能量的作用下得到加强,进一步促进燃油与空气的混合气形成。图6为不同喷射压力的浓度场分布情况。从364°CA开始,轨压为140MPa的浓度场分布比轨压为80MPa的浓度场分布更均匀,并且在喷油量相同的情况下分布区域更广,这说明其混合气的当量比更小。图7为不同喷射压力的燃烧室内温度场的分布情况。在364°CA时,轨压为140MPa的放热量相比轨压为80MPa的放热量要更大,这说明了高轨压缩短了混合气的形成过程,从而使得燃烧过程得以提前,并增加了预混合燃烧量,缩短了燃烧持续时间。试验结果表明了这些使发动机的燃烧更接近于等容燃烧,从而进一步使得发动机的热效率得到了改善。2.2喷射压力增大,燃油消耗率下降在3000r/min、80%负荷的常用工况下改变轨压时发动机的燃油消耗率如图8所示。随着轨压的增加,燃油消耗率大幅度下降,最大降低幅度达22%,在轨压增至100MPa之后,燃油消耗率基本不变。轨压增大,喷射压力增大,提高了燃油喷射能量,增加了油束的贯穿度,改善了雾化,促进了油气混合,使燃烧更加完全。在一定范围内增大轨压可以增加燃烧的等容度,使燃烧效率增高,所以燃油消耗率下降。在该工况下,当轨压超过100MPa以后,继续增大轨压对混合气质量改善已不十分明显,而且为了增大轨压所需的附件功率消耗也增大,燃烧效率的增加量与用于高压油泵泵油的功率相抵消,甚至有可能功率消耗大于其产生的效果(如120MPa时燃油消耗率有所增加)。当轨压为120MPa时,燃油消耗率的增加与该轨压下喷雾在时间上与气流运动匹配不好,造成混合气质量有所下降有关,从而影响了混合气的形成和燃烧过程,影响了发动机的经济性。2.3温度分布场分析图9为在3000r/min、80%负荷的工况下轨压对排放特性的影响。NOx排放随着轨压的增大呈线性增加,且上升幅度较大;HC随着轨压的增大刚开始略有增加之后呈递减趋势,最大降幅约为40%;CO随着轨压的增大而大幅度减小,其最大减少量为80%;烟度值除较低轨压(60MPa)外,基本为零。发动机排放物的生成与燃烧过程是密不可分的。喷射速率随着轨压的增大而提高,在滞燃期内喷入的燃油量增加,预混燃烧比例增加,缸内最高压力和温度增加。温度分布场(图7)显示,轨压为140MPa时,从上止点(360°CA)后就出现了比轨压为80MPa时温度高的区域,在370～390°CA出现了2000K左右的高温区域,而且其高温分布区域比较广,因而高轨压情况下的温度分布为生成NOx创造了温度条件、时间条件和生成区域条件,因此轨压越高NOx排放越高。此外,轨压较高时高温区域面积较大,高温持续时间长,从而增加了碳烟的氧化速度,使燃烧更加完全。因此,HC、CO和碳烟排放受到抑制,这三者的排放量随着轨压的增大而降低。当轨压增大到100MPa以后,碳烟排放量几乎为零,这是因为轨压增大到一定值后,喷雾的粒度已经很小,油气混合质量大幅度提高。由图6可见:高轨压时浓度场分布更加均匀,多数区域的当量比均接近于1,过浓缺氧区域很小,所以几乎不形成碳烟,其中轨压为60MPa时的HC排放量比80MPa时的小。这是由于在轨压为80MPa时,燃烧室内的气流速度分布与喷雾速率匹配不好,形成了局部过浓混合气,直到390°CA时还有燃空当量比为2的区域。此外,由温度场分布特性(图7)可见:轨压为80MPa时,整个燃烧过程中的燃烧温度都不是很高,燃烧后期对HC的氧化不够,因此其HC排放量比较高。当轨压为60MPa时,喷油持续期更长,这刚好使其与活塞下行时所产生的逆挤流形成比较好的混合气,促成了较大量的后燃,进一步对前期生成的HC氧化,因而减小了HC的排放量。从放热率曲线(图3)也可以证实这一点,当轨压为60MPa时,后期放热率明显比其他任何一种情况均要大。3转速对最佳轨压的影响优化轨压的过程为在保持其他参数不变的条件下,通过调整轨压并综合考虑其经济性及排放,从而选择最优轨压值。以1400r/min为例,分别选择扭矩为200N·m、120N·m及70N·m的3个工况点,分别调整轨压为40MPa、60MPa、80MPa、100MPa及110MPa。试验测得的排放数据及燃油消耗率如图10所示。其他转速情况下的优化方法相似。图11为转速为1400r/min、2000r/min和3000r/min时,最佳轨压随着负荷的变化情况。试验结果表明:在固定转速条件下最佳轨压随着发动机负荷上升而增大;相同负荷条件下最佳轨压随着转速上升而增大。4优化轨压与燃烧温度的关系(1)随着轨压的增大,发动机燃烧初期的放热率增大,燃烧重心提前,燃烧等容度增加,放热率峰值有明显增加,缸内最高压力增大,且高压的持续期变长,后期的放热率明显减小,燃烧效率增加。试验通过调整轨