进气冲程增压注水对柴油发动机性能的影响

王生, 姚清河, Trevor Hocksun Kwan

(中山大学航空航天学院，广东 广州 510006)

注水的方式分为进气歧管注水，气缸注水和排气歧管注水[1]。为了降低发动机的燃烧温度、废气排放，注水技术得到了广泛的研究[2-5]。X Ma等[6]研究了进气歧管注水，发现注水能够降低缸内平均压力和温度，且点火延迟时间变长、氮氧化物和碳烟排放量显著下降。部分学者采用数值模拟的方法研究了发动机注水的效果，F Berni 等[7]使用CFD分析了高性能涡轮增压GDI发动机燃烧室中注入水和燃料混合物的效果，结论表明：注水可以提高发动机的点火提前角；在满足输出功率的同时降低燃料消耗。M Nour 等[8]研究了注水入柴油发动机的排气歧管对发动机燃烧和排放的影响，发现：注水能够提高气缸内部的压力；与常规柴油发动机相比较，NOx的排放量降低了85%。

进气增压技术现已广泛的应用于相关领域[9-12]。柴油发动机碳氢化合物的排放量要比汽油发动机低得多，但是NOx的排放会更高[13]。同时降低这两种污染物的排放十分困难，但增大进气压强或者加入添加剂可以有效的降低这两种污染物的排放[14-15]。不过，过高的缸内压强会导致发动机爆震的发生，从而影响发动机的安全性能[16]。为此，本文以广西玉柴有限公司生产的YC6G系列柴油发动机为对象，通过AVL-FIRE软件，分析了同时使用进气增压与注水两种技术的情况下，不同注水量时燃烧室内温度、压力和发动机排放的变化规律，及其对发动机性能的影响。

1 物理模型

1.1 三维几何模型

本文使用广西玉柴有限公司生产的YC6G系列柴油发动机作为研究对象，在AVL-FIRE软件中建立三维模型。该发动机大量使用于国内客车中，具有油耗低、运行稳定的优点。发动机的主要参数如表1所示。

表1 YC6G系列柴油发动机的具体参数Table 1 Parameters of YC6G engine

模拟过程为进气门关闭到排气门开启，没有进气和排气的过程，因此建立模型时仅需建立燃烧室的3D模型。由于此燃烧室喷油孔数为8，为了节约计算时间，本次模拟选取了燃烧室的八分之一作为计算区域，如图1所示。

图1 YC6G柴油发动机的网格模型Fig.1 3D mesh model of YC6G diesel engine

本文模拟选取的曲轴转角在574°～852°度之间。随着曲轴转角的不断变化，燃烧室的形状和大小也在不断变化，所以网格的大小和数量也随着曲轴转角的变化而变化。因此，在曲轴转角为720°时，网格数目是92 100；而当曲轴转角变化为830°时，网格数目为278 950。

1.2 计算模型

本文考虑的数学模型包括湍流模型、燃烧模型、点火模型和排放模型。在湍流模型中，本文采用计算成本更低、稳定性和计算精度更高的k-zeta-f模型。燃烧模型选择的是涡团破碎模型(eddy breakup model)。点火模型选择适用于柴油发动机的Diesel ignited gas engine模型。NOx的排放模型为Zeldovich模型。Soot排放模型采用Kennedy/Hiroyasu/Magnussen模型。

1.3 边界条件

本次模拟的边界条件主要是温度和速度。燃烧室的温度设为恒温，其中活塞温度设为550 K；燃烧室顶部温度设为550 K；气缸壁温度设定为475 K。由于燃烧室顶部和燃烧室壁是静止不动的，所以其速度为0。活塞顶部的速度与其往复运动有关系，设定为等于活塞运动的速度。其他边界条件根据实测资料设定。

表2 边界条件的设置Table 2 Boundary condition setting

1.4 计算工况

本文模拟的是发动机的压缩做功冲程，选取的曲轴转角在574°～852°之间，发动机的转速设定为标定转速1600 r/min。设定注水占进气总混合气体质量分数的0%、5%和10%，初始压强、温度和湍动能分别设定为0.4 MPa、330 K和18.58 m2/s2。计算对象的原进气压强为0.15 MPa，将进气压强增加到0.4 MPa。具体的初始条件设置，如表3所示。

表3 计算工况参数设置Table 3 Calculation operating parameter settings

1.5 模型有效性验证

为了校准和验证数值结果的准确性，将在0.4 MPa时不注水情况下的数值模拟结果与参考文献[17]中的数据进行比较。参考图2可以发现，压力遵循相同的趋势并且在±5%的误差范围内。

2 计算结果

2.1 注水量对燃烧室温度的影响

燃烧室内的温度影响燃料燃烧的效率和质量，同时过高的缸内温度会影响发动机的安全性[18]。

气缸内平均温度和V平均压力在曲轴转角为726°时达到最高，这是因为活塞在曲轴转角为726°时运动到气缸顶部，此时气缸内部容积最小，内部流动最为剧烈。而温度和压力分布的不均匀，将有可能影响燃料的燃烧质量和发动机安全性。同时在曲轴转角为746°时，活塞在向下运动过程中，气缸的容积逐渐增大，内部温度的分布已经趋于均匀，各工况的燃料在此刻都消耗完全，研究此时的温度和压强的分布，可以了解注水对燃料燃烧效率的影响。曲轴转角为726°和746°时的温度和压力分布，如图3所示。

图2 数值模拟结果与文献值对比Fig.2 Numerical simulation results compared with reference values

图3 726°和746°曲轴转角时不同注水量下的温度分布图Fig.3 Temperature distribution at 726°CA and 746°CA with different water injection rates

如图3所示，在喷油刚开始时，由于油束并未与空气完全混合，只有外面一层油滴接触空气，所以外部油滴先于空气反应燃烧，在油束外围产生高温区域。而随着油滴不断深入燃烧室，速度不断下降，油滴之间分散开来分别与空气反应，这时油滴内部温度开始上升。同时，观察不同注水量下气缸内部的温度分布，可以发现注水量的增加对温度分布影响很小。

如图4所示，缸内温度在726°曲轴转角时达到峰值；随着注水量的增加，峰值有所下降。同时，观察温度的变化趋势可以发现，进气注水并没有改变温度的变化趋势。因此，进气注水可以有效降低燃烧室的温度，但是不会影响温度的变化趋势。

图4 缸内平均温度随曲轴转角变化Fig.4 Mean temperature varies with the crank angle in the cylinder

2.2 注水量对燃烧室压强的影响

燃烧室内的流体压力主要由空气燃烧产生。当喷嘴喷油时，由于燃料燃烧气缸内压强急剧上升，但是随着活塞向下运动，气缸容积不断上升，缸内平均气压会随活塞运动而不断减小。

如图5所示，当油滴运动到缸壁时，油滴会扩散到上面的凹槽里，从而使凹槽内部的气压上升。燃烧室内的压力分布则和燃烧的分布情况有关。对比726°曲轴转角和746°曲轴转角的压力分布可以发现726°时高压集中在喷嘴附近，而在746°时集中在右侧缸壁。这表明：随着燃烧的进行，高压部分逐渐向缸壁转移；对比两个曲轴转角的压力值可以发现，缸内压力也在随时间降低。从图5可以发现，注水对发动机内部的压强影响极小；随着注水量的增加，压强有所下降，主要是由于温度下降所造成；不同的注水量下，缸内压力的分布几乎完全一致。

2.3 注水量对发动机排放的影响

Soot排放是衡量碳烟生成的指标，同时碳烟也是衡量燃烧是否完全的标准之一。碳烟的形成原因有氧气不足，燃烧不充分或者燃料的燃烧先于进入燃料燃烧室。当活塞运动到上止点时(曲轴转角720°)，碳烟开始形成；随着燃烧的进行，碳烟含量在740°左右达到峰值，之后因部分物质被氧化，碳烟含量逐渐下降。

图5 726°和746°曲轴转角时不同注水量下的压强分布图Fig.5 Pressure distribution at 726°CA and 746°CA with different water injection rates

在图6中，三条曲线几乎重合。因此，进气注水几乎不会对燃烧室内的平均压强造成影响。同时，通过观察峰值可以发现：随着注水量的增加，燃烧室内平均温度的峰值有极小的下降。

图6 缸内平均压强随曲轴转角变化Fig.6 Mean pressure varies with the crank angle in the cylinder

图7为不同注水量时Soot排放量随曲轴转角的变化曲线。由于碳烟形成开始于活塞运动到上止点时，所以曲轴转角选取为720°～ 850°。在图7中，随着注水量增大，Soot的排放有所降低，这意味着进气注水使得燃料的燃烧更加充分。但是，后期Soot排放曲线几乎一致，这说明进气注水和最终的Soot排放量无关，这是因为燃烧室内的氧气比较充足，所有碳烟在最后都会被燃烧。

图7 Soot质量分数随曲轴转角变化Fig.7 Soot mass fraction varies with crank angle

NOx排放是衡量发动机废气排放的另一个重要参数。在柴油发动机中，NOx的主要来源是高温下氧气和氮气之间的化学反应。NOx是日常汽车尾气中重要的污染组成，会造成酸雨等污染现象。因此减少尾气中NOx的排放能有效的降低大气污染。

由图8所示，NOx是在曲轴转角过了720°之后生成的，也就是在燃料燃烧开始之后。在燃烧发生后，注水量为0%的NOx质量分数急剧增加，并在很短的时间内达到峰值，而达到峰值之后，NOx的排放量基本稳定，这是因为燃烧室内的空气含量不足造成的。同时，观察到注水质量分数为5%、10%的两条曲线上升较为平缓。最后NOx的生成量如下：注水量为0%时，NOx最终质量分数为5.44×10-7；注水量为5%时，NOx最终质量分数为1.18×10-9；而注水量为10%时，NOx最终质量分数为1.20×10-10，发动机单循环的排放量几乎为零。因此，注水显著地减少了NOx的排放。

图8 NOx质量分数随曲轴转角变化Fig.8 NOx mass fraction varies with crank angle

3 结 论

(1)通过观察温度分布图，可以发现注水对温度分布造成的影响并不明显。这也表明进气注水对发动机的安全性影响很小。随着注水量的提高，燃烧室内部的平均温度峰值有所下降，因此注水可以有效降低发动机的温度峰值。

(2)通过对比压力分布图，可以发现注水会略微降低发动机内部的压强。在活塞达到气缸顶部的时刻(曲轴转角为726°时)，由于燃料的喷入，最大压强集中在气缸中心，在燃料燃烧完全的时刻(曲轴转角为746°时)，最大压强集中气缸边缘位置。结果表明，进气增压注水对气缸内部压强的影响不大。

(3)观察Soot排放的质量分数图可以发现，注水会降低Soot排放的生成速率，同时也会降低Soot排放的生成量。随着注水的质量分数每增加5%，Soot排放的生成量约下降10%。由于喷入燃料的质量相同，随着燃烧进行，不同注水量下的Soot排放最终会达到一个相同的值。

(4)进气注水有效地降低了NOx排放，排放量仅为不注水情况下的0.21%。同时，随着注水量的增加，下降的趋势有所减缓。进气冲程增压注水可以有效降低发动机的NOx排放，从而降低尾气污染。