柳佳辰，王 滸，鄭尊清，堯命發(fā)

(天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072)

近年來，世界各國對車輛燃油消耗的法規(guī)越來越嚴格，提高柴油機的熱效率顯得尤為迫切.提高壓縮比、增加進氣充量等方式均是提高柴油機熱效率的有效手段，同時發(fā)動機缸內(nèi)峰值壓力也隨之增加[1].隨著技術的不斷發(fā)展，柴油機的強化程度不斷提高，其所能承受的缸內(nèi)峰值壓力也不斷提高，從而高壓縮比燃燒室及高充量燃燒技術逐漸應用.通過使用高壓縮比燃燒室[2-5]及高充量密度燃燒[6-8]可以有效提高柴油機熱效率并改善排放水平.

Sangwook 等[9]研究了進氣壓力對常規(guī)柴油機燃燒及低溫燃燒的影響，研究結果表明在兩種燃燒模式下，隨進氣壓力增加燃燒持續(xù)期縮短，熱效率逐漸提高.隨進氣壓力的增加，碳煙排放逐漸減小，而NOx排放逐漸升高.Funayama 等[10]通過理論分析和試驗的手段研究了柴油機壓縮比對熱效率的影響.試驗結果表明，將壓縮比由17 提高到26 時，其指示熱效率和有效熱效率可分別提高6%和4%.Kenji 等[11]在不同的過量空氣系數(shù)下對比了壓縮比為18、22 和26的3 種燃燒室對熱效率的影響.根據(jù)文中提出的新型柴油機燃燒模型計算，在較低的過量空氣系數(shù)下，壓縮比為26 的燃燒室時其指示熱效率可達60%.而試驗結果表明，當過量空氣系數(shù)較低時，壓縮比超過22 后指示熱效率沒有明顯改善.

在進行柴油機燃燒系統(tǒng)優(yōu)化時，缸內(nèi)峰值壓力是一個重要的影響因素，將其作為限制因素，對柴油機的燃燒系統(tǒng)優(yōu)化具有一定的指導意義和工程應用價值.本研究通過三維數(shù)值模擬的方法分析了提高柴油機壓縮比對指示熱效率及缸內(nèi)燃燒和排放的影響.在不同峰值壓力限制下，探究了壓縮比和過量空氣系數(shù)兩種因素耦合作用對指示熱效率提升的潛力，并對其排放結果進行了分析，為后續(xù)高強化柴油機燃燒系統(tǒng)的開發(fā)工作提供參考.

1 模型設置及驗證

1.1 發(fā)動機介紹

本研究基于一臺直列4 缸直噴式柴油機建立三維模型開展研究，其主要技術參數(shù)如表1 所示.在本文中，曲軸轉角負值表示上止點前，正值表示上止點后.

1.2 模型設置

圖1 所示為搭建好的發(fā)動機三維計算幾何模型，該發(fā)動機采用8 孔噴油器，由于主要進行燃燒室關鍵結構參數(shù)的優(yōu)化及缸內(nèi)燃燒過程分析，為提高計算速度，采用1/8 的燃燒室模型，計算區(qū)間從進氣門關持續(xù)到排氣門開.對模型進行網(wǎng)格敏感性分析后將基礎網(wǎng)格大小設置為2 mm，采用2 級自適應加密并對噴孔附近進行固定加密，最小網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，最大網(wǎng)格數(shù)約為300 000.表2 為在模擬過程中所使用的模型.其中燃燒模型采用SAGE 化學反應求解器，所用機理為Wang 等[12]構建的PRF 簡化機理，用正庚烷(nC7H16)模擬柴油在缸內(nèi)的燃燒.

表1 發(fā)動機主要參數(shù)Tab.1 Engine specifications

圖1 上止點時計算網(wǎng)格示意Fig.1 Schematic of calculation mesh for simulation at top dead center

表2 計算過程中使用的模型Tab.2 Model useds in the calculation

1.3 模型驗證

選擇轉速1 400 r/min、75%負荷的工況對模型進行標定，根據(jù)試驗工況設定的數(shù)值模擬邊界條件見表3.在該工況點下，柴油機具有較高的熱效率及較低的排放水平.圖2 為該工況點下試驗和模擬的缸壓與放熱率對比，表4 為試驗與模擬結果的性能參數(shù)比較，本文中的熱效率均為從進氣門關到排氣門開所對應的指示熱效率.結果表明，本文建立的模型能夠較好地預測試驗中的缸內(nèi)燃燒參數(shù)，且試驗與模擬的缸內(nèi)壓力變化與瞬時放熱率變化趨勢較為吻合，模型具有較高的可信度，可以用來進行數(shù)值模擬計算.

表3 數(shù)值模擬邊界條件設置Tab.3 Setting of boundary conditions in numerical simulations

圖2 模擬與試驗的缸內(nèi)壓力及放熱率對比Fig.2 Comparison of in-cylinder pressure and heat release rate between simulation and experiment

表4 模擬與試驗關鍵參數(shù)對比Tab.4 Comparison of key parameters between simulation and experiment

2 計算結果及討論

2.1 提高壓縮比對熱效率的影響

壓縮比是影響柴油機熱效率的一個重要參數(shù).隨壓縮比的升高，其理論循環(huán)熱效率逐漸升高.幾何壓縮比增加同時也會使得燃燒室容積減小，對混合氣的形成及燃燒過程產(chǎn)生影響.在本節(jié)中將柴油機的幾何壓縮比由17.5 逐漸提高至23.5，研究提高壓縮比對缸內(nèi)燃燒及指示熱效率和排放的影響.圖3 所示為不同壓縮比燃燒室的結構對比，隨壓縮比的逐漸增加，燃燒室凹坑深度及凹坑直徑逐漸減小，縮口位置也逐漸向燃燒室中心變化.

圖3 不同壓縮比燃燒室結構對比Fig.3 Comparison among combustion chamber structures with different compression ratios

不同壓縮比下的缸內(nèi)壓力及放熱率曲線如圖4所示.壓縮比由17.5 逐漸提高至23.5，缸內(nèi)峰值壓力由15.6 MPa 逐漸升高至22 MPa，且缸內(nèi)峰值壓力所對應的曲軸轉角逐漸提前.其放熱率曲線表明，隨著壓縮比的提高，滯燃期縮短，燃燒前期的放熱略有增加，燃燒后期的放熱率逐漸變緩.但總體來看，隨壓縮比的增加，其放熱規(guī)律基本保持一致.

圖4 不同壓縮比下的缸內(nèi)壓力及放熱率曲線Fig.4 In-cylinder pressure and heat release rate with different compression ratios

圖5 所示為指示熱效率及燃燒持續(xù)期隨壓縮比的變化.當壓縮比由17.5 逐漸升高至21.5 時，燃燒持續(xù)期逐漸縮短，指示熱效率逐漸升高；當壓縮比由

圖5 不同壓縮比的指示熱效率及燃燒持續(xù)期Fig.5 Indicated thermal efficiency and combustion duration with different compression ratios

21.5 逐漸升高至23.5 時，燃燒持續(xù)期延長，指示熱效率降低.壓縮比的提高及燃燒持續(xù)期的縮短均有利于提高指示熱效率，因而當壓縮比由17.5 提高至21.5 時指示熱效率升高.而當壓縮比由21.5 升高至23.5 時，壓縮比的提高有利于熱效率的改善，燃燒持續(xù)期的延長則降低了燃燒定容度，不利于熱效率的改善，在兩方面因素的共同影響下，指示熱效率隨壓縮比的提高略有降低.

圖6 所示為在不同壓縮比下噴油結束時刻的缸內(nèi)混合氣當量比分布及溫度分布.由圖可知，噴油結束時刻缸內(nèi)混合氣高當量比區(qū)域主要集中在燃燒室凹坑上方，隨壓縮比的提高混合氣當量比呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢，缸內(nèi)高溫區(qū)域則呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢.當壓縮比由17.5 升高至21.5 時，隨壓縮比增加，壓縮末期缸內(nèi)溫度升高，高溫促進了燃油的蒸發(fā)，提高了油氣混合速率，因而混合氣局部當量比降低.而當壓縮比由21.5 提高至23.5 時，燃燒室容積的減小阻礙了燃油與空氣混合，油氣混合速率降低，因而隨壓縮比增加高當量比區(qū)域逐漸增加.可燃混合氣形成速率降低使得燃燒速率降低，燃燒持續(xù)期隨之延長，降低了燃燒定容度，指示熱效率也因此降低.

圖6 不同壓縮比下缸內(nèi)當量比分布及溫度分布Fig.6 Distribution of in-cylinder equivalent ratio and temperature with different compression ratios

圖7 所示為污染物排放隨壓縮比的變化.從圖中可以看出，隨壓縮比升高，NOx排放呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，碳煙排放呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢.當壓縮比由17.5 逐漸升高至21.5 時，缸內(nèi)高溫區(qū)域增加，促進了NOx的生成，因而NOx排放逐漸增加；而當壓縮比超過21.5 后，隨壓縮比增加缸內(nèi)高溫區(qū)域逐漸減少，抑制了NOx的生成，因而NOx排放逐漸降低.壓縮比由17.5 升高至21.5 時，缸內(nèi)混合氣濃區(qū)逐漸減少，減少了碳煙的生成，因而碳煙排放逐漸降低.而當壓縮比由21.5 升高至23.5 時，燃燒室容積過小，燃油與空氣混合速率降低，導致混合氣局部濃區(qū)增加，碳煙生成增多，因而造成碳煙排放升高.

圖7 不同壓縮比下排放Fig.7 Emissions with different compression ratios

2.2 不同峰值壓力下壓縮比對燃燒及排放的影響

提高過量空氣系數(shù)可以加速柴油機缸內(nèi)的燃油與空氣混合，改善缸內(nèi)燃燒，有利于提高熱效率并改善排放水平.然而過量空氣系數(shù)的提高在改善缸內(nèi)燃燒過程的同時，也會使缸內(nèi)峰值壓力提高，機械負荷增加.在本節(jié)的研究中，以缸內(nèi)峰值壓力為限制條件，探究壓縮比耦合過量空氣系數(shù)對缸內(nèi)燃燒的影響，并對指示熱效率及排放進行了對比.

將缸內(nèi)峰值壓力限制在 20 MPa、25 MPa 和30 MPa 3 個不同水平.保持噴油量相同，通過改變進氣壓力調(diào)整過量空氣系數(shù)，使不同壓縮比下的缸內(nèi)峰值壓力分別到達20 MPa、25 MPa 和30 MPa.圖8 為缸內(nèi)峰值壓力分別達到3種不同水平時各壓縮比所對應的過量空氣系數(shù).在到達相同峰值壓力時，隨壓縮比增加其過量空氣系數(shù)減小；在同一壓縮比下，要到達更高的缸內(nèi)峰值壓力，其過量空氣系數(shù)相應增加.

為便于比較，選取壓縮比分別為17.5、20.5 和23.5 的3 組燃燒室，對其缸內(nèi)燃燒過程進行分析.圖9 為在不同缸內(nèi)峰值壓力下，3 組不同壓縮比時燃燒室的缸壓及放熱率曲線.當達到相同的峰值壓力時，其缸壓曲線基本相同，但峰值壓力所對應的曲軸轉角隨壓縮比增加稍有提前；隨壓縮比增加，放熱率峰值逐漸降低，放熱持續(xù)期延長.結合圖8 進行分析可知，隨壓縮比的增加，過量空氣系數(shù)減少，可燃混合氣形成速率降低，因此放熱峰值逐漸降低，燃燒持續(xù)期延長.而在相同壓縮比下，隨著缸內(nèi)峰值壓力的增加，過量空氣系數(shù)增加，可燃混合氣形成速率加快，因而放熱峰值逐漸增加，燃燒持續(xù)期逐漸縮短.縮短燃燒持續(xù)期可以提高燃燒的定容度，有利于熱效率的改善.

圖9 不同壓縮比的缸內(nèi)壓力及放熱率Fig.9 In-cylinder pressure and heat release rate with different compression ratios

圖10 所示為3 種壓縮比、燃燒室在缸內(nèi)峰值壓力分別為20 MPa、25 MPa 和30 MPa 時的缸內(nèi)平均燃燒溫度曲線.在相同的缸內(nèi)峰值壓力條件下，隨著壓縮比的增加，缸內(nèi)平均燃燒溫度呈逐漸增加的趨勢.這是由于隨壓縮比的增加，為保證相同的缸內(nèi)峰值壓力，降低了過量空氣系數(shù)，這使得缸內(nèi)進氣量減少，因而缸內(nèi)平均燃燒溫度升高.在相同壓縮比下，隨著缸內(nèi)峰值壓力的提高，缸內(nèi)平均燃燒溫度呈下降趨勢.這是由于缸內(nèi)峰值壓力的提高通過提高過量空氣系數(shù)來實現(xiàn)，過量空氣系數(shù)的提高增加了缸內(nèi)的進氣量，因而降低了缸內(nèi)燃燒溫度.缸內(nèi)燃燒溫度的改變對污染物排放有重要影響，后文將會對此進行具體分析.

圖10 不同壓縮比下的缸內(nèi)平均溫度Fig.10 In-cylinder average temperature with different compression ratios

圖11 為在不同峰值壓力下，指示熱效率隨壓縮比的變化.當缸內(nèi)峰值壓力限制在20 MPa 時，隨著壓縮比的增加，指示熱效率逐漸降低，當壓縮比為17.5，其指示熱效率達 45.0%，相比原機提高2.2%.當缸內(nèi)峰值壓力限制在25 MPa 時，隨著壓縮比的增加，其指示熱效率呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，壓縮比為20.5 時其指示熱效率可達46.3%，相比原機指示熱效率可提高3.5%.當缸內(nèi)峰值壓力達到30 MPa 時，隨著壓縮比的增加，指示熱效率逐漸上升，當壓縮比為23.5 時指示熱效率達到47.1%，相比于原機，指示熱效率可提高4.3%.

圖11 不同壓縮比下的指示熱效率Fig.11 Indicated thermal efficiency with different compression ratios

為進一步了解不同壓縮比下的缸內(nèi)燃燒情況，對其缸內(nèi)當量比及溫度分布進行了分析.圖12 為在不同缸內(nèi)峰值壓力下，3 種壓縮比的燃燒室在噴油結束時刻的混合氣當量比分布及溫度分布.

當缸內(nèi)峰值壓力為20 MPa 時，隨著壓縮比的增加，燃燒后期缸內(nèi)混合氣濃度大幅增加，缸內(nèi)高溫區(qū)域也逐漸增加.隨壓縮比的增加過量空氣系數(shù)減小，使得油氣混合速率降低，因而混合氣局部濃區(qū)增加，燃燒速率降低，燃燒持續(xù)期延長，指示熱效率降低.當缸內(nèi)峰值壓力為20 MPa 時，在較高的過量空氣系數(shù)及較低的壓縮比下可獲得更高的熱效率.當過量空氣系數(shù)為2.5，壓縮比為17.5 時，指示熱效率最高.

當缸內(nèi)峰值壓力為25 MPa 時，隨壓縮比的提高缸內(nèi)混合氣分布區(qū)域擴大且混合氣局部當量比增加，缸內(nèi)局部高溫區(qū)域也隨壓縮比的提高而增加.隨壓縮比的提高，為保持峰值壓力為25 MPa，降低了過量空氣系數(shù).過量空氣系數(shù)的減小使得缸內(nèi)氣體密度減小，噴霧所受空氣阻力隨之減小，因而混合氣分布區(qū)域擴大.當壓縮比為17.5 時，混合氣燃燒主要集中在燃燒室凹坑內(nèi)，空氣利用率較低，不利于熱效率的改善.當壓縮比為20.5 時，混合氣在空間分布增多且混合氣較為均勻，空氣利用率增大.當壓縮比為23.5時，混合氣在燃燒室內(nèi)分布更為廣泛，但由于此時過量空氣系數(shù)較小，油氣混合速率較低，造成混合氣局部當量比較高，不利于指示熱效率的改善.總體而言，當峰值壓力為25 MPa 時，在過量空氣系數(shù)為2.5，壓縮比為20.5 時，可獲得最佳指示熱效率.

圖12 噴油結束時刻缸內(nèi)當量比及溫度分布Fig.12 Distribution of in-cylinder equivalence ratio and temperature at the end of injection

當缸內(nèi)峰值壓力為30 MPa 時，缸內(nèi)混合氣濃度隨壓縮比的增加略有升高，混合氣在空間的分布區(qū)域隨壓縮比增加逐漸擴大.壓縮比為17.5 時，可燃混合氣主要集中在燃燒室凹坑內(nèi)的部分區(qū)域，壓縮比為20.5 時，可燃混合氣主要集中在燃燒室凹坑內(nèi)，而當壓縮比為23.5 時，可燃混合氣在燃燒室凹坑內(nèi)分布均勻且向燃燒室中心擴展.當缸內(nèi)峰值壓力為30 MPa 時，各壓縮比下過量空氣系數(shù)均較高，混合氣分布均勻，燃燒速率較快，過量空氣系數(shù)的增加對熱效率改善作用不明顯，壓縮比成為了影響熱效率的主要因素.因此隨壓縮比增加，指示熱效率逐漸升高，當過量空氣系數(shù)為2.5 左右、壓縮比23.5 時，其指示熱效率最高.

對3 種峰值壓力下的缸內(nèi)燃燒進行分析發(fā)現(xiàn)，在不同的峰值壓力下，最高指示熱效率所對應的過量空氣系數(shù)均為2.5 左右.當過量空氣系數(shù)較低時，缸內(nèi)可燃混合氣形成速率較低，在燃燒后期缸內(nèi)仍有較多的混合氣濃區(qū)，燃燒持續(xù)期較長是造成指示熱效率較低的主要原因，此時應將提高過量空氣系數(shù)作為提高熱效率的主要手段.而當過量空氣系數(shù)到達2.5 左右時，燃油與空氣可在缸內(nèi)迅速混合燃燒，此時繼續(xù)增加過量空氣系數(shù)對熱效率的改善不明顯，應以提高壓縮比作為提升熱效率的主要手段.

圖13 所示為在3 種不同缸內(nèi)峰值壓力限制下，NOx排放隨壓縮比的變化.在相同峰值壓力下，隨壓縮比的增加，NOx呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢；而在相同的壓縮比下，隨缸內(nèi)峰值壓力的增加，NOx排放逐漸提高.

圖13 不同壓縮比下的NOx排放Fig.13 NOxemission with different compression ratios

NOx生成的主要條件是高溫富氧.由圖12 可知，相同峰值壓力下隨著壓縮比的提高，缸內(nèi)高溫區(qū)域逐漸增加，對NOx的生成有促進作用；另一方面隨壓縮比提高，混合氣局部當量比升高，富氧區(qū)域減少，則抑制了NOx的生成.兩種因素的共同影響使NOx排放隨壓縮比增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢.而在相同的壓縮比下，隨著缸內(nèi)峰值壓力限制的提高，混合氣局部當量比減小，燃燒區(qū)域的氧濃度增加且局部燃燒溫度較高，促進了NOx的生成，因此NOx排放逐漸增加.

圖14 所示為在3 種不同峰值壓力下，碳煙排放隨壓縮比的變化.在峰值壓力為20 MPa 時，隨壓縮比增加碳煙排放呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢.在峰值壓力為25 MPa 和30 MPa 時，隨壓縮比的增加，碳煙排放逐漸降低.在相同的壓縮比下，隨峰值壓力的增加，碳煙排放呈上升趨勢.

碳煙的排放量取決于其生成量及氧化量的差值.碳煙主要在高溫缺氧的環(huán)境中生成，其在高溫中存在時間越長，越容易被氧化[13].如圖12 所示，在相同缸內(nèi)峰值壓力下，隨著壓縮比的增加缸內(nèi)混合氣局部當量比增加，促進了碳煙的生成.而由圖10 可知，隨壓縮比的增加缸內(nèi)平均燃燒溫度增加，高溫持續(xù)時間延長，促進了碳煙的氧化.過量空氣系數(shù)較高時，混合氣濃度變化對碳煙生成影響較小，相對而言，溫度的變化對碳煙氧化影響顯著.高溫持續(xù)時間的延長使更多的碳煙被氧化，因此隨壓縮比增加碳煙排放逐漸降低.在峰值壓力為20 MPa，壓縮比為22.5 和23.5 時，由于過量空氣系數(shù)過低導致缸內(nèi)混合氣局部濃區(qū)增加，碳煙生成量大幅增加，缸內(nèi)氧氣濃度較低導致燃燒后期碳煙氧化量減少，因此碳煙排放急劇升高.在相同壓縮比下，隨缸內(nèi)峰值壓力的提高，碳煙排放呈逐漸升高的趨勢.這是由于隨峰值壓力的提高，過量空氣系數(shù)增加，缸內(nèi)燃燒溫度降低，高溫持續(xù)時間縮短，燃燒后期碳煙氧化量降低，導致碳煙排放增加.

圖14 不同壓縮比下的碳煙排放Fig.14 Soot emission with different compression ratios

綜合來看，當缸內(nèi)峰值壓力為20 MPa 時，壓縮比為17.5 的燃燒室指示熱效率最高且NOx排放較低，但碳煙排放較高；當缸內(nèi)峰值壓力為25 MPa 時，壓縮比為20.5 的燃燒室指示熱效率最高，但同時NOx和碳煙排放水平稍高；當缸內(nèi)峰值壓力為30 MPa 時，壓縮比為23.5 的燃燒室指示熱效率最高，且NOx和碳煙排放水平較低.

3 結論

(1) 過量空氣系數(shù)較低時，指示熱效率隨壓縮比的升高呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢.在研究工況下，壓縮比超過21.5 后指示熱效率沒有明顯改善.

(2) 提高缸內(nèi)峰值壓力可顯著改善熱效率.與原機相比，當缸內(nèi)峰值壓力為 20 MPa、25 MPa、30 MPa 時，指示熱效率分別可提高2.2%、3.5%和4.3%.對熱效率改善幅度最明顯的壓縮比方案分別為17.5、20.5 和23.5.意味著高峰值壓力應與高壓縮比燃燒室匹配，才能獲得更高的熱效率提升.

(3) 提高壓縮比及過量空氣系數(shù)均是提高指示熱效率的有效方法，當過量空氣系數(shù)較低時，其對熱效率影響較大，應以提高過量空氣系作為改善熱效率的主要手段；當過量空氣系數(shù)增加到一定程度時，混合氣集中在較小的區(qū)域內(nèi)燃燒，空氣利用率降低，繼續(xù)增加過量空氣系數(shù)對提升熱效率影響較小，應以提高壓縮比作為提高熱效率的主要手段.