孫豫，錢葉劍，唐彬彬，位曉飛，孫顯，方玉龍

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

0 概述

柴油機(jī)的燃燒過(guò)程與噴油策略密切相關(guān)。文獻(xiàn)［2］中基于單缸增壓柴油機(jī)數(shù)值模型研究了預(yù)噴-主噴噴油策略對(duì)燃燒過(guò)程和排放特性的影響。文獻(xiàn)［3］中建立了YC-6K船用高速柴油機(jī)一維仿真模型，研究發(fā)現(xiàn)噴油正時(shí)和燃燒時(shí)刻基本呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)，并指出柴油機(jī)的控制策略應(yīng)以噴油正時(shí)為控制變量。文獻(xiàn)［4］中建立了MAN 6L16/24型船用柴油機(jī)的數(shù)值模型，仿真研究表明通過(guò)修正噴油脈寬和噴油正時(shí)等參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的燃燒控制。文獻(xiàn)［5］中研究了噴油正時(shí)、噴射角度、噴射器凸出長(zhǎng)度和渦旋比對(duì)船用中速柴油機(jī)燃燒過(guò)程的影響，指出噴油正時(shí)和渦旋比是影響缸內(nèi)燃燒的主要因素。文獻(xiàn)［6］中基于高壓共軌柴油機(jī)碳煙排放的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，利用隨機(jī)森林算法分析了各影響因素的權(quán)重大小，發(fā)現(xiàn)軌壓的影響權(quán)重最大，噴油正時(shí)次之，預(yù)噴量和主預(yù)噴間隔角的影響權(quán)重最小。文獻(xiàn)［7］中在中速柴油機(jī)上研究了二次噴射技術(shù)的影響，證明了噴油正時(shí)和壓力對(duì)缸內(nèi)燃燒影響明顯。文獻(xiàn)［8］中模擬研究了噴油正時(shí)對(duì)船用直噴柴油機(jī)排放特性的影響，研究結(jié)果表明：噴油正時(shí)提前，缸內(nèi)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(shí)顆粒物直徑減小。文獻(xiàn)［9］中研究了多次噴射對(duì)大缸徑船用柴油機(jī)性能和排放的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)噴正時(shí)會(huì)顯著影響燃油消耗量，主噴正時(shí)是影響NOx排放的最顯著參數(shù)。文獻(xiàn)［10］中基于詳細(xì)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理模型，模擬研究了噴油正時(shí)和進(jìn)氣門關(guān)閉正時(shí)對(duì)預(yù)混壓縮點(diǎn)火（premixed controlled compressor ignition，PCCI）柴油機(jī)性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用延遲進(jìn)氣門關(guān)閉和優(yōu)化噴油正時(shí)相互配合，會(huì)顯著降低缸內(nèi)燃燒溫度，減少NOx排放。文獻(xiàn)［11］中基于條件矩封閉（conditional moment closure，CMC）湍流模型研究了噴油正時(shí)對(duì)碳煙顆粒密度和粒徑變化的影響，表明噴油正時(shí)對(duì)粒徑和碳煙密度的影響小，高負(fù)荷下總體粒徑會(huì)偏向于較大方向。文獻(xiàn)［12］中研究發(fā)現(xiàn)在低溫燃燒模式下噴油正時(shí)為上止點(diǎn)前（before top dead center，BTDC）40°時(shí)柴油機(jī)的顆粒物密度最小，平均粒徑最大。

從上述研究可以看出，優(yōu)化噴油正時(shí)可以明顯改善大缸徑船用柴油機(jī)的燃燒過(guò)程?；诖爸兴俨裼蜋C(jī)優(yōu)化升級(jí)需求，考慮到試驗(yàn)優(yōu)化需要高昂的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本，本文中建立了該發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）計(jì)算模型，針對(duì)常用場(chǎng)景模擬研究了不同負(fù)荷工況下噴油正時(shí)對(duì)燃燒過(guò)程和排放特性的影響，為該型柴油機(jī)的燃燒優(yōu)化和排放改善提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，降低升級(jí)成本。

1 仿真計(jì)算模型建立與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 柴油機(jī)仿真模型的建立

發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為DE-23的6缸中速船用柴油機(jī)，具體參數(shù)如表1所示。本文中曲軸轉(zhuǎn)角在上止點(diǎn)前用負(fù)數(shù)表示，曲軸轉(zhuǎn)角在上止點(diǎn)后（after top dead center，ATDC）用正數(shù)表示。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

三維計(jì)算模型包含燃燒室、進(jìn)氣道和排氣道，燃燒室為ω型，模型細(xì)節(jié)如圖1所示。

圖1 模型計(jì)算網(wǎng)格

考慮計(jì)算精度與效率，網(wǎng)格尺寸選取為15 mm，網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證如圖2所示。模型計(jì)算節(jié)點(diǎn)不大于1 500 000個(gè)，燃油噴霧與燃燒過(guò)程進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。采用不同網(wǎng)格尺寸計(jì)算缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化，壓縮上止點(diǎn)設(shè)為0°。仿真計(jì)算時(shí)間設(shè)置在壓縮沖程開(kāi)始階段（-180°）與膨脹沖程結(jié)束（180°）之間。噴油器位于燃燒室的缸蓋圓心位置，噴頭12個(gè)噴孔的位置如圖1所示。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

計(jì)算模型耦合了化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)相關(guān)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(yàn)工況

選取標(biāo)定轉(zhuǎn)速900 r/min的5個(gè)不同負(fù)荷工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，如表3所示。所選取工況點(diǎn)可較全面地覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間。

中國(guó)經(jīng)濟(jì)事業(yè)協(xié)進(jìn)會(huì)在1946年1月召開(kāi)的中國(guó)政治協(xié)商會(huì)議前后起了不少作用。比如召開(kāi)系列的座談會(huì)，參加各民主黨派組織的民主晚會(huì)，團(tuán)結(jié)工商界的進(jìn)步人士，促進(jìn)民主運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。1946年“經(jīng)協(xié)”總會(huì)遷到上海。

表3 5個(gè)關(guān)鍵工況點(diǎn)

為了保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，邊界條件中的幾何形狀、進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)、循環(huán)噴油量和噴油規(guī)律由相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)和一維數(shù)值模型計(jì)算獲得。大缸徑船用柴油機(jī)的供油一般采用柱塞泵供油方式，本文中噴油正時(shí)優(yōu)化試驗(yàn)中可通過(guò)改變?nèi)加屯馆喯辔粚?shí)現(xiàn)噴油參數(shù)可調(diào)。在仿真研究工作中，噴油正時(shí)設(shè)置為-7°～-11°，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷設(shè)置為10%、50%和100%。臺(tái)架試驗(yàn)中測(cè)量柴油機(jī)排放的儀器設(shè)備如表4所示。

表4 臺(tái)架試驗(yàn)儀器

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證采用了該型號(hào)船機(jī)理論設(shè)計(jì)噴油參數(shù)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。利用模型模擬計(jì)算了理論設(shè)計(jì)最佳噴油正時(shí)（-9°）下缸內(nèi)燃燒情況，模擬結(jié)果與該工況下試驗(yàn)采集的缸內(nèi)壓力如圖3所示。

圖3 模擬缸壓與實(shí)際測(cè)量對(duì)比

從圖3中可以看出模擬計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)一致，數(shù)值相近，兩者的誤差范圍為2%～5%。圖4為在不同負(fù)荷工況下的排氣溫度驗(yàn)證。試驗(yàn)過(guò)程中多次測(cè)量的數(shù)值波動(dòng)范圍通過(guò)測(cè)量波動(dòng)標(biāo)出，模型輸出值在試驗(yàn)測(cè)量波動(dòng)范圍內(nèi)，說(shuō)明所建模型的計(jì)算精度符合要求，可以開(kāi)展后續(xù)模擬研究工作。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度驗(yàn)證

2.2 缸內(nèi)燃燒情況分析

由于研究對(duì)象的工作工況相對(duì)固定，本文中選擇10%負(fù)荷、50%負(fù)荷和100%負(fù)荷3個(gè)固定工況來(lái)進(jìn)行分析。圖5為不同負(fù)荷工況下噴油正時(shí)對(duì)缸內(nèi)壓力和放熱率的影響。

圖5 不同負(fù)荷工況下噴油正時(shí)對(duì)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(nèi)最高燃燒壓力從4.4 MPa增加至5.5 MPa，提升幅度達(dá)到了20%以上。結(jié)合圖中的放熱率變化可知，噴油正時(shí)為-8°時(shí)缸內(nèi)燃燒過(guò)程不穩(wěn)定，原因可能是缸內(nèi)燃燒條件未達(dá)最佳，造成燃燒不充分。當(dāng)噴油正時(shí)調(diào)整為-9°時(shí)，缸內(nèi)壓力提升明顯，隨著噴油正時(shí)的進(jìn)一步提前，缸內(nèi)壓力增加趨勢(shì)變得平緩，相同曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)缸壓也隨著噴油提前角的加大而增大。不過(guò)，當(dāng)噴油正時(shí)大于-9°后，壓力變化基本保持不變，只在壓力峰值處有細(xì)微變化，對(duì)應(yīng)放熱率的數(shù)值保持在同一水平。由圖5（b）可觀察到，隨著噴油正時(shí)的改變，缸壓和放熱率的變化趨勢(shì)與圖5（a）中變化趨勢(shì)相近。不過(guò)，在50%負(fù)荷工況下，噴油正時(shí)-9°下的缸壓峰值比噴油正時(shí)-8°下的增加了26%。隨著噴油正時(shí)的進(jìn)一步增加，缸內(nèi)壓力的峰值穩(wěn)步增長(zhǎng)，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(shì)與圖5（a）和圖5（b）相似，但噴油正時(shí)-9°下的缸內(nèi)壓力峰值相較于-8°增大了20%，增加幅度小于50%負(fù)荷工況。

總體對(duì)比圖5，可以看出在10%、50%和100%負(fù)荷工況，噴油正時(shí)為-7°下放熱率顯著低于其他工況。結(jié)合文獻(xiàn)［10］的研究結(jié)果，原因可能是噴油時(shí)刻接近壓縮上止點(diǎn)時(shí)，由于此時(shí)缸內(nèi)溫度和壓力已達(dá)到燃點(diǎn)，燃料與空氣的混合時(shí)間變短，燃燒室內(nèi)部的當(dāng)量比分布不均勻，部分燃料沒(méi)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(guī)律與文獻(xiàn)［13］的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果相似。

燃燒過(guò)程的關(guān)鍵相位有CA10、CA50和CA90，分別指燃燒循環(huán)過(guò)程中累積釋放10%、50%、90%熱量對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角位置。CA10體現(xiàn)火焰核的形成過(guò)程，較短的CA10意味著更好的燃燒穩(wěn)定性和火焰質(zhì)量。早期燃燒時(shí)間定義為CA10到CA50之間的曲軸轉(zhuǎn)角，用于評(píng)價(jià)燃燒效率；燃燒持續(xù)期定義為CA10到CA90之間的曲軸轉(zhuǎn)角，直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率；燃燒起始階段定義為燃油起始噴射（start of injection，SOI）時(shí)刻至CA10的曲軸轉(zhuǎn)角。圖6為不同負(fù)荷工況燃燒相位的變化規(guī)律。不同負(fù)荷工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒持續(xù)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(gè)燃燒過(guò)程相對(duì)集中于上止點(diǎn)附近，燃燒更加充分，指示熱效率升高，燃油消耗率降低，經(jīng)濟(jì)性會(huì)提升。但CA50接近上止點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致最高燃燒壓力和壓力升高率急劇增加［14］，對(duì)柴油機(jī)的可靠性產(chǎn)生不利影響。從圖6還可觀察到，100%負(fù)荷工況CA50的相位相對(duì)10%和50%工況最滯后，可能的原因是柴油機(jī)的燃燒期控制一般是通過(guò)噴油控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的［15］，燃燒的方式為擴(kuò)散燃燒，100%負(fù)荷下燃油供給量較大，噴油持續(xù)角較大，所以整個(gè)循環(huán)的燃燒期相對(duì)較長(zhǎng)。

圖7～圖9展示了不同負(fù)荷工況下發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度的分布云圖。選取溫度分布云圖對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角分別為0°、30°和80°，分別對(duì)應(yīng)噴油正時(shí)-7°～-11°工況?？梢钥闯?，0°時(shí)刻是缸內(nèi)火焰形成的穩(wěn)定階段，缸內(nèi)溫度較低。由于研究對(duì)象大缸徑船用柴油機(jī)的燃燒模式為擴(kuò)散燃燒，高溫區(qū)域主要是燃油噴霧前峰面燃燒所形成的穩(wěn)定火焰面。隨著噴油提前角的增加，燃油噴霧擴(kuò)散的范圍也變大，高溫區(qū)域的范圍更廣。在30°和80°對(duì)應(yīng)的剖面圖上，隨著噴油提前角的加大，缸內(nèi)的高溫范圍變大。值得注意的是，在100%負(fù)荷和50%負(fù)荷工況下缸內(nèi)中心部位溫度偏低，原因可能是機(jī)型采用的12孔高壓噴頭產(chǎn)生的燃油噴霧與壁面相互作用［16］，噴霧與缸內(nèi)相對(duì)靜止的空氣產(chǎn)生了較大的速度梯度，噴霧的上下邊緣處產(chǎn)生了渦流團(tuán)。渦流團(tuán)尺寸和強(qiáng)度與噴孔直徑正相關(guān)，對(duì)于大缸徑船用柴油機(jī)，因?yàn)楣┯土枯^大，噴油孔的直徑較大（一般在0.3 mm左右），容易產(chǎn)生尺寸和強(qiáng)度較大的渦流團(tuán)。渦流團(tuán)會(huì)產(chǎn)生劇烈的傳質(zhì)卷吸現(xiàn)象［17］，將噴霧邊緣的霧化燃油卷出，使得氣缸中心區(qū)域的當(dāng)量比過(guò)低，無(wú)法燃燒，產(chǎn)生圖中顯示的低溫區(qū)域。

圖7 10%負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度分布

圖9 100%負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度分布

圖8 50%負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度分布

2.3 噴油策略對(duì)排放污染物的影響

柴油機(jī)的主要污染物是NOx和碳煙（soot）等。根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算燃燒1 kg燃油污染物的排放量變化規(guī)律。

不同負(fù)荷工況下噴油正時(shí)對(duì)NOx排放的影響如圖10所示。在10%負(fù)荷、噴油正時(shí)-8°工況下，NOx排放量最大，生成速率也最快。在50%和100%負(fù)荷工況，最大NOx排放對(duì)應(yīng)的噴油正時(shí)為-9°。在10%和50%負(fù)荷工況下，最小NOx排放量對(duì)應(yīng)的噴油正時(shí)為-10°；在100%負(fù)荷工況下，最低的NOx排放對(duì)應(yīng)的噴油正時(shí)為-11°。柴油機(jī)缸內(nèi)主要是熱力型NOx［18］，溫度是重要的影響因素之一。負(fù)荷升高，缸內(nèi)溫度和壓力大幅上升，NOx的排放量增加。

圖10中3個(gè)負(fù)荷工況下噴油正時(shí)為-10°和-11°時(shí)產(chǎn)生的NOx都處于較低水平，可能的原因是：結(jié)合燃燒相位可知，噴油參數(shù)對(duì)燃燒期影響很小，主要的燃燒期都處于上止點(diǎn)之后，膨脹行程的局部燃燒溫度和壓力對(duì)NOx的形成有著重要影響［9］，圖中NOx排放量增加區(qū)域集中在0°～30°區(qū)間。隨著噴油提前角的加大，噴油時(shí)缸內(nèi)溫度與壓力也相對(duì)較高，CA50相位前移，燃油噴霧在缸內(nèi)的擴(kuò)散程度不斷加大，總體燃油混合氣的濃度減小，高當(dāng)量比濃度的區(qū)域減少，燃燒過(guò)程更接近低溫燃燒，所以NOx的量隨之降低。根據(jù)文獻(xiàn)［18］的研究結(jié)論，為了減少NOx的排放，缸內(nèi)燃燒溫度應(yīng)該盡量避免高于2 300 K。圖10（a）和圖10（b）顯示噴油正時(shí)為-10°和-11°工況下的缸內(nèi)低溫區(qū)域較多，NOx排放低。

圖10 不同負(fù)荷工況下噴油正時(shí)對(duì)NOx排放量的影響

圖11為不同負(fù)荷下噴油正時(shí)對(duì)CO排放的影響規(guī)律。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷上升，缸內(nèi)產(chǎn)生的CO排放量增加。CO作為燃燒中間產(chǎn)物，負(fù)荷上升，燃油消耗量增加，缸內(nèi)當(dāng)量比變大，部分區(qū)域燃燒不充分，出現(xiàn)相對(duì)低溫區(qū)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(fù)荷上升而增加。此外，圖11中可觀察到噴油提前角對(duì)CO排放量影響不明顯。

圖11 不同負(fù)荷工況下噴油正時(shí)對(duì)CO排放量的影響

圖12為不同負(fù)荷下噴油正時(shí)對(duì)碳?xì)浠衔铮╤ydrocarbon，HC）排放的影響。CO和HC都是燃燒不完全產(chǎn)物。噴油提前角加大，缸內(nèi)混合氣更均勻，HC的排放量降低。圖12中10%和50%負(fù)荷工況下HC排放量變化趨勢(shì)是符合此規(guī)律的，但100%負(fù)荷工況下，隨著噴油提前角加大，出現(xiàn)了HC排放上升的現(xiàn)象，可能的原因是高負(fù)荷工況下缸內(nèi)壓力變大，隨著噴油正時(shí)的提前，更多的燃料進(jìn)入了缸內(nèi)余隙。此外滯燃期變長(zhǎng)，燃油裂解程度加深，HC排放增加［8］。

圖12 不同負(fù)荷下噴油正時(shí)對(duì)HC排放量的影響

柴油機(jī)燃燒過(guò)程中，碳煙顆粒物主要生成于缺氧和高溫的擴(kuò)散燃燒中。圖13為不同負(fù)荷工況下噴油正時(shí)對(duì)碳煙排放量的影響規(guī)律。隨著噴油提前角的加大，碳煙排放量增加。文獻(xiàn)［8］中對(duì)小缸徑柴油機(jī)噴油參數(shù)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(jìn)燃油噴霧與空氣混合，燃燒更加充分，呈現(xiàn)出碳煙排放下降而NOx排放增加的現(xiàn)象。而圖13中觀察到的現(xiàn)象與此結(jié)論相反。原因可能是：本文中的研究對(duì)象為大缸徑船用柴油機(jī)，活塞環(huán)與缸壁之間的間隙絕對(duì)量相對(duì)更大些，噴油提前角加大時(shí)，活塞位置相對(duì)靠下，部分燃油會(huì)由于碰壁作用進(jìn)入到缸壁與活塞的縫隙之中，這部分燃料不能夠進(jìn)行充分燃燒，會(huì)形成大量的顆粒物。

圖13 不同負(fù)荷下噴油正時(shí)對(duì)碳煙排放量的影響

圖14為曲軸轉(zhuǎn)角0°下缸內(nèi)物質(zhì)質(zhì)量分布。由圖14可以觀察到，余隙中物質(zhì)質(zhì)量明顯分布較多，在相同0°曲軸轉(zhuǎn)角的截圖中，不同負(fù)荷情況下缸內(nèi)的物質(zhì)分布較多集中在邊緣，發(fā)動(dòng)機(jī)余隙中物質(zhì)質(zhì)量明顯分布較多，文獻(xiàn)［19］中的低溫燃燒研究也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。

圖14 曲軸轉(zhuǎn)角0°下發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)物質(zhì)質(zhì)量分布

在圖13中觀察到-7°噴油正時(shí)工況下碳煙的排放量相對(duì)最少。碳煙排放量隨噴油提前角加大而增加。文獻(xiàn)［20］中對(duì)不同噴油正時(shí)下形成的碳煙顆粒展開(kāi)研究發(fā)現(xiàn)，噴油正時(shí)提前，空氣與燃料混合較好，氣缸溫度較高，滯燃期較長(zhǎng)，先導(dǎo)噴射會(huì)使碳煙顆粒的一次粒徑更小，納米結(jié)構(gòu)更有序，石墨化程度更高；若噴油正時(shí)推后，產(chǎn)生的含有機(jī)碳較多的煤煙顆粒尺寸更大，邊界更模糊。在實(shí)際反應(yīng)過(guò)程中，碳煙顆粒的納米結(jié)構(gòu)越無(wú)序，有機(jī)碳含量越高，其氧化反應(yīng)性越好，碳煙排放量越小，和圖13中碳煙排放量與噴油正時(shí)的關(guān)系趨勢(shì)相同。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

分析前文模擬研究結(jié)果的趨勢(shì)，考慮相關(guān)污染物排放限值，將該型號(hào)的大缸徑船用柴油機(jī)的最優(yōu)噴油正時(shí)調(diào)整為-10°，在試驗(yàn)臺(tái)架上研究了噴油正時(shí)對(duì)排放特性的影響。

圖15為不同負(fù)荷下不同污染物的試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比結(jié)果。觀察可知，在-10°噴油正時(shí)下，NOx排放在50%負(fù)荷以下最低。100%負(fù)荷、-10°噴油正時(shí)下，NOx的排放量低于該負(fù)荷下-9°噴油正時(shí)工況的NOx排放量。并且100%負(fù)荷、-10°噴油正時(shí)工況下的CO排放量和碳煙排放量也是相對(duì)最低的。碳煙排放量在-10°噴油正時(shí)工況下為0.04 g/（kW·h），低于其他噴油正時(shí)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(shí)工況下，HC排放量在中高負(fù)荷工況下相對(duì)較高，但最大排放量差值僅比其他兩個(gè)工況高不到30%。綜合考慮，-10°噴油正時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況下是相對(duì)較優(yōu)的控制參數(shù)。此外可觀察到，在不同發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷工況下，排放濃度試驗(yàn)值的變化趨勢(shì)與模擬計(jì)算值的變化趨勢(shì)相同。此結(jié)果證明了基于仿真結(jié)果的試驗(yàn)工況優(yōu)化工作對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義，可降低研發(fā)工作中的經(jīng)濟(jì)成本，縮短研發(fā)周期。

圖15 不同負(fù)荷下污染物的試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比

3 結(jié)論

（1）模擬計(jì)算結(jié)果表明，大缸徑船用柴油機(jī)的缸內(nèi)燃燒過(guò)程較為緩慢，燃燒方式以擴(kuò)散燃燒為主。最高燃燒壓力與噴油正時(shí)密切相關(guān)，在噴油正時(shí)為-8°和-9°時(shí)，最高燃燒壓力出現(xiàn)明顯提升。原因是缸內(nèi)渦流團(tuán)運(yùn)動(dòng)，燃油噴霧擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和燃燒相位改變的綜合作用。噴油正時(shí)提前，滯燃期延長(zhǎng)，燃油噴霧擴(kuò)散程度加大，缸內(nèi)混合氣相對(duì)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(guān)系。

（2）隨著柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸徑的增大，適用于中小缸徑柴油機(jī)的污染物生成規(guī)律可能不再適用。大缸徑船用柴油機(jī)的試驗(yàn)和模擬計(jì)算結(jié)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(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度偏慢，噴油提前角加大使擴(kuò)散時(shí)間增加，缸內(nèi)的高當(dāng)量比區(qū)域減少，燃燒過(guò)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(fā)動(dòng)機(jī)余隙容積的影響，余隙中的燃料無(wú)法充分燃燒，容易形成碳煙顆粒。

（3）依據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，確定-10°為該大缸徑船用柴油機(jī)的最佳噴油正時(shí)。柴油機(jī)的NOx、CO和HC排放的臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)與模擬計(jì)算結(jié)果一致。