高压共轨柴油机多次喷射喷雾燃烧三维模拟研究

摘要

为满足日益严格的排放法规，优化柴油机燃烧过程是非常必要的，而优化喷油规律、采用多次喷射又是柴油机燃烧优化的重要途径。本文以TY3100CR高压共轨非道路柴油机为研究对象，利用通用的CFD软件STAR-CD及内燃机动网格生成专用工具ES-ICE建立该机的喷雾燃烧模型，计算并分析多次喷射(预喷及后喷)对其喷雾、燃烧及排放的影响。
　　 首先针对TY3100CR高压共轨柴油机只采用一次主喷射的情况，分析了示功图、放热率以及NOx、SOOT排放量等宏观参量随曲轴转角的变化历程。结果显示：该工况放热率在燃烧起始阶段上升过快，会带来很高的燃烧噪声；NOx排放从缓燃期阶段开始，迅速达到峰值并几乎保持不变；SOOT排放主要集中在急燃期后期到缓燃期的阶段，随后大部分被燃烧氧化。
　　 在此基础上，从微观上分析了只有一次主喷射工况燃油的蒸发流动过程，缸内温度场的演变过程，以及两者对NOx和SOOT排放的影响。可知NOx在温度超过2000K的区域生成并且高浓度区域对应温度的最大值区域；SOOT浓度分布与燃油浓度相对应，燃油蒸汽内层的高浓度区域由于高温缺氧，SOOT浓度较高。并且，SOOT的最终集聚区域主要在燃烧室的凹坑近壁面。
　　 最后，提出不同的多次喷射方案(一次预喷射+主喷射以及主喷射+一次后喷射的方案)，通过仿真计算，获得了各方案下的缸内流场、油气混合以及燃烧相关微观场结果。分析了采用一次预喷射加主喷射的情况下，不同预主喷间隔以及不同预喷射燃油量对喷雾燃烧的影响；然后分析了主喷射加一次后喷射的情况下，不同主后喷间隔及不同后喷燃油量对发动机喷雾燃烧的影响。得出的主要结论如下：
　　 1、对于一次预喷射加主喷射的工况，少量预喷燃油量(5％)结合相对适中的预主喷间隔(10℃A)可以较好地改善缸内气流运动，较好地起到引燃初期主喷射燃油的作用。排放方面，与一次喷射相比，该工况的NOx和SOOT略有增加，这是因为预喷射燃油在主喷射开始初期便发生了燃烧，加上主喷射时刻并未推迟，造成了预混合燃烧量增加，从而预混合燃烧温度增加，NOx生成量增加。
　　 2、对于主喷射加一次后喷射的工况，少量后喷燃油量(5％)结合较小的主后喷间隔(5℃A)更有利于缸内喷雾及油气混合，使得NOx以及SOOT峰值降低。但对于SOOT曲线而言，由一次喷射的单峰值变为双峰值。