发动机进气状态对燃油经济性影响的仿真研究

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摘要：本文使用仿真手段，针对进气压力、进气温度、进气涡流等不同参数设计计算方案，对输出的热效率、油耗和排放结果进行统计研究，得出进气状态对柴油机油耗和排放影响明显，稀薄燃烧有利于燃烧过程的进行，降低进气温度有利于改善油耗和排放，增压中冷是未来节能减排研究的重点方向。本研究为柴油机未来经济性的研究提供了指导性依据。

关键词：柴油机；仿真；进气状态；燃油经济性

中图分类号：U464.134+.4 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2011）06-0026-05

The Simulation Study for Influence of Engine Inlet State on Fuel Economy

YIN Yong，YANG Shang-li

（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL，Wuhan 430056，China）

Abstract：This paper designed a calculation scheme using the simulation method. We picked up the intake pressure，intake temperature and swirl rate as the classic parameters．These parameters were inputed into CFD model for calculating. We deeply studied the calculation results and finally found the inlet sate affects obviously on engine power，economy and the emission performance. So we believed that lean burn and low temperature air intake is beneficial to engine combustion，fuel economy and the emission performance. Thereof，boost and inter-cooling would be the focus of future research direction for energy saving and emission reduction．This paper provided a guidance for future economic research on diesel engine.

Key words：diesel engine；simulation；intake state；fuel economy

随着经济的发展，汽车保有量的大量提高，“能源短缺”成为困扰全球的一个大问题。同时，随着人们生活水平提高，“环境污染”也对人类的生存提出了挑战。因此，做好“节能减排”工作成为当前汽车行业最为关注的话题，也起着促进汽车行业进步、保护全球环境、推进能源节约和可持续发展的作用。欧洲各国历来重视节能减排工作，相继制定了大量政策和法规。近年来，我国也连续出台了一系列关乎节能减排项目的标准法规。因而，研究高效节能低污染的汽车发动机，成为挑战汽车行业的一个大课题。

柴油机功率大、经济性好，被越来越广泛地应用于乘用车和商用车中。对于直喷式柴油机来说，混合气质量的好坏直接决定了其性能。而混合气的形成与进气条件、燃油喷射以及燃烧室形状，即常说的油气室有着莫大的关系，因而有必要对这三者进行优化匹配。所以，对进气状态的研究是探索提高发动机经济性、动力性和排放性的重要手段之一。

1 研究对象说明和原机建模校验

本文研究对象为某11L直列六缸增压中冷式柴油机，额定功率303 kW/1900 r/min，目前已达到国IV排放标准，已经批量生产并且获得了相当好的反响，本次研究拟对其性能进行进一步优化。

本文采用AVL-Fire的ESE模块建立CFD模型（见图1），模型在TDC和BDC时网格数分别为86000和275000，选取额定功率点作为本次计算工况。

模型校验的主要方法是：保证计算所得示功图与试验示功图形基本一致，数值误差控制在正负5%以内。图2为原机计算结果与试验数据的对比图，在整个高压过程计算结果与试验结果吻合较好，故认为该计算模型可以模拟实际发动机的工作过程。

2 计算方案设计

选定进气压力、进气温度、进气质量及涡流比四个参数设计计算方案：

（1）保证进气质量不变：同时提高压力、温度；同时降低压力、温度；

（2）增加进气质量：提高压力，温度不变；压力不变，降低温度；

（3）减少进气质量：压力不变，提高温度；降低压力，温度不变；

（4）涡流比的影响：涡流比增加；涡流比减小；改变涡流中心位置。

根据以上方案，设定各参数的改变值，每种参数的变化暂时只选取一组值，即增加或减小20%左右，其它所有模型的参数设置相同，共计11个case，见表1，根据网格数目和方案数，本次计算共耗时10个工作日。

图3为燃烧室型线示意图，图中标出了设计方案的各涡流中心的大致方向（遵循右手定则）和燃油喷射轨迹线。

3 结果分析

3.1 计算热效率、油耗和排放结果分析

图4整合了热效率、油耗和排放的结果，为了平衡NO排放与SOOT排放的trade-off关系，这里给出的排放结果（emission）是NO平均质量分数与SOOT平均质量分数的乘积，为了简化数据方便作图，将此乘积乘了108的系数。

由图4可以看出：

（1）进气质量不变，方案①同时提高压力和温度，使得热效率、油耗的计算结果相对于原机都变差了，但排放有所改善；方案②同时降低压力的温度，三指标都有所改善，但程度较小。

（2）改变进气质量，方案④、方案③增加进气质量热效率、油耗以及排放都有改善，是所有方案中最好的两个；方案⑤、⑥（减少进气质量）是所有方案中最差的两个。

（3）方案⑦涡流比增加使得热效率和油耗都略变差，对排放无影响；方案⑧涡流比减小对热效率和油耗无影响，对排放有所改善。

（4）改变涡流方向（如图3），方案⑨和方案热效率和油耗无变化，排放有所改善；方案⑩热效率有所改善，油耗和排放都稍差。

3.2 最优与最差方案的分析

对于热效率、油耗和排放各项指标都最优的方案④和方案③以及各指标都最差的方案⑤和方案⑥单独进行分析。图5是以上几方案的放热率对比图，图6是温度对比图，另外由于NO和SOOT排放存在trade-off关系，所以在这里单独给出NO和SOOT排放的变化，见图7。

由图5发现，在725°~732°左右，原机、方案⑤、方案⑥的放热率与方案④、方案③无明显差别，而在730°~740°期间，方案⑤、方案⑥的放热率比原机略低，方案④、方案③比原机略高。可见增加进气质量，使得混合气更加稀薄，燃料的燃烧更加平稳持久，而减少进气质量则情况相反。

方案⑥由于是通过提高进气温度增减进气质量的，故进气终了后温度比原机、方案⑤、方案④、方案③要高，且相比于原机、方案④、方案③，其燃油浓度更高，前期燃烧更加剧烈，导致缸内温度持高不下，且这种偏高温状态一直持续到燃烧结束后，这使得NO和SOOT排放高于所有其它方案；方案⑤虽然进气温度与原机一样，但是同样的由于燃油浓度更高，故缸内温度在燃烧开始起就高于原机、方案④和方案③，一直到燃烧结束，导致其NO排放高于原机，但是SOOT排放稍低于原机；而方案④、方案③由于进气质量增加了，使得混合气更加稀薄，燃料的燃烧更加平稳充分，所以缸内温度一直没有剧烈增加的现象，故NO和SOOT的排放都较低维持在90%左右，同时计算油耗也大大改善，分别为方案③下降约7%，方案④下降约11%。

3.3 缸内燃烧过程分析

3.3.1 缸内速度流场比较

这里对原机、方案④、方案③、方案⑤、方案⑥的缸内流场的分布进行分析，图8列出了各方案在720°、730°、735°、740°、750°曲轴转角时平视方向的速度流场切片图。由图可以看出，喷雾形成的高速油束与缸内气体发生较大强度的动量交换，粘性油束也影响着气体介质的湍流状态，故而产生卷吸现象，在油束两侧形成涡团。但各方案的涡团的位置和形状没有明显差异，这是由于各计算方案使用的燃烧室型线是一样的，可见仅进气温度和压力改变不同并不会明显影响到涡团位置和形状。

3.3.2 缸内浓度场和温度场的比较

当量燃空比反应了燃烧室内燃油蒸气的浓度，根据本次计算燃烧模型参数的选择，当量燃空比的计算公式如下：

式中：f为缸内燃油蒸气与缸内总质量之比；（）st为当前燃料的理论空燃比，对于柴油来说该值约为14.3。

如图9列出了各方案在720°、725°、730°、735°、760°曲轴转角时平视方向的当量燃空比切片图。图10列出了各方案在720°、730°、735°、740°、750°曲轴转角时平视方向的温度场的切片图。

由图9和图10可看出，喷雾前期，部分燃油在高压喷射条件和缸内高温压缩空气的共同作用下雾化，形成的燃油蒸气与周围空气混合形成可燃混合气。随着活塞下行，达到燃烧条件的混合气燃烧，使得缸内温度骤升，同时温度的升高引起更多液态燃烧蒸发与周围空气形成可燃混合气，此种相互影响的过程一直持续至760°左右燃烧结束。此过程中，受高速气流和涡团的影响，混合气被挤至燃烧室凹坑底部和靠气缸的一侧，故燃烧结束后缸内高温部位和残余燃油大都聚集在此处。

方案④由于增加25%进气量，进气完毕后，缸内温度整体比其它各方案都低，只有700K左右，相对较低的温度使得燃油蒸发速度较慢，同时由于缸内气体质量比其它三方案都要高，故缸内燃油浓度也相对较低，使得燃烧较平稳，缸内局部温度骤然升高的现象不明显，这也就解释了此方案NO和SOOT排放量都较少的原因。且由于进气量较多，此方案中燃油燃烧更加充分，使得燃烧结束后最终的残余燃油更少。

方案③和方案④的区别在于：方案③空气质量的增加没有方案④多，且方案③是通过控制进气压力来达到目的，故方案③进气终了后缸内温度整体比方案④高，达到900K左右，所以燃油蒸发速度更快，燃烧相对较剧烈些，火焰传播速度较快些，缸内温度也更高，故方案③较方案④而言，各指标都差一些。

方案⑥减少17%进气质量，且进气终了后缸内温度比其它方案都高，达到1200K左右，导致前期燃油蒸发量大，局部爆燃现象较明显，空气利用率较差，所以油耗和热效率都差。而由于前期燃烧剧烈，更多热量在上止点附近放出，缸内温度骤升，导致NO和SOOT排放量较多。

方案⑤减少20%进气质量，且于进气终了后缸内压力和温度都比比方案⑥较低，所以喷雾前期爆热现象没有方案⑥明显，故此方案各项指标稍好于方案⑥。

4 结论

通过本次计算可以得出如下结论：

1）进气状态对发动机燃油经济性影响明显， 是未来研究的重要方向；

2）提高进气质量、降低进气温度对油耗和排放的改善效果相当明显，油耗下降约7%和11%，排放减少约90%，可见增压、中冷技术将为成节能减排研究中的重要话题；

3）通过各种手段控制燃烧温度、抑制爆燃可优化燃烧过程，能够有效减少排放物的生成，是排放研究的重点。