張強(qiáng)，朱建軍，孫文軍，項(xiàng)玉霞，衛(wèi)超強(qiáng)，米一銘

（太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西太原 030024）

0 引言

高強(qiáng)化柴油機(jī)具有較高的可靠性和較低的散熱性，在高寒、高海拔和高溫等極限環(huán)境下也可以正常運(yùn)行，被用于主戰(zhàn)坦克和裝甲車輛等[1]。隨著高強(qiáng)化升功率的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程變得粗暴，零部件所承受的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷也隨之增加，制約了高強(qiáng)化柴油機(jī)的發(fā)展[2]，[3]。

進(jìn)氣道噴水可以降低缸內(nèi)燃燒溫度，延長混合氣發(fā)生自燃的時(shí)間，抑制爆震的發(fā)生。A Iacobacci研究了進(jìn)氣道噴水對(duì)高負(fù)荷雙缸汽油機(jī)爆震狀態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣道噴水會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)最高燃燒壓力降低[4]，[5]。Niranjan Miganakallu利用汽油機(jī)進(jìn)行了缸內(nèi)噴水和缸內(nèi)噴甲醇的研究，結(jié)果顯示，水和甲醇的噴入有效地改善了發(fā)動(dòng)機(jī)爆震情況，改善了燃燒穩(wěn)定性，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度和排氣溫度降低[6]。隨著燃燒學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展，科研人員對(duì)進(jìn)氣道噴水技術(shù)在控制排放和改善燃燒性能等方面的應(yīng)用有了更深入的認(rèn)識(shí)。王鐵在一臺(tái)直列增壓中冷柴油機(jī)上設(shè)計(jì)了一套噴水系統(tǒng)，通過研究發(fā)現(xiàn)，采用進(jìn)氣道噴水可以有效地降低最大爆發(fā)壓力和壓力升高率，NOx排放大幅度降低，soot（碳煙）稍有增加[7]。康哲在一臺(tái)雙缸柴油機(jī)上通過缸內(nèi)高溫噴水發(fā)現(xiàn)，隨著噴水溫度的提高，高溫和高壓環(huán)境下水蒸發(fā)速率增加，且燃燒過程中的循環(huán)波動(dòng)降低了0.66%[8]。

綜上研究可見，以往關(guān)于進(jìn)氣道噴水對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放性能影響的研究，主要集中在正常轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下降低污染物排放和提高熱效率，而關(guān)于進(jìn)氣道噴水對(duì)運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速和大負(fù)荷工況下的高強(qiáng)化柴油機(jī)燃燒過程影響的研究相對(duì)較少。本文研究了在轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，指示升功率為77 kW/L的工況下，不同噴水壓力、水油比對(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)燃燒和排放特性的影響，為進(jìn)氣道噴水廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)提供了技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及仿真模型

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架與方案

為了研究進(jìn)氣道噴水對(duì)高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的影響，對(duì)一臺(tái)高強(qiáng)化單缸柴油機(jī)進(jìn)行改造，添加了獨(dú)立的進(jìn)氣道水噴射系統(tǒng)。結(jié)合電控燃油共軌系統(tǒng)及控制平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的進(jìn)氣道水供應(yīng)和缸內(nèi)燃油供應(yīng)。發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)如下:額定功率為60 kW；額定轉(zhuǎn)速為3 600 r/min；排量為1.05 L；最大爆發(fā)壓力為25 MPa；壓縮比為14.1；配氣機(jī)構(gòu)為雙頂置凸輪軸；噴油壓力為180 MPa；燃燒室形狀為ω形。試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

試驗(yàn)在轉(zhuǎn)速為3 600 r/min、指示升功率為77 kW/L的高強(qiáng)化工況下進(jìn)行。進(jìn)氣道水噴射系統(tǒng)主要由水箱、柱塞泵、水軌、水壓調(diào)節(jié)器和進(jìn)氣道噴水器構(gòu)成。其中，水軌采用高強(qiáng)度材料，可以承受高達(dá)30 MPa的壓力。空氣壓縮機(jī)先將新鮮空氣壓縮，并經(jīng)過進(jìn)氣中冷裝置進(jìn)入一級(jí)穩(wěn)壓箱作為進(jìn)氣來源。被壓縮的空氣經(jīng)過二級(jí)穩(wěn)壓箱進(jìn)入氣缸，可以調(diào)節(jié)和反饋控制進(jìn)氣溫度和壓力。利用發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)控制噴水量、噴油量和對(duì)應(yīng)的噴射時(shí)刻。利用柱塞泵控制噴水系統(tǒng)的噴射壓力，柱塞泵的增壓比為20:1，可以將水箱中的水加壓至20 MPa。在選定的時(shí)刻，將柴油和水按照一定的比例噴入氣缸，在缸內(nèi)進(jìn)行充分的做功燃燒，燃燒產(chǎn)生的廢氣通過裝有冷卻水系統(tǒng)的排氣穩(wěn)壓箱排出。排氣穩(wěn)壓箱后面的蝶閥用于調(diào)節(jié)排氣穩(wěn)壓箱中的壓力。本文以水油比來描述進(jìn)氣道的噴水量，即每次循環(huán)進(jìn)氣道噴入水的質(zhì)量與柴油機(jī)循環(huán)噴油量的比。水油比設(shè)定為0.2，0.4，0.6，噴水壓力設(shè)定為0.7，1.0，1.3 MPa。采用控制變量的方法，系統(tǒng)地研究不同狀態(tài)下的進(jìn)氣道噴水對(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)缸內(nèi)氧氣濃度、缸內(nèi)燃燒壓力、缸內(nèi)燃燒溫度和排放的影響。

1.2 仿真模型的建立

利用AVL-Boost軟件，建立了高強(qiáng)化柴油機(jī)的一維熱力學(xué)仿真模型，探究進(jìn)氣道噴水對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放性能的影響（圖2）。燃燒模型選擇AVL-MCC，傳熱模型選擇Woschni1978[9]。仿真模型中，進(jìn)氣和排氣邊界分別代表進(jìn)氣管和排氣管入口。

圖2 一維仿真模型示意圖Fig.2 1-D thermodynamic simulation model

由于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的實(shí)測(cè)進(jìn)排氣壓力和缸內(nèi)溫度不穩(wěn)定，故本文基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)搭建了一維模型，并將一維模型的計(jì)算結(jié)果作為三維模型的計(jì)算邊界來建立三維模型。同時(shí)，利用CONVERGE建立的三維全氣道模型來分析進(jìn)氣道噴水對(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)燃燒及排放特性的影響。三維全氣道仿真模型如圖3所示。模型利用正庚烷來代替柴油進(jìn)行燃料化學(xué)反應(yīng)計(jì)算[10]。采用動(dòng)網(wǎng)格加密技術(shù)對(duì)部件劃分，三維模型基礎(chǔ)網(wǎng)格為4 mm，對(duì)速度和溫度梯度自適應(yīng)加密到0.5 mm，噴油器附近加密到0.125 mm，網(wǎng)格數(shù)目最大值為200萬。

圖3 三維仿真模型示意圖Fig.3 3-Dimensional full airway simulation model

1.3 仿真模型的標(biāo)定

為了保證燃燒仿真模型標(biāo)定準(zhǔn)確，通過原高強(qiáng)化柴油機(jī)實(shí)際測(cè)量的燃油消耗量來標(biāo)定仿真模型中的有效燃料消耗率。通過實(shí)測(cè)的示功圖來標(biāo)定氣缸壓力和指示平均壓力，并將實(shí)測(cè)的燃燒重心（50%累計(jì)放熱率所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，記為CA50）與計(jì)算模型中的對(duì)應(yīng)數(shù)值對(duì)比。如圖4和表1所示，仿真值和實(shí)測(cè)值吻合度很高，各參數(shù)的誤差在3%以內(nèi)。由此可見，該模型標(biāo)定較為準(zhǔn)確，可以用于燃燒與排放性能的分析。

表1 仿真值與實(shí)驗(yàn)值數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Simulation and experimental value data comparison

圖4 缸壓對(duì)比曲線Fig.4 Simulation and experimental values comparing cylinder pressure curve

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 不同噴水壓力對(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)燃燒和排放特性的影響

為了研究單一變量噴水器的噴水壓力對(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)燃燒和排放特性的影響，須在保持其他條件不變的情況下，只改變噴水器的噴射壓力（0.7，1.0，1.3 MPa）。選取噴射角度為XY平面143°，XZ平面47°；水油比為0.2。

2.1.1 不同噴水壓力對(duì)缸內(nèi)氧氣濃度的影響

圖5為不同時(shí)刻、不同噴射壓力的缸內(nèi)氧濃度場(chǎng)云圖。由圖5可以看出，隨著噴水壓力的提高，氧濃度分布區(qū)域基本保持不變，都主要分布在燃燒室上部，且隨著活塞下行氧濃度減少。這是由于燃燒從柴油和空氣接觸的區(qū)域開始，因此氧氣主要分布在燃燒室上部。

圖5 不同噴射壓力不同時(shí)刻缸內(nèi)氧氣濃度云圖Fig.5 In-cylinder oxygen concentration at different injection pressures at different times

2.1.2 不同噴水壓力對(duì)缸內(nèi)燃燒壓力的影響

圖6為不同噴水壓力對(duì)缸內(nèi)燃燒壓力的影響曲線。

圖6 不同噴水壓力對(duì)缸內(nèi)燃燒壓力的影響Fig.6 Effect of different injection pressures on the combustion pressure in the cylinder

由圖6可以看出，在同一水油比下，隨著噴水壓力的提高，缸內(nèi)最高燃燒壓力呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在噴水壓力為0.7，1.0，1.3 MPa時(shí)，其最高燃燒壓力分別為17.95，17.78，17.68 MPa，比原機(jī)最高燃燒壓力（17.84 MPa）最多降低0.16 MPa。這是因?yàn)楫?dāng)噴射壓力較小時(shí)，噴射出來的水滴直徑較大，水滴氣化吸熱使得燃燒向上止點(diǎn)集中，燃料與空氣的混合時(shí)間變長，預(yù)混合燃燒占比較大，故氣缸內(nèi)的最高燃燒壓力增加。隨著噴水壓力的進(jìn)一步提高，流體具有較大的旋流強(qiáng)度，出流孔的液膜厚度減小，霧化質(zhì)量提高[11]。由于水在進(jìn)氣沖程就已吸熱氣化，因此水降溫的效果不明顯，使滯燃期縮短，預(yù)混合燃燒占比減小。隨著噴水壓力的進(jìn)一步提高，缸內(nèi)最高燃燒壓力降低。

2.1.3 不同噴水壓力對(duì)缸內(nèi)燃燒溫度的影響

圖7為不同噴水壓力對(duì)缸內(nèi)燃燒溫度的影響曲線。

圖7 不同噴水壓力對(duì)缸內(nèi)燃燒溫度的影響Fig.7 Effect of different injection pressures on in-cylinder combustion temperature

由圖7可以看出，在水油比相同工況下，隨著噴水壓力的增加，缸內(nèi)最高燃燒溫度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。在噴水壓力為0.7，1.0，1.3 MPa時(shí)，缸內(nèi)最高燃燒溫度分別為1 557.7，1 542.1，1 552.2 K，相比于原機(jī)缸內(nèi)最高燃燒溫度1 568.3 K，最多降低26.2 K。這是因?yàn)殡S著噴水壓力的增加，進(jìn)入氣缸的水滴霧化程度提高，易于蒸發(fā)吸熱，從而降低缸內(nèi)燃燒溫度[12]。隨著噴水壓力進(jìn)一步增大，水滴霧化程度過高，在參與燃燒前就已氣化，對(duì)缸內(nèi)燃燒過程的改善程度下降，致使缸內(nèi)最高燃燒溫度反而提高。

2.1.4 不同噴水壓力對(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)排放的影響

圖8為不同噴水壓力對(duì)NOx和soot的影響曲線?？梢钥闯觯谕凰捅认?，隨著噴水壓力的增加，NOx的排放量呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，而soot的生成量一直增加。這是因?yàn)镹Ox主要在預(yù)混合燃燒階段高溫富氧的條件下生成[13]。噴水壓力較小時(shí)，有利于混合氣生成，富氧區(qū)變小，水的汽化吸熱使得燃燒溫度較低，破壞了NOx的生成條件。在水壓為1.0 MPa時(shí)，NOx生成量降低了約12%。隨著噴水壓力的進(jìn)一步增加，水滴對(duì)缸內(nèi)燃燒情況的改善程度減弱，NOx的排放反而惡化。隨著噴水壓力的增加，滯燃期會(huì)縮短，預(yù)混合燃燒的比例降低，增加了局部過濃區(qū)域，導(dǎo)致燃燒過程中soot有所增加。當(dāng)水壓為1.3 MPa時(shí)，soot生成量最高可提高5%。

圖8 不同噴水壓力對(duì)NO x和soot排放的影響Fig.8 Effect of different injection pressures on NO x and soot

2.2 不同水油比對(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)燃燒和排放特性的影響

從以上研究可見，當(dāng)噴水壓力為1.0 MPa時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒等容度較好，燃燒始點(diǎn)提前，NOx的排放量明顯降低。故研究不同水油比對(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)燃燒和排放性能的影響時(shí)，將噴水壓力定為1.0 MPa。

2.2.1 不同水油比對(duì)缸內(nèi)氧氣濃度的影響

圖9為不同水油比條件下，不同時(shí)刻缸內(nèi)氧氣濃度分布情況。

圖9 不同水油比不同時(shí)刻缸內(nèi)氧氣濃度云圖Fig.9 In-cylinder oxygen concentration at different times at different water-oil ratios

由圖9可見，在同一水油比下，隨著活塞下行，缸內(nèi)氧氣濃度逐漸降低。這是因?yàn)樵趬嚎s上止點(diǎn)后缸內(nèi)工質(zhì)開始燃燒作功，因此缸內(nèi)氧氣燃燒逐漸減少。在同一角度下，隨著水油比的增加，缸內(nèi)氧氣濃度逐漸增加。這是由于隨著噴水量的增加，水滴氣化吸熱使進(jìn)氣溫度降低，進(jìn)氣密度增加，導(dǎo)致氣缸內(nèi)的氧氣含量增加。

2.2.2 不同水油比對(duì)缸內(nèi)燃燒壓力的影響

圖10為不同水油比對(duì)缸內(nèi)燃燒壓力的影響曲線。

圖10 不同水油比對(duì)缸內(nèi)燃燒壓力的影響Fig.10 The effect of different water-oil ratios on the combustion pressure in the cylinder

由圖10可見，隨著水油比的增加，缸內(nèi)最高燃燒壓力呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。原機(jī)的缸內(nèi)燃燒壓力峰值為17.84 MPa，當(dāng)水油比分別為0.2，0.4，0.6時(shí)，缸內(nèi)燃燒壓力峰值分別為17.885，17.907，17.745 MPa。當(dāng)水油比為0.6時(shí)，缸內(nèi)燃燒壓力峰值降低了0.095 MPa。這是因?yàn)楫?dāng)水油比較低時(shí)，進(jìn)氣道中水的蒸發(fā)吸熱導(dǎo)致溫度降低，使滯燃期略微縮短，燃燒等容度提高，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒壓力峰值增加。隨著水油比的進(jìn)一步增加，雖然水的蒸發(fā)吸熱會(huì)在一定程度上降低缸內(nèi)燃燒溫度，但過量的水變成水蒸氣后會(huì)導(dǎo)致壓縮負(fù)功增加，燃燒始點(diǎn)推遲，后燃期所占比例增加，因而缸內(nèi)燃燒壓力峰值降低。

2.2.3 不同水油比對(duì)缸內(nèi)燃燒溫度的影響

圖11為不同水油比對(duì)缸內(nèi)燃燒溫度的影響曲線。由圖11可以看出，隨著水油比的增加，缸內(nèi)最高燃燒溫度呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢(shì)。在水油比為0.2，0.4，0.6時(shí)，缸內(nèi)最高燃燒溫度分別為1 564.5，1 541.1，1 528.1 K，與原機(jī)的最高燃燒溫度（1 562.3 K）相比，最多降低了34.2 K。這是因?yàn)楫?dāng)噴水量較少時(shí)，水的氣化吸熱會(huì)使進(jìn)氣溫度降低，從而有更多的氧氣進(jìn)入氣缸，燃燒等容度提高，使得燃燒更加充分，最高燃燒溫度增高。隨著水油比的進(jìn)一步提升，大量的水使得缸內(nèi)比熱容增加，缸內(nèi)溫度升高率降低，因此缸內(nèi)最高燃燒溫度降低。

圖11 不同水油比對(duì)缸內(nèi)燃燒溫度的影響Fig.11 The effect of different water-oil ratios on the temperature in the cylinder

2.2.4 不同水油比對(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)排放的影響

圖12為不同水油比對(duì)NOx和soot的影響曲線。

圖12 不同水油比對(duì)NO x和soot排放的影響Fig.12 Effect of different water-oil ratios on NO x and soot

由圖12可以看出，隨著水油比的不斷增加，NOx和soot呈現(xiàn)相悖關(guān)系（即trade-off關(guān)系），NOx的生成量隨著水油比的增加不斷減少。當(dāng)水油比為0.6時(shí)，下降幅度為24.6%。隨著水的噴入，油霧卷吸空氣作用明顯，有利于混合氣生成，從而使富氧區(qū)變小，水滴的氣化吸熱會(huì)使缸內(nèi)的燃燒溫度有所下降，破壞了NOx高溫富氧的產(chǎn)生條件，抑制了其生成。soot的生成量隨著水油比的增加在不斷增加，當(dāng)水油比為0.6時(shí)，增加幅度為7.6%。由于水油比的增加，滯燃期有小幅度縮短，燃料與空氣不均勻，預(yù)混合燃燒比例減少，水的氣化吸熱會(huì)使缸內(nèi)溫度降低，導(dǎo)致soot的氧化能力減弱，故燃燒過程中裂解的soot含量不斷增加[14]。

3 結(jié)論

本文建立了一維熱力學(xué)模型和三維全氣道模型。對(duì)一臺(tái)高強(qiáng)化單缸柴油機(jī)進(jìn)行改造，在進(jìn)氣道上加裝噴水系統(tǒng)，研究進(jìn)氣道噴水對(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)燃燒與排放特性的影響。

①不同噴水壓力對(duì)水滴的霧化質(zhì)量影響較大，隨著噴水壓力的提高，缸內(nèi)燃燒溫度峰值先降低后增加。這是因?yàn)閲娝畨毫^小時(shí)，水滴粒徑較大，在壓縮上止點(diǎn)前氣化程度較低，從而改善了缸內(nèi)燃燒溫度。隨著噴水壓力的進(jìn)一步增加，噴孔內(nèi)的液膜厚度明顯減小，導(dǎo)致水滴提前氣化吸熱，增加了燃燒負(fù)功，缸內(nèi)燃燒溫度峰值上升。

②不同水油比對(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)排放影響較大。隨著水油比的增加，缸內(nèi)溫度降低，氧濃度下降，破壞了NOx的生成條件，故NOx的生成量顯著降低，其降幅為12%～24.6%。此時(shí)，缸內(nèi)擴(kuò)散燃燒比例上升及溫度降低導(dǎo)致soot氧化程度減弱，故soot的生成量有小幅度上升，漲幅為1.5%～7.6%。

③水油比較小時(shí)燃燒等容度上升，能促進(jìn)缸內(nèi)燃燒。隨著水油比的不斷提高，燃燒始點(diǎn)推遲，缸內(nèi)溫度升高率下降，故缸內(nèi)燃燒溫度峰值和最大爆發(fā)壓力都有所下降。

④對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水油比為0.6，噴水壓力為1.0 MPa時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放情況最優(yōu)。此時(shí)缸內(nèi)燃燒溫度峰值降低2.2%；NOx的生成量顯著降低，降幅約為24.6%；soot的生成量約增加7.6%。