0 引　言

随着国际海事组织（IMO）对柴油机废气排放相关法规的生效，内燃机节能减排，实现清洁燃烧，已成为当前柴油机排放研究热点之一。前期国内外学者对乳化燃料的研究与积累为后续掺水乳化技术的研究奠定了基础，当前掺水乳化燃料燃烧特性及排放特性的研究将指导燃料更为有效、绿色地应用，大量的研究表明：掺水乳化柴油能够降低氮氧化物和碳烟排放^[1-2]；掺水乳化柴油燃烧滞燃期相对要短，燃烧温度高，缸内爆发压力低于柴油^[3]；乳化柴油的燃爆性能与水的质量分数不是线性关系，水含量存在一个最优值^[4-5]；含水柴油可以大幅度降低碳颗粒排放，氮氧化物排放量不能降低^[6]。另外，对负载情况下掺水乳化柴油发动机气缸燃烧，对柴油机排放特性和经济性影响的研究都有所发现^[7-8]。基于当前掺水乳化油燃烧性能的研究，对影响乳化油燃烧的影响因素尚存探索空间。本文以船用中速柴油机为研究对象，采用AVL-FIRE软件针对不同喷油策略对气缸内的燃烧进行仿真模拟，研究多种工况不同喷油时刻下乳化柴油缸内燃烧情况，以深入理解掺水乳化柴油燃烧过程，从而补充对掺水柴油燃烧特性研究的基本面，加深对乳化柴油燃烧的认识，指导柴油机性能优化。

1 计算模型

本文计算中采用模型如表1所示。

2 几何建模及网格划分 2.1 初始参数

本文选定船用中速柴油机为研究对象，根据柴油机气缸燃烧室结构尺寸，建立网格模型，模拟掺水乳化柴油燃烧。具体参数如表2所示。

2.2 计算网格生成

利用FIRE软件ESE Diesel模块生成模型并对其进行网格划分，由于本文所研究的喷油器为9孔，呈中心对称，所以选取燃烧室1/9切片进行建模。图1为活塞位于上止点、670°CA与进气门关闭时刻燃烧室网格。

2.3 模型验证

计算工况为原发动机额定工况，所使用边界条件如表3所示。将计算所得的缸内压力随曲轴转角的变化曲线与台架试验获得的缸内压力曲线对比，压力曲线基本吻合，表明建立模型正确，如图2所示。

3 工况设置

根据实际调研发现，柴油机运行中，外界所需的功率仅为柴油机额定功率的90%以下，以柴油机实际运行工况下经济性为导向，结合前期仿真结果发现掺水比例为12%的乳化柴油动力输出为额定功率的90%左右，因此选择掺水比例为12%的乳化油探究喷油策略对其燃烧性能的影响。在保持喷油时间不变的情况下，通过变更喷油时刻，探究对掺水乳化燃烧性能的影响。喷油设置如表4所示。

4 仿真结果分析 4.1 不同喷油时刻对缸内压力影响

图3为不同喷油时刻下缸内压力曲线，缸内压力随着提前角度减小而降低，最大压力分别为25.1MPa，22.2 MPa，19.2MPa，随着喷油提前角增加，喷油时刻对应的活塞位置距离上止点较远，在达到着火时刻前气缸内燃料大量聚集，如表5所示。喷油时刻为705°CA时，活塞到达上止点前燃料云图面积较大，燃烧室内燃料聚集形成更多的混合气体，当缸内气体被压缩达到燃烧温度时，混合气体被引燃，迅速进入速燃期，聚集燃料几乎同时燃烧，缸内压力爆发迅速达到最大值，最高燃烧压力明显增高。而随着喷油提前角减小，喷油时刻及喷油持续期后移，喷油时刻为715°时，云图显示燃料区域面积较小，缸内无法形成燃料聚集，导致缸内压力平稳上升，且无法形成爆发式增长。因此，适当增大喷油提前角保证缸内压力。

4.2 不同喷油时刻对缸内温度影响

图4为不同喷油时刻下缸内温度曲线，可以看出缸内温度主要有2个阶段的差异，曲轴转角746°CA之前燃烧阶段，缸内温度随着喷油提前角的减小而降低，喷油提前角为15°CA缸内温度最高，曲轴转角在746°CA时，缸内温度一致，此后缸内温度随着喷油提前角的降低而增加，此外缸内最高温度随着喷油提前角的减小而降低，分别为1 853 K，1 775 K，1 744 K。分析认为喷油时刻提前气缸内喷入的燃料与缸内空气能够更充分地混合，随着活塞的继续压缩，提前喷入气缸内燃料聚集燃烧，因此产生温度差异；746°CA后，随着喷油提前角减小，缸内燃料持续燃烧时间后移，此时提前角为15°CA时燃料燃烧已完成，因此温度曲线为最低，而喷油提前角为10°和5°下缸内继续喷入燃料燃烧，因此燃烧后半阶段，缸内温度高于提前角为15°时的燃烧。

4.3 不同喷油时刻对燃烧放热效率的影响

图5为不同喷油时刻下乳化柴油燃烧放热曲线，图中显示喷油时刻分别为705°，710°CA，715°CA对应滞燃期分别为2°CA，1.6°CA，1.4°CA，随着喷油提前角的减小，燃料滞燃期随之减小，这是由于喷油提前角越大，对应时刻缸内温度、压力相对较小，气缸内压缩温度尚未达到燃料燃烧条件，随着喷油提前角降低，距离上止点距离靠近，此时缸内压缩温度急剧上升，达到燃料燃烧温度，燃料迅速燃烧，滞燃期缩短。此外，提前角为10°CA和15°CA曲线显示，在燃烧进入速燃期，达到第1次波峰后燃烧减弱，放热率持续下降，提前角为5°CA时燃烧放热曲线经过一次波峰后，经过下降缓冲，在曲轴转角为740°CA附近开始回升，出现第2次燃烧波峰。分析认为出现第2次波峰是由于随着曲轴转角增大，活塞距离上止点增大，燃料喷施时刻后延，后续大量燃料喷入，燃料混合更为均匀，燃料能够充分燃烧，因此放热率出现两次波峰。

4.4 不同喷油时刻对缸内燃烧碳烟生成量的影响

图6为不同喷油时刻下缸内碳烟生成曲线，可知掺水乳化油燃烧碳烟生成量随着喷油提前角的减小先增大后减小，柴油机额定喷油提前角时产生的碳烟相比于其他喷油时刻相对要大。分析认为当喷油提前角较大时，缸内燃料滞燃期增大，燃料过早的喷入气缸内，此时燃烧室内温度、压力较低，无法达到燃料的着火点，随着活塞上行，喷油器继续喷射燃料，着火前气缸内油量增加，混合气体量增大，气缸内达到一定的温度和压力，此时大量混合气体开始燃烧，速燃期产生的碳烟颗粒能够在高温环境氧化消耗，因此提前角增大可减小碳烟的排放。然而缸内聚集过多的混合气体，使预混合气体瞬间燃烧产生噪音，使柴油机工作粗暴，引起较大的机械负荷。喷油提前角较小时，喷入气缸内燃料后延，一部分燃料无法及时形成可燃混合气体就被排除，不能够充分燃烧，从而使碳烟生成量较小，造成燃料的浪费。

4.5 不同喷油时刻对缸内燃烧NO生成量的影响

柴油机缸内燃烧生成物中的氮氧化物90%为NO，其他含氮物质占很小一部分。图7为不同喷油时刻下缸内NO生成量曲线，图中显示缸内燃烧NO生成量随着喷油提前角的减小而减小，喷油提前角为10°CA和15°CA时NO生成量比提前角为5°CA时降低36%和55%，喷油提前角对NO生成影响较为明显。分析认为乳化油中含有极少量氮元素，燃烧生成物中的氮氧化物主要来自空气中的氮气在高温高压环境下生成，喷油提前角通过影响缸内温度及压力从而影响氮氧化物生成量。根据链式反应机理，氧气在高温高压环境下发生电离与空气中的氮气产生NO，喷油提前角过大时，气缸内滞燃期较长，缸内聚集大量的预混合燃料，随着活塞上行，缸内混合气体别引燃，大量聚集的混合气体燃烧，缸内温度和压力急剧升高，高温高压环境为氮氧化物的生成提供条件，从而生成量增加。随着喷油提前角的减小，活塞靠近上止点，缸内温度达到燃料燃烧条件，燃料喷入缸内即开始燃烧滞燃期变短，随着活塞到越过止点后，缸内容积增大，即使燃料陆续喷入燃料燃烧继续所产生最高温度和压力无法达到喷射提前角较大时产生的最大值，从而抑制了氮氧化物的生成，因此喷油提前角减小可以降低氮氧化物的生成。减小喷油提前虽然可以降低NO生成量，但燃料后燃严重，导致排烟温度一定程度的增加。

$ {\rm O}_2 =2{\rm O} ,$

(1)

$ \rm O+N_2 =NO+N ,$

(2)

$ \rm N+ O_2 = NO+O 。$

(3)

4.6 不同喷油时刻对柴油机动力性影响

图8为不同喷油时刻下柴油机指示功率变化曲线，当喷油提前角分别为15°CA，10°CA，5°CA时，对应的指示功率分别为206.08 kW，204.06 kW，199.42 kW，柴油机指示功率随着喷油提前角的减小而减小，喷油提前角对指示功率影响主要通过影响燃烧效率进而引起功率变化。气缸进气效率、燃料喷射与混合效率等都能够引起指示功率变化。

5 结　语

在其他条件保持不变的前提下仅改变喷油刻，对乳化油的燃烧特性(放热率、缸内压力、缸内温度)及排放特性（NO生成量、碳烟生成量）存在较大影响。随着喷油提前角的减小放热率会出现2次波峰但最大放热率会减小，对缸内温度和压力影响表现为随着喷油提前角的减小而降低；对排放特性层面的影响表现为随着喷油提前角的减小NO生成量降低且降低效果明显，在额定喷油提前角下碳烟生成量达到最大值；随着提前角的减小指示功率也随之降低。综合考虑喷油时刻后延可有效降低碳烟、NO等污染物的排放，同时对功率输出影响相对较小，在实际应用中可适当减小喷油提前角降低排放。