船舶中速柴油機噴油正時優化研究

孫豫，錢葉劍，唐彬彬，位曉飛，孫顯，方玉龍

（1.合肥工業大學 汽車與交通工程學院，合肥 230009；2.安慶中船柴油機有限公司，安慶 246003）

0 概述

柴油機的燃燒過程與噴油策略密切相關。文獻［2］中基于單缸增壓柴油機數值模型研究了預噴-主噴噴油策略對燃燒過程和排放特性的影響。文獻［3］中建立了YC-6K船用高速柴油機一維仿真模型，研究發現噴油正時和燃燒時刻基本呈現正相關趨勢，并指出柴油機的控制策略應以噴油正時為控制變量。文獻［4］中建立了MAN 6L16/24型船用柴油機的數值模型，仿真研究表明通過修正噴油脈寬和噴油正時等參數可以實現柴油機的燃燒控制。文獻［5］中研究了噴油正時、噴射角度、噴射器凸出長度和渦旋比對船用中速柴油機燃燒過程的影響，指出噴油正時和渦旋比是影響缸內燃燒的主要因素。文獻［6］中基于高壓共軌柴油機碳煙排放的臺架試驗結果，利用隨機森林算法分析了各影響因素的權重大小，發現軌壓的影響權重最大，噴油正時次之，預噴量和主預噴間隔角的影響權重最小。文獻［7］中在中速柴油機上研究了二次噴射技術的影響，證明了噴油正時和壓力對缸內燃燒影響明顯。文獻［8］中模擬研究了噴油正時對船用直噴柴油機排放特性的影響，研究結果表明：噴油正時提前，缸內的溫度和壓力增加，氮氧化物（nitrogen oxide，NOx）排放量增加，碳煙排放量減少，同時顆粒物直徑減小。文獻［9］中研究了多次噴射對大缸徑船用柴油機性能和排放的影響，發現預噴正時會顯著影響燃油消耗量，主噴正時是影響NOx排放的最顯著參數。文獻［10］中基于詳細的化學動力學機理模型，模擬研究了噴油正時和進氣門關閉正時對預混壓縮點火（premixed controlled compressor ignition，PCCI）柴油機性能的影響，發現采用延遲進氣門關閉和優化噴油正時相互配合，會顯著降低缸內燃燒溫度，減少NOx排放。文獻［11］中基于條件矩封閉（conditional moment closure，CMC）湍流模型研究了噴油正時對碳煙顆粒密度和粒徑變化的影響，表明噴油正時對粒徑和碳煙密度的影響小，高負荷下總體粒徑會偏向于較大方向。文獻［12］中研究發現在低溫燃燒模式下噴油正時為上止點前（before top dead center，BTDC）40°時柴油機的顆粒物密度最小，平均粒徑最大。

從上述研究可以看出，優化噴油正時可以明顯改善大缸徑船用柴油機的燃燒過程?；诖爸兴俨裼蜋C優化升級需求，考慮到試驗優化需要高昂的經濟成本和時間成本，本文中建立了該發動機的計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）計算模型，針對常用場景模擬研究了不同負荷工況下噴油正時對燃燒過程和排放特性的影響，為該型柴油機的燃燒優化和排放改善提供理論依據和數據支撐，降低升級成本。

1 仿真計算模型建立與試驗設計

1.1 柴油機仿真模型的建立

發動機型號為DE-23的6缸中速船用柴油機，具體參數如表1所示。本文中曲軸轉角在上止點前用負數表示，曲軸轉角在上止點后（after top dead center，ATDC）用正數表示。

表1 柴油機主要技術參數

三維計算模型包含燃燒室、進氣道和排氣道，燃燒室為ω型，模型細節如圖1所示。

圖1 模型計算網格

考慮計算精度與效率，網格尺寸選取為15 mm，網格無關性驗證如圖2所示。模型計算節點不大于1 500 000個，燃油噴霧與燃燒過程進行局部網格加密。采用不同網格尺寸計算缸內壓力隨曲軸轉角的變化，壓縮上止點設為0°。仿真計算時間設置在壓縮沖程開始階段（-180°）與膨脹沖程結束（180°）之間。噴油器位于燃燒室的缸蓋圓心位置，噴頭12個噴孔的位置如圖1所示。

圖2 網格無關性驗證

計算模型耦合了化學反應動力學相關子模型，具體的子模型如表2所示。

表2 模擬子模型

1.2 試驗工況

選取標定轉速900 r/min的5個不同負荷工況點進行試驗，如表3所示。所選取工況點可較全面地覆蓋發動機工作區間。

中國經濟事業協進會在1946年1月召開的中國政治協商會議前后起了不少作用。比如召開系列的座談會，參加各民主黨派組織的民主晚會，團結工商界的進步人士，促進民主運動的發展。1946年“經協”總會遷到上海。

表3 5個關鍵工況點

為了保證模擬結果的準確性，邊界條件中的幾何形狀、進氣狀態參數、循環噴油量和噴油規律由相關驗證試驗和一維數值模型計算獲得。大缸徑船用柴油機的供油一般采用柱塞泵供油方式，本文中噴油正時優化試驗中可通過改變燃油凸輪相位實現噴油參數可調。在仿真研究工作中，噴油正時設置為-7°～-11°，發動機負荷設置為10%、50%和100%。臺架試驗中測量柴油機排放的儀器設備如表4所示。

表4 臺架試驗儀器

2 計算結果與分析

2.1 模型驗證

模型驗證采用了該型號船機理論設計噴油參數下的試驗數據。利用模型模擬計算了理論設計最佳噴油正時（-9°）下缸內燃燒情況，模擬結果與該工況下試驗采集的缸內壓力如圖3所示。

圖3 模擬缸壓與實際測量對比

從圖3中可以看出模擬計算值與試驗數據的變化趨勢一致，數值相近，兩者的誤差范圍為2%～5%。圖4為在不同負荷工況下的排氣溫度驗證。試驗過程中多次測量的數值波動范圍通過測量波動標出，模型輸出值在試驗測量波動范圍內，說明所建模型的計算精度符合要求，可以開展后續模擬研究工作。

圖4 發動機排氣溫度驗證

2.2 缸內燃燒情況分析

由于研究對象的工作工況相對固定，本文中選擇10%負荷、50%負荷和100%負荷3個固定工況來進行分析。圖5為不同負荷工況下噴油正時對缸內壓力和放熱率的影響。

圖5 不同負荷工況下噴油正時對缸壓和放熱率的影響

由圖5（a）可知，隨著噴油提前角增加，缸內最高燃燒壓力從4.4 MPa增加至5.5 MPa，提升幅度達到了20%以上。結合圖中的放熱率變化可知，噴油正時為-8°時缸內燃燒過程不穩定，原因可能是缸內燃燒條件未達最佳，造成燃燒不充分。當噴油正時調整為-9°時，缸內壓力提升明顯，隨著噴油正時的進一步提前，缸內壓力增加趨勢變得平緩，相同曲軸轉角對應缸壓也隨著噴油提前角的加大而增大。不過，當噴油正時大于-9°后，壓力變化基本保持不變，只在壓力峰值處有細微變化，對應放熱率的數值保持在同一水平。由圖5（b）可觀察到，隨著噴油正時的改變，缸壓和放熱率的變化趨勢與圖5（a）中變化趨勢相近。不過，在50%負荷工況下，噴油正時-9°下的缸壓峰值比噴油正時-8°下的增加了26%。隨著噴油正時的進一步增加，缸內壓力的峰值穩步增長，但是增加幅度都小于10%。圖5（c）中缸壓和放熱率的變化趨勢與圖5（a）和圖5（b）相似，但噴油正時-9°下的缸內壓力峰值相較于-8°增大了20%，增加幅度小于50%負荷工況。

總體對比圖5，可以看出在10%、50%和100%負荷工況，噴油正時為-7°下放熱率顯著低于其他工況。結合文獻［10］的研究結果，原因可能是噴油時刻接近壓縮上止點時，由于此時缸內溫度和壓力已達到燃點，燃料與空氣的混合時間變短，燃燒室內部的當量比分布不均勻，部分燃料沒有參與燃燒，放熱率處于較低水平。圖5中的放熱率的變化規律與文獻［13］的臺架試驗結果相似。

燃燒過程的關鍵相位有CA10、CA50和CA90，分別指燃燒循環過程中累積釋放10%、50%、90%熱量對應的曲軸轉角位置。CA10體現火焰核的形成過程，較短的CA10意味著更好的燃燒穩定性和火焰質量。早期燃燒時間定義為CA10到CA50之間的曲軸轉角，用于評價燃燒效率；燃燒持續期定義為CA10到CA90之間的曲軸轉角，直接影響到發動機的熱效率；燃燒起始階段定義為燃油起始噴射（start of injection，SOI）時刻至CA10的曲軸轉角。圖6為不同負荷工況燃燒相位的變化規律。不同負荷工況下發動機的燃燒持續期相差很小，CA50隨著噴油提前角的增加而有所提前，使得整個燃燒過程相對集中于上止點附近，燃燒更加充分，指示熱效率升高，燃油消耗率降低，經濟性會提升。但CA50接近上止點會導致最高燃燒壓力和壓力升高率急劇增加［14］，對柴油機的可靠性產生不利影響。從圖6還可觀察到，100%負荷工況CA50的相位相對10%和50%工況最滯后，可能的原因是柴油機的燃燒期控制一般是通過噴油控制來實現的［15］，燃燒的方式為擴散燃燒，100%負荷下燃油供給量較大，噴油持續角較大，所以整個循環的燃燒期相對較長。

圖7～圖9展示了不同負荷工況下發動機缸內溫度的分布云圖。選取溫度分布云圖對應的曲軸轉角分別為0°、30°和80°，分別對應噴油正時-7°～-11°工況?？梢钥闯?，0°時刻是缸內火焰形成的穩定階段，缸內溫度較低。由于研究對象大缸徑船用柴油機的燃燒模式為擴散燃燒，高溫區域主要是燃油噴霧前峰面燃燒所形成的穩定火焰面。隨著噴油提前角的增加，燃油噴霧擴散的范圍也變大，高溫區域的范圍更廣。在30°和80°對應的剖面圖上，隨著噴油提前角的加大，缸內的高溫范圍變大。值得注意的是，在100%負荷和50%負荷工況下缸內中心部位溫度偏低，原因可能是機型采用的12孔高壓噴頭產生的燃油噴霧與壁面相互作用［16］，噴霧與缸內相對靜止的空氣產生了較大的速度梯度，噴霧的上下邊緣處產生了渦流團。渦流團尺寸和強度與噴孔直徑正相關，對于大缸徑船用柴油機，因為供油量較大，噴油孔的直徑較大（一般在0.3 mm左右），容易產生尺寸和強度較大的渦流團。渦流團會產生劇烈的傳質卷吸現象［17］，將噴霧邊緣的霧化燃油卷出，使得氣缸中心區域的當量比過低，無法燃燒，產生圖中顯示的低溫區域。

圖7 10%負荷下發動機缸內溫度分布

圖9 100%負荷下發動機缸內溫度分布

圖8 50%負荷下發動機缸內溫度分布

2.3 噴油策略對排放污染物的影響

柴油機的主要污染物是NOx和碳煙（soot）等。根據仿真結果計算燃燒1 kg燃油污染物的排放量變化規律。

不同負荷工況下噴油正時對NOx排放的影響如圖10所示。在10%負荷、噴油正時-8°工況下，NOx排放量最大，生成速率也最快。在50%和100%負荷工況，最大NOx排放對應的噴油正時為-9°。在10%和50%負荷工況下，最小NOx排放量對應的噴油正時為-10°；在100%負荷工況下，最低的NOx排放對應的噴油正時為-11°。柴油機缸內主要是熱力型NOx［18］，溫度是重要的影響因素之一。負荷升高，缸內溫度和壓力大幅上升，NOx的排放量增加。

圖10中3個負荷工況下噴油正時為-10°和-11°時產生的NOx都處于較低水平，可能的原因是：結合燃燒相位可知，噴油參數對燃燒期影響很小，主要的燃燒期都處于上止點之后，膨脹行程的局部燃燒溫度和壓力對NOx的形成有著重要影響［9］，圖中NOx排放量增加區域集中在0°～30°區間。隨著噴油提前角的加大，噴油時缸內溫度與壓力也相對較高，CA50相位前移，燃油噴霧在缸內的擴散程度不斷加大，總體燃油混合氣的濃度減小，高當量比濃度的區域減少，燃燒過程更接近低溫燃燒，所以NOx的量隨之降低。根據文獻［18］的研究結論，為了減少NOx的排放，缸內燃燒溫度應該盡量避免高于2 300 K。圖10（a）和圖10（b）顯示噴油正時為-10°和-11°工況下的缸內低溫區域較多，NOx排放低。

圖10 不同負荷工況下噴油正時對NOx排放量的影響

圖11為不同負荷下噴油正時對CO排放的影響規律。隨著發動機負荷上升，缸內產生的CO排放量增加。CO作為燃燒中間產物，負荷上升，燃油消耗量增加，缸內當量比變大，部分區域燃燒不充分，出現相對低溫區域，如圖7～圖9中的三維溫度分布截圖所示，所以CO的排放量隨著負荷上升而增加。此外，圖11中可觀察到噴油提前角對CO排放量影響不明顯。

圖11 不同負荷工況下噴油正時對CO排放量的影響

圖12為不同負荷下噴油正時對碳氫化合物（hydrocarbon，HC）排放的影響。CO和HC都是燃燒不完全產物。噴油提前角加大，缸內混合氣更均勻，HC的排放量降低。圖12中10%和50%負荷工況下HC排放量變化趨勢是符合此規律的，但100%負荷工況下，隨著噴油提前角加大，出現了HC排放上升的現象，可能的原因是高負荷工況下缸內壓力變大，隨著噴油正時的提前，更多的燃料進入了缸內余隙。此外滯燃期變長，燃油裂解程度加深，HC排放增加［8］。

圖12 不同負荷下噴油正時對HC排放量的影響

柴油機燃燒過程中，碳煙顆粒物主要生成于缺氧和高溫的擴散燃燒中。圖13為不同負荷工況下噴油正時對碳煙排放量的影響規律。隨著噴油提前角的加大，碳煙排放量增加。文獻［8］中對小缸徑柴油機噴油參數影響的研究表明，隨著噴油提前角的增加，渦流作用可以更好地促進燃油噴霧與空氣混合，燃燒更加充分，呈現出碳煙排放下降而NOx排放增加的現象。而圖13中觀察到的現象與此結論相反。原因可能是：本文中的研究對象為大缸徑船用柴油機，活塞環與缸壁之間的間隙絕對量相對更大些，噴油提前角加大時，活塞位置相對靠下，部分燃油會由于碰壁作用進入到缸壁與活塞的縫隙之中，這部分燃料不能夠進行充分燃燒，會形成大量的顆粒物。

圖13 不同負荷下噴油正時對碳煙排放量的影響

圖14為曲軸轉角0°下缸內物質質量分布。由圖14可以觀察到，余隙中物質質量明顯分布較多，在相同0°曲軸轉角的截圖中，不同負荷情況下缸內的物質分布較多集中在邊緣，發動機余隙中物質質量明顯分布較多，文獻［19］中的低溫燃燒研究也發現了這一現象。

圖14 曲軸轉角0°下發動機缸內物質質量分布

在圖13中觀察到-7°噴油正時工況下碳煙的排放量相對最少。碳煙排放量隨噴油提前角加大而增加。文獻［20］中對不同噴油正時下形成的碳煙顆粒展開研究發現，噴油正時提前，空氣與燃料混合較好，氣缸溫度較高，滯燃期較長，先導噴射會使碳煙顆粒的一次粒徑更小，納米結構更有序，石墨化程度更高；若噴油正時推后，產生的含有機碳較多的煤煙顆粒尺寸更大，邊界更模糊。在實際反應過程中，碳煙顆粒的納米結構越無序，有機碳含量越高，其氧化反應性越好，碳煙排放量越小，和圖13中碳煙排放量與噴油正時的關系趨勢相同。

2.4 試驗結果與分析

分析前文模擬研究結果的趨勢，考慮相關污染物排放限值，將該型號的大缸徑船用柴油機的最優噴油正時調整為-10°，在試驗臺架上研究了噴油正時對排放特性的影響。

圖15為不同負荷下不同污染物的試驗值與模擬值對比結果。觀察可知，在-10°噴油正時下，NOx排放在50%負荷以下最低。100%負荷、-10°噴油正時下，NOx的排放量低于該負荷下-9°噴油正時工況的NOx排放量。并且100%負荷、-10°噴油正時工況下的CO排放量和碳煙排放量也是相對最低的。碳煙排放量在-10°噴油正時工況下為0.04 g/（kW·h），低于其他噴油正時工況下0.12 g/（kW·h）～0.16 g/（kW·h）的碳煙排放量。雖然在-10°噴油正時工況下，HC排放量在中高負荷工況下相對較高，但最大排放量差值僅比其他兩個工況高不到30%。綜合考慮，-10°噴油正時在發動機全負荷工況下是相對較優的控制參數。此外可觀察到，在不同發動機負荷工況下，排放濃度試驗值的變化趨勢與模擬計算值的變化趨勢相同。此結果證明了基于仿真結果的試驗工況優化工作對實際工程應用具有指導意義，可降低研發工作中的經濟成本，縮短研發周期。

圖15 不同負荷下污染物的試驗值與仿真值對比

3 結論

（1）模擬計算結果表明，大缸徑船用柴油機的缸內燃燒過程較為緩慢，燃燒方式以擴散燃燒為主。最高燃燒壓力與噴油正時密切相關，在噴油正時為-8°和-9°時，最高燃燒壓力出現明顯提升。原因是缸內渦流團運動，燃油噴霧擴散運動和燃燒相位改變的綜合作用。噴油正時提前，滯燃期延長，燃油噴霧擴散程度加大，缸內混合氣相對均勻，燃料燃燒更加充分，放熱率峰值也與噴油提前角的增加呈正比關系。

（2）隨著柴油發動機缸徑的增大，適用于中小缸徑柴油機的污染物生成規律可能不再適用。大缸徑船用柴油機的試驗和模擬計算結果表明，隨著噴油提前角的增加，NOx排放降低，碳煙排放少量增加。原因是大型柴油發動機運轉速度偏慢，噴油提前角加大使擴散時間增加，缸內的高當量比區域減少，燃燒過程更接近低溫燃燒。碳煙排放增加的原因是不能忽略大缸徑發動機余隙容積的影響，余隙中的燃料無法充分燃燒，容易形成碳煙顆粒。

（3）依據模擬計算結果，確定-10°為該大缸徑船用柴油機的最佳噴油正時。柴油機的NOx、CO和HC排放的臺架試驗數據變化趨勢與模擬計算結果一致。