魏宇坤 姚本軍 張 濤

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 青島 266041）

1 引言

柴油機(jī)以其自身低油耗、高效率的優(yōu)勢特點(diǎn)成為世界上大部分艦船的主要?jiǎng)恿敵鰴C(jī)械，但是柴油機(jī)相較于汽油機(jī)有著較高的NOx和SOx排放水平，由此造成的污染是環(huán)境污染的重要方面。由于環(huán)境保護(hù)法規(guī)逐漸變得苛刻，單一的污染物排放控制技術(shù)在滿足環(huán)保法規(guī)方面顯得有些乏力，因此找到能有效控制NO等污染物的技術(shù)有著非常重大的意義［1～3］。

EGR（廢氣再循環(huán)）技術(shù)是降低NOx排放的一種有效措施，其操作方便，成本低廉，對柴油機(jī)的性能也影響較小，是目前被普遍采用的一種降低NOx排放的技術(shù)。而高壓共軌系統(tǒng)自問世以來，以其獨(dú)特的優(yōu)勢逐漸被應(yīng)用于各型柴油機(jī)上，通過高壓共軌系統(tǒng)可以靈活地調(diào)節(jié)共軌壓力和噴油提前角等參數(shù)，以優(yōu)化柴油機(jī)燃燒、排放等方面的性能［4～7］。

在汽油機(jī)上EGR技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，在輕型柴油機(jī)上的應(yīng)用也逐漸開展［8］。本文針對TBD234船用高壓共軌柴油機(jī)的高負(fù)荷工況，通過模擬計(jì)算的方法，對EGR+共軌技術(shù)對船用柴油機(jī)的排放控制效果進(jìn)行了深入研究以期為高壓共軌柴油機(jī)燃燒排放過程的優(yōu)化控制提供參考依據(jù)。

2 CFD仿真模型的建立

2.1 柴油機(jī)基本參數(shù)

本文針對TBD234船用柴油機(jī)首先進(jìn)行CFD仿真計(jì)算，該型柴油機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 TBD234柴油機(jī)基本參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

本文在ESE Diesel模塊建立的噴油嘴和燃燒室?guī)缀文Ｐ偷幕A(chǔ)上采用組合網(wǎng)格法進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。在活塞的實(shí)體結(jié)構(gòu)中，活塞的上表面存在著氣門凹坑，如圖1所示，對柴油機(jī)的性能影響較小，為方便劃分網(wǎng)格，計(jì)算采用的活塞裙部對忽略掉的氣門凹坑容積進(jìn)行補(bǔ)償，然后設(shè)置平均網(wǎng)格尺寸大小為0.1mm進(jìn)行二維平面網(wǎng)格的劃分，最后導(dǎo)出如圖2所示的3D網(wǎng)格。

圖1 活塞的三維模型

2.3 計(jì)算初始條件與邊界條件

本文對發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況（功率186KW、轉(zhuǎn)速1500r/min）進(jìn)行模擬計(jì)算，研究的重點(diǎn)是EGR和高壓共軌系統(tǒng)參數(shù)對柴油機(jī)的燃燒及排放性能的影響。因此，將計(jì)算范圍簡化為從進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻到排氣門開啟時(shí)刻所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角范圍，即為下止點(diǎn)后29°CA至下止點(diǎn)前41°CA曲柄轉(zhuǎn)角，軟件中設(shè)置上止點(diǎn)為720°CA，即計(jì)算范圍為569°CA到859°CA。

圖2 活塞的三維模型

在CFD仿真計(jì)算中，由于不是從進(jìn)氣過程開始模擬柴油機(jī)的完整工作循環(huán)，所以需要給出計(jì)算起始點(diǎn)的缸內(nèi)溫度、壓力和EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù)。計(jì)算初始時(shí)刻的壓力和溫度通過BOOST進(jìn)行一維工作過程計(jì)算得到，而不同共軌壓力下的噴油規(guī)律由Hydsim模型仿真得到。

仿真計(jì)算中湍流模型選用計(jì)算精度和穩(wěn)定性都較好的四方程模型，燃燒模型采用ECFM-3Z，排放NO模型采用Extended Zeldovic，而soot模型采用 Lund Flamelet Model［9］。

2.4 計(jì)算模型的驗(yàn)證

圖3 模型驗(yàn)證

在CFD仿真模型建立之后，為確保CFD模擬的準(zhǔn)確性，要對所建立的仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。在本文模型驗(yàn)證時(shí)選取的工況為：轉(zhuǎn)速1500r/min、噴油提前角11°CA、共軌壓力 100MPa、負(fù)荷 100%、無EGR。然后將仿真結(jié)果與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對比，通過調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，保證兩者誤差在可接受范圍內(nèi)，完成模型的標(biāo)定。圖3為本文建立的CFD仿真模型計(jì)算所得和實(shí)測示功圖，從圖中可以看出實(shí)測所得的缸內(nèi)壓力曲線和仿真計(jì)算所得缸內(nèi)壓力曲線誤差很小，說明建立的仿真模型能夠?qū)Σ裼蜋C(jī)的燃燒過程進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬［10］。

3 仿真計(jì)算工況

本文首先對TBD234柴油機(jī)額定工況（1500r/min，100%負(fù)荷）在原機(jī)基礎(chǔ)上對80MPa、100MPa、120MPa三種共軌壓力下 15°BTDC、10°BTDC、5°BTDC三種噴油起始角時(shí)的燃燒過程進(jìn)行CFD模擬計(jì)算，對共軌壓力和噴油起始角單獨(dú)變化以及兩者耦合作用時(shí)的燃燒排放性能進(jìn)行分析。然后在每種共軌壓力和噴油起始角組合條件下加入不同的EGR率（0、0.1、0.2、0.3），對EGR+共軌技術(shù)作用下的燃燒排放性能進(jìn)行分析。

4 仿真計(jì)算結(jié)果分析

4.1 共軌壓力耦合噴油提前角對柴油機(jī)排放特性的影響

圖4給出了共軌壓力耦合噴油提前角時(shí)的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線。從圖中可以明顯地看出有三束曲線，對應(yīng)著三個(gè)不同的噴油提前角，每束曲線中的三條曲線對應(yīng)著相應(yīng)的共軌壓力。隨著噴油提前角的減小和共軌壓力的減小，最終的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)變小。在本文仿真計(jì)算設(shè)置的噴油提前角和共軌壓力中，在噴油提前角為15°CA時(shí)下，當(dāng)共軌壓力從120MPa降為80MPa時(shí)，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.0011降為0.00096。在共軌壓力為120MPa條件下，當(dāng)噴油提前角從15°CA降為10°CA時(shí)，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.0011降為0.0007。

圖4 共軌壓力耦合噴油提前角時(shí)的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)

如圖5中曲線所示，soot的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增大，達(dá)到一個(gè)峰值，soot的質(zhì)量分?jǐn)?shù)開始減小，soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最終穩(wěn)定不變。從圖中可以看出，反應(yīng)過程中soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)的峰值隨著噴油提前角的減小明顯增大，噴油提前角的變化對soot的生成有著非常明顯的影響，相較于噴油提前角的變化對soot生成的影響，共軌壓力的變化對soot生成的影響較小。

圖5 共軌壓力耦合噴油提前角時(shí)的soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線

4.2 噴油提前角耦合EGR對柴油機(jī)排放特性的影響

圖6 給出了噴油提前角耦合EGR時(shí)的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線，表2列出了各個(gè)計(jì)算工況下最終的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如圖中所示的曲線分布，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線不再像燃燒室平均溫度和壓力曲線一樣有明顯的分布規(guī)律和形態(tài)，各個(gè)工況的曲線交叉在一起，直至最后NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)不再變化。表2將所有計(jì)算工況按照最終的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低的順序排列，通過表中的數(shù)據(jù)可以知道，在本次仿真設(shè)置的參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)EGR率越小和噴油提前角越大時(shí)，NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大；當(dāng)EGR率越大和噴油提前角越小時(shí)，NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小。通過分析計(jì)算結(jié)果可知，通過使用EGR和減小噴油提前角可以很大程度上降低NO的排放，當(dāng)EGR率從0增加到0.3，噴油提前角從15°CA減小到5°CA，0.3-5工況的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅是0.0-15工況的七十分之一。在設(shè)置的參數(shù)范圍內(nèi)，從0.0-15工況到0.0-5工況，NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1.06e-003減為3.9e-004，若到0.2-15工況，NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減為2.2e-004，而0.1-15工況的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.4e-004，可大概估計(jì)噴油提前角由15°CA減小到5°CA對NO生成的限制效果與EGR率為0.15時(shí)的限制效果相當(dāng)?？傊?，噴油提前角耦合EGR能非常有效地抑制NO的產(chǎn)生，且采用EGR減少NO產(chǎn)生的效果要好于減小噴油提前角，EGR有著更好的限制NO排放的潛力［11］。

圖6 噴油提前角耦合EGR時(shí)的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線

表2 各計(jì)算工況下的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖7給出了噴油提前角耦合EGR時(shí)的soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線，表3列出了各個(gè)計(jì)算工況下最終的soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如圖中所示的soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線分布和NO的曲線分布類似，各個(gè)工況的曲線交叉在一起。表3將所有計(jì)算工況按照最終的soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低的順序排列，通過表中的數(shù)據(jù)可以知道，在本次仿真設(shè)置的參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)EGR率越大和噴油提前角越小時(shí)，soot的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大；當(dāng)EGR率越小和噴油提前角越大時(shí)，soot的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小。通過對比表2和表3可知，兩個(gè)表中的工況排序正好相反，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)小的工況有著更高的soot排放，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低的0.3-5工況產(chǎn)生的soot最多，其soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)是0.0-15工況的565倍，可見當(dāng)減小NO排放的時(shí)候soot排放惡化的劇烈程度。所以在追求NO低排放的時(shí)候還要兼顧到soot排放的惡化程度在可接受范圍之內(nèi)。

圖7 噴油提前角耦合EGR時(shí)的soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線

表3 各計(jì)算工況下的soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)

4.3 最佳工況點(diǎn)的選擇

在實(shí)際應(yīng)用中，需要將NO和soot的排放水平都控制在相對較低的水平，所以，應(yīng)用噴油提前角耦合EGR對污染物進(jìn)行排放控制時(shí)，需要有一個(gè)相對優(yōu)化工況點(diǎn)。針對本次仿真計(jì)算的所有工況點(diǎn)，將每個(gè)工況點(diǎn)的soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)和NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別作為X、Y軸，作出圖8所示的散點(diǎn)圖。如圖所示，在本次計(jì)算所設(shè)置的參數(shù)范圍內(nèi)，將箭頭所指出的點(diǎn)設(shè)為相對優(yōu)化工況點(diǎn)，有著相對較低的NO排放和soot排放之間的折中關(guān)系。該點(diǎn)對應(yīng)的工況為0.1-5，即EGR率為0.1，噴油提前角為5°CA，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.7e-004，soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5e-007。

圖8 NO-soot關(guān)系圖

5 結(jié)語

本章首先對TBD234柴油機(jī)額定工況（1500r/min，100%負(fù)荷）80MPa、100MPa、120MPa三種共軌壓力下15°BTDC、10°BTDC、5°BTDC三種噴油起始角的燃燒過程分別進(jìn)行CFD模擬計(jì)算，對共軌壓力和噴油起始角耦合作用時(shí)的燃燒排放性能進(jìn)行分析。然后對噴油提前角和EGR技術(shù)耦合作用下的燃燒排放性能進(jìn)行仿真分析。結(jié)論如下：

1）在本文仿真計(jì)算參數(shù)設(shè)置條件下，共軌壓力和噴油提前角偶合作用時(shí)，共軌壓力的變化對燃燒排放性能的影響明顯小于噴油提前角的變化對柴油機(jī)燃燒排放性能的影響，通過調(diào)節(jié)共軌系統(tǒng)參數(shù)控制排放時(shí)，可將噴油提前角作為主要參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2）當(dāng)噴油提前角耦合EGR時(shí)，在所設(shè)置的參數(shù)密度條件下，噴油提前角對燃燒過程特征參數(shù)的影響大于EGR產(chǎn)生的影響，但是EGR對NO和soot排放產(chǎn)生的影響很大。EGR耦合噴油提前角可以很大程度上降低NO的排放，但是會(huì)使得soot的排放急劇惡化。在本次設(shè)置的工況中，EGR率為0.1，噴油提前角為5°CA時(shí)NO和soot排放折中關(guān)系良好，取為相對優(yōu)化工況點(diǎn)。

3）與減小噴油降低NO排放相比，采用EGR技術(shù)對NO排放的限制效果更加明顯，EGR技術(shù)在該方面更具潛力和應(yīng)用前景。在采用EGR技術(shù)耦合噴油提前角降低NO排放的同時(shí)，需要采取后處理等其他技術(shù)以降低soot。

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