柴油两次喷射与单次喷射HPCC数值模拟研究

两次与单次喷油策略研究工况如表2所示．表3为实验测量的主要结果，可以看到，在EGR略有增大，喷油总量、平均指示压力(IMEP)和主放热时刻(CA50)等参数不变的情况下，两次喷油策略最大压力升高率比单次喷油策略明显降低．NOx、碳烟排放量较单次喷油策略有不同程度的升高，但仍低于欧Ⅵ排放法规限值．可见，采用两次喷射在主要排放物满足排放欧Ⅵ法规的情况下，可有效降低最大压升率，有利于发动机负荷的扩展．下面针对单次与两次喷射工况进行数值模拟研究，揭示喷油策略对燃烧过程的影响．

图3所示为所得缸内压力与放热率的实验结果与计算结果对比．图3中，单次喷射时，喷油时刻为-35°,CAATDC；两次喷射时，第1次喷油时刻为-35°,CAATDC，第2次喷油时刻为-9°,CAATDC．对比模拟结果与实验结果可以看到，模拟所得的缸内压力和放热率曲线与实验结果吻合较好，说明该模拟计算较准确地预测了其燃烧放热特性．

图4所示为放热率、燃料与OH、CO、CH2O、H2O2几种关键中间产物的生成与消耗曲线．可以看到，尽管-35°,CAATDC时刻喷入缸内的正庚烷质量不同，但两种喷油策略下，正庚烷几乎在同一时刻开始消耗(-15.5°,CAATDC)，并且几乎在同一时刻消耗完毕(1.5°,CAATDC)．甲醛生成时刻与正庚烷的消耗一致，对应着放热率曲线中低温反应的发生，这也意味着甲醛主要来自于-35°,CAATDC时刻喷入缸内燃料的脱氢和氧化．由于单次喷射工况在-35°,CAATDC时刻喷入缸内的燃料较多，有更多的燃料参与低温反应，使单次喷油策略甲醛生成量高于两次喷油策略．CO主要来自CH2O的氧化，反应路径为CH2O—HCO—CO．由于单次喷射生成了较多的CH2O，导致CO的生成较两次喷射较早且较多．Zador等[10]指出，H2O2主要在小于1,100,K时产生，OH主要在大于1,100,K时由H2O2分解产生．在放热率曲线中可以看到，对于单次喷射工况，低温反应释放的热量略多，促进了H2O2的生成，H2O2生成量也高于两次喷射工况．在上止点附近，H2O2大量消耗，OH大量生成，高温反应开始，OH与CO反应释放大量热量，而iC8H18在高温下开始大量消耗．

图5所示是用对数坐标与线性坐标分别表示的异辛烷质量分数．在对数坐标图中可以看到，异辛烷在前期的少量消耗是不明显的，而在线性坐标图中可以看到，异辛烷在前期便有少量消耗，但初始质量分数略有差别．这是由于在计算参数设置中尽量遵循实验数据(比如进气流量、EGR)，但对初始温度和压力进行了微量调整，这些因素综合在一起导致异辛烷的初始质量分数不同，但总质量是相等的．由此可以看出，异辛烷生成的活性基对燃烧前期着火过程的贡献是可以忽略的，而活性燃料正庚烷生成的大量活性基才是触发着火的主要原因．

缸内燃烧反应速率主要取决于着火时刻缸内活性基的数量．在燃料的整个反应过程中，绝大部分热量是在高温反应阶段，即在CO氧化为CO2的过程中释放出来的．由以上分析可以看出，两次喷油策略对缸内活性的抑制作用使得高温反应开始时刻OH与CO的量较少，导致燃烧反应速率较慢以及压力升高率与最高爆发压力较低．

为了进一步分析喷油策略对燃烧过程的影响机理，对正庚烷在缸内质量分数分布特性进行了分析，正庚烷的质量分数分布如图6所示．

由于单次喷射在－35°,CAATDC时刻喷入缸内的油量是两次喷射工况的两倍，喷油持续期较长，燃料的贯穿距离增大，正庚烷的空间分布区域较两次喷油大．因此，在第2次喷射开始时刻(-9.0°,CAATDC)，缸内正庚烷的总量呈现出两种不同分布：两次喷射工况下，正庚烷缸内质量分布更靠近喷油，在该区域浓度较高；而单次喷射工况下，正庚烷在燃烧室内较大的区域分布较为均匀．对于单次喷油策略，在高温放热前生成了较多的活性自由基，分布于燃烧室内较大的区域，这是导致其放热率增大的主要原因；而对于两次喷油策略，靠近喷油位置较高的正庚烷浓度是触发其高温放热提前的主要原因．因此，这一燃烧方式是由活性较大的正庚烷生成的活性自由基促进燃烧以及正庚烷浓度分层共同作用来控制的，即燃料活性与活性燃料浓度分层耦合控制的燃烧过程．

上述原因也导致两种喷油策略在缸内高温放热开始的位置不同，在单次喷射工况下，高温放热位置开始于正庚烷已大部分发生了低温反应生成活性分子、混合气活性较高的区域；而在两次喷油策略下，高温放热发生在正庚烷浓度较大的区域．因此，两次喷油燃烧反应速率降低的原因在于：第1次喷油量少，高温放热开始时刻缸内活性基较少，降低了燃烧反应速率，同时由于正庚烷局部浓度加大，使高温放热时刻提前．

上述分析结果表明，喷油策略可以实现缸内混合气活性与高活性燃料浓度分布的耦合控制，因此，喷油策略控制参数均会对混合气活性和浓度产生影响，进而影响燃烧过程．下面对两次喷油策略第1次喷油时刻(SOI1)对其燃烧过程的影响做进一步的研究．