韓雁鵬，高小瑞，朱 鈺

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

隨著世界各國對船舶柴油機(jī)排放的要求日趨嚴(yán)格，改善其燃燒過程，減少有害物排放成為研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[1-2]解釋了傳統(tǒng)柴油機(jī)燃燒造成高NOx和Soot(碳煙)排放的原因，并揭示了缸內(nèi)燃燒路線控制的方向，即低溫、均混。文獻(xiàn)[3-6]通過改變柴油噴射策略，釆用大噴射提前角，多次噴射，可以得到較為均勻的柴油濃度分布，從而改變?nèi)紵覂?nèi)燃燒條件，實(shí)現(xiàn)對燃燒生成物的控制，達(dá)到降低有害物排放的目的。文獻(xiàn)[7]通過改進(jìn)燃燒室結(jié)構(gòu)，并采用多次噴射策略，更有效地降低了柴油機(jī)的有害物排放。文獻(xiàn)[8-9]在高速柴油機(jī)上采用多次噴射技術(shù)，在一定的負(fù)載范圍內(nèi)，大幅降低了NOx、Soot以及CO和未燃碳?xì)銾HC(uncombusted hydrocarbon)的排放。

綜上可見，采用多次噴射技術(shù)可以有效控制柴油機(jī)燃燒。本文以4190ZLC船舶中速柴油機(jī)為研究對象，利用AVL FIRE軟件平臺，數(shù)值模擬研究，在額定工況下，采用多次噴射對柴油機(jī)燃燒及排放性能的影響。

1 多次噴射方案

通過柴油機(jī)試驗(yàn)臺和油泵試驗(yàn)臺[10]測量得到額定工況下柴油機(jī)原始的噴油規(guī)律，如圖1所示。該工況時，噴射起始角為698°CA，單缸單循環(huán)噴油量為387 mg。

為了研究多次噴射對柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒和排放性能的影響，在保證柴油機(jī)輸出功率的情況下，增大噴射提前角，采用總噴油量不變的原則，設(shè)計(jì)了2次、3次、6次噴射方案，具體如圖2所示。

1)方案一是在原來1次100%噴射的基礎(chǔ)上，改為2次等量噴射，如圖2a所示。兩次噴射起始角分別為668°CA和698°CA，噴射持續(xù)角度均為17.4°CA；兩次噴射起始角度之間的間隔約30°CA，在上止點(diǎn)(即720°CA)之前完成全部燃油噴射。

2)為了達(dá)到減少預(yù)混合燃燒油量的目的，方案二(如圖2b所示)在方案一的基礎(chǔ)上，推后第1次噴射起始角，由668°CA改為680°CA，噴油量為總噴油量的18%；為了降低燃油分布濃度，改善缸內(nèi)混合氣分布，第2次噴射油量約為總噴油量的36%，并在712°CA時增加一次噴射作為第3次噴射，噴射持續(xù)角度為15°CA，噴油量占總噴油量的46%。

3)方案三(如圖2c所示)是在方案二的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化得到的。繼續(xù)減少第1次和第2次的噴油量，改為脈沖噴射，噴油量僅為總油量的5%，略提前第1次和第2次的噴射起始角度，分別為679°CA和692°CA；第3次噴射起始角不變，但噴油量增加到總油量的90%；為減小噴油持續(xù)期，第3次噴射后期增大噴射速率，以縮短燃燒持續(xù)期，提高效率。

4)方案四(如圖2d所示)借鑒了文獻(xiàn)[7]中關(guān)于5次噴射控制參數(shù)的優(yōu)化方法，并在方案三的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了5次預(yù)噴射加1次主噴射的方案。第1次噴射起始角提前到655°CA；前4次噴射等油量等間隔，單次噴射油量約為總油量的3.47%，第5次噴射油量約為總油量的7%，前5次噴射起始角度之間的間隔均約10°CA；第6次噴射為主噴射，噴射起始角為714°CA，且噴射起始角度與第5次噴射起始角之間的間隔為19°CA，噴油量約為總油量的79.12%。

2 4190ZLC柴油機(jī)燃燒室模型建立與求解器設(shè)定

根據(jù)4190ZLC柴油機(jī)燃燒室的實(shí)際形狀，利用AUTO CAD進(jìn)行幾何建模，再導(dǎo)入AVL FIRE - ESE Diesel，確定噴嘴位置及參數(shù)。由于燃燒室是對稱形狀，噴嘴有8個噴油孔，為了縮短計(jì)算機(jī)仿真時間，選取了燃燒室的1/8作為計(jì)算域；利用ESE Diesel模塊中的網(wǎng)格劃分工具，完成燃燒室的靜態(tài)和動態(tài)網(wǎng)格劃分，通過網(wǎng)格質(zhì)量檢查確認(rèn)無負(fù)體積網(wǎng)格的出現(xiàn)，圖3為燃燒室網(wǎng)格模型。

求解器設(shè)置中，激活Species Transport物質(zhì)輸運(yùn)模塊、Combustion燃燒模塊、Emission排放模塊和Spray噴霧模塊；湍流流動模型為K-ε模型；噴霧破碎模型為Wave 模型；液滴蒸發(fā)模型選用Dukowicz 模型；碰壁模型選用Walljet1 模型；燃燒模型選用Coherent Flame Model模型；NOx排放物生成模型選用Extended Zeldovich模型；碳煙模型選用Kinetic Model模型；瞬態(tài)計(jì)算最大迭代次數(shù)為60，殘差值的精度為0.001；模型校驗(yàn)、邊界及初始條件設(shè)定參照文獻(xiàn)[11]。

3 基于多次噴射的壓縮燃燒膨脹過程仿真結(jié)果分析

排氣閥開啟前，曲軸轉(zhuǎn)角為836°CA時，方案一和原機(jī)數(shù)據(jù)NOx、Soot、CO以及溫度在缸內(nèi)的分布云圖，如圖4所示。

可以發(fā)現(xiàn)：采用2次噴射后，缸內(nèi)的溫度及各種生成物分布更加均勻，濃度從中心區(qū)域到缸套邊緣有明顯的梯度存在；而原機(jī)的一次噴射則集中在燃燒室及上方區(qū)域，說明2次噴射燃油分布更廣，霧化更好，燃燒更加均勻。

額定工況下，采用不同噴射方案柴油機(jī)缸內(nèi)壓力、溫度、NOx和Soot排放與原機(jī)數(shù)據(jù)的對比。結(jié)果如圖5所示。

為了更清楚的表示采用方案三和方案四時NOx和Soot的排放量，繪制了如圖6。

1) 從圖5a可以看出：采用方案一時，柴油機(jī)缸內(nèi)壓力較原機(jī)缸內(nèi)壓力有大幅增高，柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷增加，工作粗暴，最高爆發(fā)壓力接近14 MPa，超過了4190ZLC柴油機(jī)的機(jī)械許用極限；采用方案二時，缸內(nèi)壓力有所下降，但仍高于原機(jī)壓力水平，最高爆發(fā)壓力下降，接近12 MPa；采用方案三和方案四時，缸內(nèi)壓力有較大幅度下降，均低于原機(jī)壓力；方案四的缸內(nèi)壓力水平最低，此時，柴油機(jī)工作最平穩(wěn)。

2)從圖5b可以看出：采用方案一時，缸內(nèi)溫度比原機(jī)有大幅度的升高；采用方案二時，缸內(nèi)溫度水平有所下降，但仍高于原機(jī)溫度水平；采用方案三時，缸內(nèi)溫度水平進(jìn)一步下降，略低于原機(jī)缸內(nèi)溫度水平；采用方案四時，缸內(nèi)溫度水平較方案三呈現(xiàn)小幅度下降；此時，柴油機(jī)的熱負(fù)荷最小。

3)從圖5c可以看出：采用方案一和方案二時，NOx的排放量較原機(jī)均有較大幅度的增長，這是缸內(nèi)溫度升高導(dǎo)致的，雖然燃燒更完全，但NOx的排放量增加，不利于生態(tài)環(huán)境；與方案一和方案二比較，采用方案三和方案四，NOx的排放量均顯著降低，均低于原機(jī)NOx的排放量；從圖6a可見，采用方案四時，NOx的排放量最低，僅為原機(jī)NOx排放量的70%。

4)從圖5d可以看出：采用方案一時，Soot的排放量幾乎為零，這是因?yàn)槿康娜加蛧娚湓谏现裹c(diǎn)之前完成的，燃油得到充分燃燒，因而，Soot的排放量低；采用方案二時，Soot的排放量略高于方案一時的排放量，但仍遠(yuǎn)低于原機(jī)的排放量；采用方案三和方案四時，Soot的排放量有所上升，且高于原機(jī)Soot排放量；從圖6b可見，采用方案四時，Soot的排放量低于方案三時的排放量。

綜上可見，采用多次少量噴射的策略(即預(yù)噴射+主噴射的噴射策略)，可以使缸內(nèi)油氣分布更均勻，缸內(nèi)壓力和溫度水平均下降，柴油機(jī)工作更平穩(wěn)。

4 結(jié)論

本文以4190ZLC船舶中速柴油機(jī)為研究對象，基于AVL FIRE平臺，在額定工況下，通過多次仿真模擬，并優(yōu)化多次噴射方案，得到以下結(jié)論：

1)采用多次噴射可以有效改善柴油機(jī)的燃燒過程，降低NOx的排放量。通過對多個噴射方案的對比發(fā)現(xiàn)，方案一雖可使柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性更好，但是最高爆發(fā)壓力超過了該柴油機(jī)的機(jī)械許用極限，且NOx的排放量明顯增多。方案二采用3次噴射后，最高爆發(fā)壓力在柴油機(jī)的許用范圍內(nèi)，缸內(nèi)壓力和溫度較方案一有所下降，NOx的排放量進(jìn)一步下降；相比于方案一和方案二的多次噴射，方案三和方案四均采用了預(yù)噴射加主噴射的噴油策略，缸內(nèi)壓力和溫度均有大幅下降，且均低于原機(jī)數(shù)據(jù)。特別是方案四，在額定工況下NOx排放量大幅下降，僅為原機(jī)的70%。

2)采用方案四的多次噴射規(guī)律時，提前第1次預(yù)噴射起始角度(為655°CA)，有利于燃油與空氣的均勻混合，但預(yù)噴射量不宜過大(總油量的20%左右)，推遲主噴射的起始角度(714°CA)，使缸內(nèi)燃燒溫度控制在較低水平，從而使NOx排放量在四個方案中最低。

3)要實(shí)現(xiàn)額定工況下NOx和Soot的排放量同時下降，多次噴射方案仍需進(jìn)一步優(yōu)化。