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通过CONVERGE CFD研究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

摘要

全球范围内的排放法规越来越严格使得汽车行业不得不想办法研究如何减少柴油机的排放。合理的改善喷油正时可以减少发动机的废气排放。本文论述了使用CONVERGE CFD软件模拟四冲程单缸直喷式柴油机在满负荷状态下，对应不同喷油正时和燃油喷射压力组合时的运行情况。由于在这项研究中活塞和燃烧室的几何形状是对称的，因此只需考虑60度的活塞气缸组件部分就能进行完整360度模型的数值模拟。为了更好的研究在发动机气缸内发生的燃烧和流动物理现象同时为了减少计算时间，可以通过查找文献来了解在压缩和做功冲程期间从上止点前（bTDC）20度曲轴转角（CA）到上止点后（aTDC）140度曲轴转角之间的发动机数值模拟实验。在文献中可以查到，标准的喷油正时为上止点之前15.1度曲轴转角，随着喷油压力的改变，喷油正时对应提前至上止点前19度曲轴转角，或者延迟至上止点前8度曲轴转角，前人研究了这三种喷油正时和喷油压力的组合对直喷式柴油机的性能，燃烧和排放特性的影响。喷油正时为上止点前15.1度曲轴转角时的数值模拟实验可以预测出缸内压力，缸内温度和放热率相对于曲轴转角的数据变化。同时，不同喷油正时和喷油压力的组合下的发动机排放物如NOx，碳烟，CO和HC也能用这个实验预测。

简介

相对于其他内燃机，柴油发动机有较高的效率和燃料经济性。在柴油发动机中，大部分的燃料在燃烧室中与空气混合，形成可燃预混合气体。可以通过控制可燃预混合气体的形成来控制燃烧速率，微粒排放和碳烟的生成。Canakci和Sayin（2009）[1]研究了改变喷油正时对柴油机的影响。他们发现，随着喷油正时的提前，NOx排放量增加，但CO排放和HC排放减少。 Uchida等人[4]通过实验探究了改变进气涡流和燃油喷射速率从而减少废气排放而对发动机性能没有任何影响的方法。延迟喷油正时同时使用增压中冷系统可以使发动机的燃油经济性更好，排放更少，但NOx排放会增加。延迟喷油正时同时增加喷油速率会使颗粒物和NOx排放减少而不影响燃油经济性。Nwafor等人[5]研究了同一台发动机在提前喷油正时和标准喷油正时下柴油-植物油燃料和柴油-天然气的燃烧现象。结果表明，延迟喷射时间太久会导致缸内压力急剧上升，使柴油机产生爆震，因为在这期间，大量的燃料在预混合过程中燃烧。在低负荷运行条件下，延迟喷射时间越长，燃烧速率越慢。这些影响可以通过喷油正时的提前来补偿。随着喷油正时的提前，发动机可以在低负荷下平稳运行。喷油正时的提前会导致燃料消耗量增加，喷油的延迟时间减少，CO和COX排放水平也会降低。Jayashankara等人[12]使用CFD软件数值模拟了喷油正时和增压压力的变化对发动机的影响，他们通过Payri等人[6]完成的实验验证了他们的分析。他们从实验中发现，随着喷油正时的提前，NOx排放量，气缸压力和气缸温度都会提高。他们还发现，与自然吸气发动机相比，增压中冷发动机会导致更多的NOx排放量。Han等人[2]对多点喷射和多次喷射情况进行了数值研究。他们发现多点喷射显著降低了NOx排放，但多次喷射时，碳烟排放会增加，NOx排放保持不变。Assanis等人[9]数值模拟了多点喷射对CI发动机燃烧和排放的影响。他们表示，前导喷油和后喷油会导致碳烟排放减少。Ashrafur Rahman等人[13]研究了喷油正时对以生物柴油，柴油和乙醇混合物作为燃料的发动机的影响。他们发现，如果柴油机的喷油正时提前，那么NOx的排放会增加，CO和HC排放会减少。但是在喷油正时延迟时，NOX排放会显著减少。R.Thundil karupparaj等人[14]数值模拟了喷油正时提前对柴油机的影响。他们表示，随着喷射正时提前，缸内峰值压力上升，NOx排放增加，而碳烟排放减少。他们还表示，喷油正时提前可以降低NOx的排放，可将EGR增加到40％。Abdullah等人[26]通过实验研究如何优化多点喷射CI发动机在不同工况下的排放。他的实验结果表明，高压多点喷射结合冷却的EGR会比低压多点喷射而没有EGR的情况下的碳烟和NOX排放更优。

Manimaran等人[15]研究了喷油正时对不同喷射温度下的柴油机的影响。他们发现，随着燃料喷射温度的升高，碳烟排放水平下降。在较高的喷射温度下将喷射正时提前，NOX排放会增加。Binesh等[18]使用cfd软件建立了液滴喷雾模型，利用离散液滴法进行喷雾计算，并使用实验得出的数据来验证计算结果。他们提出，由于喷射深度会影响排放和燃烧特性，因此可以用建模方法很好地预测排放和燃烧特性。 许多文献[19,20,21,22,23]指出，喷雾在传热，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。Reitz和Diwakar [24]对于柴油喷雾实验提出了欧拉-拉格朗日喷雾和雾化模型。

本文论述了满负荷情况下不同喷油压力以及不同喷油正时的组合对发动机性能和排放的影响。 由于实验结果很难得到，因为实验仪器包括昂贵的硬件，如光学圆柱气缸，粒子图像测速仪（PIV）等，为了方便实验，可以用CFD软件数值模拟以得到相同的实验结果。因此，本文通过数值模拟研究了在满负荷和超负荷情况下，喷射压力分别为700bar，1600bar和853bar时，喷射正时分别为提前到上止点前19度曲轴转角或喷射正时延迟到上止点前8度曲轴转角或标准喷射正时为上止点前15.1度曲轴转角时对发动机性能，燃烧和排放特性的影响。

数值分析

我们选择由PSA标致雪铁龙[8]设计的配备“W”形活塞燃烧室的发动机用于数值模拟分析。使用CONVERGE CFD软件进行发动机的CFD数值模拟和分析来输出结果；后处理则使用ENSIGHT软件。为了研究在发动机气缸内发生的燃烧和流动物理过程同时为了减少计算时间，保持排气门和进气门关闭的情况下可以选取曲轴转角从上止点前20度到上止点后140度的范围来进行发动机数值模拟。数值模拟可以捕获一部分的压缩冲程和做功冲程全程中的燃烧和排放特性。在引用文献中可以找到PSA标致发动机的参数[8]如表格1

表1.详细的发动机参数

图1.计算几何区域图

图2.计算区域俯视图

在Converge cfd软件中，使用曲面效用创建STL格式的发动机扇形模型，该模型不含表面缺陷，不含有不正确的法向，非光滑表明，相互重叠，开放边缘和交叉点等缺陷。 扇形几何体的所有表面三角形均有适当的边界，这些边界由活塞，缸盖，缸套和周期性表面如前面和后面组成。

实验的喷油器有六个喷嘴孔，因此可以针对60度扇形发动机使用表面实用工具进行周期性表面建模。Converge软件运行时在内部会生成网格，网格是使用切割单元技术自动生成的。内部的单元是正交的六面体，它们保持静态并除去了与移动网格相关的数值扩散。与表面相交的单元网格被多面体的表面切割，最后生成适体网络，网格细化的方法有基础网格，自适应网格细化（AMR），固定嵌入和网格缩放等。基础网格尺寸保持在1.4毫米;缸套，活塞和缸盖的固定嵌入使用范围2网格。在喷嘴的嵌入中，需要使用范围4的网格，因为用于捕获喷雾物理现象的网格尺寸必须等于或小于0.25mm [27]。 喷嘴嵌入和固定嵌入网格细化遵循下式。

（1）

缸内区域使用1毫米网格用于捕获温度和速度的AMR。发动机详细操作条件见表2.

表2.发动机的详细操作条件

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