徐春龍

基于標(biāo)量場(chǎng)協(xié)同的柴油機(jī)油氣混合特性研究

徐春龍

（中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，天津 300400）

研究過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)油氣混合特性的影響情況?；诓裼蜋C(jī)缸內(nèi)燃油混合氣濃度和湍流混合速率兩個(gè)微觀物理場(chǎng)的耦合作用，定義混合協(xié)同效率和混合協(xié)同度對(duì)缸內(nèi)混合特性進(jìn)行定量描述。隨著過(guò)量空氣系數(shù)的升高，燃油混合氣濃度場(chǎng)和湍流混合場(chǎng)相互作用的持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)。在過(guò)量空氣系數(shù)1.3~1.6范圍內(nèi)，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，混合協(xié)同效率的峰值逐漸降低。在過(guò)量空氣系數(shù)1.6~2.2范圍內(nèi)，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，混合協(xié)同效率的峰值整體呈上升趨勢(shì)。過(guò)量空氣系數(shù)1.7前后混合協(xié)同度的變化規(guī)律不同。過(guò)量空氣系數(shù)達(dá)到1.7后，隨著進(jìn)氣量的增加油氣混合質(zhì)量改善的空間減小。

柴油機(jī)；標(biāo)量場(chǎng)；混合特性；混合協(xié)同效率；混合協(xié)同度

柴油機(jī)擴(kuò)散燃燒的特點(diǎn)使得缸內(nèi)的油氣混合質(zhì)量對(duì)燃燒起著至關(guān)重要的作用。因此對(duì)缸內(nèi)混合過(guò)程進(jìn)行研究有助于分析和改善實(shí)機(jī)的性能，具有非常重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

為了理解缸內(nèi)的油氣混合過(guò)程，眾多的學(xué)者從傳熱[1]、燃油的屬性[2]及燃燒系統(tǒng)參數(shù)[3-4]等對(duì)油氣混合的影響的角度進(jìn)行了大量的研究，但大都是從定性的角度進(jìn)行研究。為了定量地了解油氣混合過(guò)程，部分學(xué)者結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行研究。大致分為三種方法：第一種是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度對(duì)此展開(kāi)研究，從濃度方差[5]等數(shù)學(xué)概念或者對(duì)缸內(nèi)的混合氣進(jìn)行分區(qū)段研究[6]；第二種是基于相關(guān)的燃燒模型從混合的時(shí)間尺度[7-8]對(duì)此展開(kāi)研究；第三種是基于柴油機(jī)內(nèi)不同場(chǎng)之間的耦合作用對(duì)柴油機(jī)混合特性進(jìn)行研究。多場(chǎng)的耦合作用[9]在強(qiáng)化傳熱方面研究比較多。劉福水等[10]率先將場(chǎng)協(xié)同的理念應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的油氣混合，從微觀的角度揭示了缸內(nèi)的油氣混合過(guò)程。

文中基于場(chǎng)協(xié)同的理念，從宏觀物理場(chǎng)的耦合作用出發(fā)，通過(guò)建立混合協(xié)同效率和混合協(xié)同度兩個(gè)參數(shù)對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)1.3~2.2范圍內(nèi)的混合特性進(jìn)行量化研究。對(duì)合理組織缸內(nèi)氣流形成均勻的混合氣具有重要的指導(dǎo)意義。

1 多場(chǎng)耦合作用及相關(guān)的計(jì)算設(shè)置

1.1 多場(chǎng)耦合作用

柴油機(jī)缸內(nèi)存在復(fù)雜的氣流運(yùn)動(dòng)。隨著活塞的上行，在燃燒室狹小空間內(nèi)形成的擠流增強(qiáng)了缸內(nèi)的空氣的擾動(dòng)。此外在燃油噴射過(guò)程中，由于燃油高速噴入氣缸與周?chē)諝獍l(fā)生動(dòng)量交換而引起的空氣卷吸運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)了缸內(nèi)空氣的擾動(dòng)。這使得燃燒室內(nèi)存在不同尺度的湍流，進(jìn)而影響到缸內(nèi)的油氣混合，并最終體現(xiàn)在缸內(nèi)的燃燒狀況上。缸內(nèi)混合氣的燃燒引起缸內(nèi)局部溫度的急劇升高，溫度梯度的存在引起了缸內(nèi)的密度分布不均勻，繼而又促進(jìn)了對(duì)流擴(kuò)散的進(jìn)行。

可以看出，柴油機(jī)的油氣混合過(guò)程涉及多個(gè)物理場(chǎng)的相互作用，各個(gè)物理場(chǎng)相互耦合，造成燃油混合氣分布的差異。所涉及到的物理量可劃分為矢量和標(biāo)量?jī)深?。柴油機(jī)缸內(nèi)涉及到的矢量包括速度、溫度梯度、濃度梯度等；標(biāo)量包括傳統(tǒng)的標(biāo)量（濃度、溫度、壓力等）及燃燒和流動(dòng)延伸產(chǎn)生的物理量（湍流混合速率、長(zhǎng)度尺度等）。為了定性及定量地研究柴油機(jī)缸內(nèi)的油氣混合作用，基于強(qiáng)化傳熱中的場(chǎng)協(xié)同理論，選取燃油混合氣的濃度和湍流混合速率兩個(gè)標(biāo)量，研究不同的物理場(chǎng)的耦合作用對(duì)油氣混合的影響。

定義燃油混合氣濃度場(chǎng)的空間體積為1；湍流混合場(chǎng)的空間體積為2；混合協(xié)同場(chǎng)的空間體積為3；則混合協(xié)同效率e=3/1。

其中湍流混合速率是基于對(duì)EBU模型的理解，和湍流輸運(yùn)過(guò)程相比，化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間尺度很小，認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)在瞬間即可完成，所以燃燒速率是由湍流渦旋相互混合的速率決定的，即正比于湍流混合時(shí)間的倒數(shù)/。構(gòu)建描述燃燒室內(nèi)湍流動(dòng)能變化快慢的標(biāo)量——湍流混合速率：

式中：m為單元格中氣體的質(zhì)量；ε為單元格中氣體的湍能耗散率；k為單元格中氣體的湍動(dòng)能。

圖1為混合協(xié)同效率的示意圖。燃油混合氣濃度場(chǎng)的空間分布體積1與湍流混合場(chǎng)2的交集越大，即兩標(biāo)量場(chǎng)協(xié)同作用的空間體積3就越大，則表明湍流混合場(chǎng)對(duì)混合氣的影響越大。當(dāng)1全部處于湍流混合場(chǎng)時(shí)，混合協(xié)同效率為1，此時(shí)湍流混合場(chǎng)對(duì)油氣混合的影響最大。

圖1 混合協(xié)同效率示意

混合協(xié)同度d定義為混合協(xié)同效率的時(shí)間積分，混合協(xié)同度的值越大則表征油氣混合的越好，越有利于燃燒的進(jìn)行。

1.2 計(jì)算設(shè)置

文中采用AVL Fire針對(duì)四沖程單缸高速柴油機(jī)進(jìn)行研究。在仿真過(guò)程中選取-模型對(duì)缸內(nèi)的湍流進(jìn)行模擬，燃燒模型采用EBU模型，破碎模型采用WAVE模型，自燃模型采用Shell模型。壁面邊界包含氣缸蓋底面、活塞頂面及氣缸壁面，壁面溫度分別為550，520，470K。

所研究的柴油機(jī)缸徑和行程為107 mm×107 mm，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4250 r/min，壓縮比為14.3，噴孔結(jié)構(gòu)為10 mm×0.22 mm，噴油壓力為150 MPa。仿真計(jì)算從壓縮下止點(diǎn)（180° CA）到膨脹下止點(diǎn)（540° CA），為了減少計(jì)算量，選取1/10柴油機(jī)作為計(jì)算區(qū)域。在上止點(diǎn)時(shí)刻，計(jì)算網(wǎng)格的總數(shù)為7440，網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

圖2 上止點(diǎn)時(shí)刻燃燒室的網(wǎng)格

圖3為過(guò)量空氣系數(shù)為1.7時(shí)，實(shí)驗(yàn)與仿真的缸內(nèi)平均壓力的對(duì)比圖，可以看出，實(shí)驗(yàn)與仿真的缸內(nèi)平均壓力結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。基于基準(zhǔn)模型，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力實(shí)現(xiàn)不同的過(guò)量空氣系數(shù)，研究過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒特性的影響機(jī)制。

圖3 實(shí)驗(yàn)與仿真的缸內(nèi)平均壓力對(duì)比

2 結(jié)果分析

由圖4可知，在燃油噴射初始階段，不同過(guò)量空氣系數(shù)下湍流混合速率基本相同。在353°CA之后湍流混合速率快速上升，且過(guò)量空氣系數(shù)越低，湍流混合速流的升高率越大。在370°CA附近時(shí)達(dá)到最大值，過(guò)量空氣系數(shù)越低湍流混合速率越大，過(guò)量空氣系數(shù)為1.3時(shí)的湍流混合速率是過(guò)量空氣系數(shù)為2.2時(shí)的1.26倍。這是因?yàn)橥牧骰旌纤俾手饕苡褪挠绊懀加蛧娚溟_(kāi)始之后，過(guò)量空氣系數(shù)越低，油束卷吸作用越強(qiáng)烈，湍流混合速率越大。

圖4 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)缸內(nèi)湍流混合速率的影響

隨著燃油噴射的進(jìn)行以及活塞的上行，缸內(nèi)燃油混合氣濃度方差迅速升高，混合均勻性變差。燃燒開(kāi)始后，缸內(nèi)燃油混合氣迅速消耗，導(dǎo)致燃油混合氣濃度方差上升速率降低。在噴油結(jié)束之后，隨著燃油的進(jìn)一步蒸發(fā)，燃油混合氣與空氣混合越來(lái)越充分，混合氣的分布也越來(lái)越均勻。過(guò)量空氣系數(shù)越低，燃油混合氣濃度方差增長(zhǎng)速率越快，且出現(xiàn)峰值的時(shí)刻推遲。過(guò)量空氣系數(shù)為1.3時(shí)的燃油混合氣濃度方差是過(guò)量空氣系數(shù)為2.2時(shí)的2.34倍，見(jiàn)圖5。

圖5 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)缸內(nèi)燃油混合氣濃度方差的影響

為了從微觀的角度研究過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)燃油混合氣的分布的影響，將燃油混合氣按當(dāng)量比劃分為0

由上述結(jié)果可以看出，在擴(kuò)散燃燒階段，低過(guò)量空氣系數(shù)下缸內(nèi)稀混合氣的比例較少，濃混合氣的比例較多。一方面是由于缸內(nèi)初始空氣量的不足使得整體的混合氣趨于更濃，另一方面是由于前期形成了更多的稀混合氣在擴(kuò)散燃燒階段被大量消耗，從而使得更多的過(guò)濃混合氣參與到擴(kuò)散燃燒中。

過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)燃油混合氣分布影響明顯。首先，同一時(shí)刻過(guò)量空氣系數(shù)越低，燃油噴霧的貫穿距離更大，燃油液滴更靠近于凹坑壁面。其次，燃油混合氣更靠近凹坑壁面，在360°CA時(shí)刻，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大，燃油混合氣距凹坑壁面的距離越遠(yuǎn)。最后，不同的過(guò)量空氣系數(shù)下燃油混合氣的空間分布差別較大。經(jīng)對(duì)比可以看出，在360°CA時(shí)刻，過(guò)量空氣系數(shù)越小，燃油混合氣的空間分布越大。在370°CA時(shí)刻，過(guò)量空氣系數(shù)較小時(shí)，燃油混合氣主要集中在燃燒室凹坑、喉口處，并逐漸開(kāi)始向側(cè)隙運(yùn)動(dòng)。過(guò)量空氣系數(shù)較大時(shí)，燃油混合氣的觸壁面積減少，向側(cè)隙運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)減弱，見(jiàn)圖7。

圖6 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)不同濃度混合氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

圖7 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)燃油混合氣軸向分布的影響

由圖8可以看出，過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)混合協(xié)同效率有較大的影響，主要體現(xiàn)在混合協(xié)同效率峰值、峰值出現(xiàn)的時(shí)刻及標(biāo)量場(chǎng)交互作用持續(xù)的時(shí)間三個(gè)方面。在燃油噴射初期，由于低過(guò)量空氣系數(shù)下燃燒滯燃期較長(zhǎng)，形成較多的混合氣，燃油混合氣濃度場(chǎng)和湍流混合場(chǎng)的混合協(xié)同場(chǎng)的體積較大，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的升高混合協(xié)同效率逐漸降低。隨著噴霧的發(fā)展及燃燒的進(jìn)行，低過(guò)量系數(shù)下燃燒初期形成的大量混合氣迅速消耗，混合協(xié)同場(chǎng)的體積減小，混合協(xié)同效率降低。對(duì)比不同過(guò)量空氣系數(shù)下的混合協(xié)同效率分布的形狀曲線可知，混合協(xié)同效率的分布重心出現(xiàn)的時(shí)刻逐漸推遲。

圖8 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)混合協(xié)同效率的影響

不同過(guò)量空氣系數(shù)下混合協(xié)同效率的峰值存在較大的差異，見(jiàn)圖9。在過(guò)量空氣系數(shù)1.3~1.6范圍內(nèi)，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，混合協(xié)同效率的峰值逐漸降低。在過(guò)量空氣系數(shù)1.6~2.2范圍內(nèi)，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，混合協(xié)同效率的峰值整體呈上升趨勢(shì)。

在上止點(diǎn)時(shí)刻，高混合協(xié)同效率區(qū)主要分布在油束末端區(qū)域，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，混合協(xié)同效率的空間分布距燃燒室凹坑壁面的距離逐漸增大，油束末端的混合協(xié)同效率的空間分布逐漸封閉。過(guò)量空氣系數(shù)為1.3~1.6時(shí)，混合協(xié)同效率的分布較廣，油束末端區(qū)域不連通，且部分區(qū)域與缸壁重合。在過(guò)量空氣系數(shù)1.7~2.2范圍內(nèi)，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大，混合協(xié)同效率的空間分布逐漸與壁面分離，在油束末端附近形成封閉區(qū)域，總體的空間分布體積增大，見(jiàn)圖10。

為了更直觀地研究缸內(nèi)的油氣混合特性，對(duì)不同過(guò)量空氣系數(shù)下的混合協(xié)同度進(jìn)行了研究。由圖11可知，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大，混合協(xié)同度增大。說(shuō)明過(guò)量空氣系數(shù)的增加，促進(jìn)了燃油混合氣濃度場(chǎng)和湍流混合場(chǎng)的協(xié)同作用，有利于混合的進(jìn)行。過(guò)量空氣系數(shù)1.7前后，混合協(xié)同度的變化規(guī)律發(fā)生了明顯的變化。這說(shuō)明過(guò)量空氣系數(shù)達(dá)到1.7之前，隨著進(jìn)氣量的降低，缸內(nèi)油氣混合質(zhì)量迅速惡化；過(guò)量空氣系數(shù)達(dá)到1.7后，隨著進(jìn)氣量的增加，缸內(nèi)的油氣混合質(zhì)量改善的空間減小。

圖9 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)混合協(xié)同效率峰值的影響

圖10 上止點(diǎn)時(shí)刻混合協(xié)同效率場(chǎng)的空間分布

圖11 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)混合協(xié)同度的影響

3 結(jié)論

文中基于場(chǎng)協(xié)同的理念，選取瞬時(shí)放熱場(chǎng)和湍流混合場(chǎng)兩個(gè)標(biāo)量場(chǎng)，建立混合協(xié)同效率和混合協(xié)同度兩個(gè)參數(shù)對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)1.3~2.2的柴油機(jī)缸內(nèi)混合特性進(jìn)行量化，研究過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)缸內(nèi)混合特性的影響。

1）在燃油噴射初期，過(guò)量空氣系數(shù)越低混合協(xié)同效率越高。隨著噴霧和燃燒的進(jìn)行，在上止點(diǎn)之后，過(guò)量空氣系數(shù)越低，混合協(xié)同效率越低。隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大，燃油混合氣濃度場(chǎng)和湍流混合場(chǎng)的相互作用時(shí)間增長(zhǎng)。

2）在過(guò)量空氣系數(shù)1.3~1.6范圍內(nèi)，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，混合協(xié)同效率的峰值逐漸降低。在過(guò)量空氣系數(shù)1.6~2.2范圍內(nèi)，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，混合協(xié)同效率的峰值整體呈上升趨勢(shì)。

3）隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大，混合協(xié)同度增大，缸內(nèi)的混合質(zhì)量變好。過(guò)量空氣系數(shù)1.7前后混合協(xié)同度的變化規(guī)律發(fā)生明顯的變化。過(guò)量空氣系數(shù)達(dá)到1.7之前，隨著進(jìn)氣量的降低，缸內(nèi)油氣混合質(zhì)量迅速惡化；過(guò)量空氣系數(shù)達(dá)到1.7后，隨著進(jìn)氣量的增加，缸內(nèi)的油氣混合質(zhì)量改善的空間減小。

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Mixing Characteristics of Diesel Engine Based on the Coupling Effect of Scalar Field

XU Chun-long

(1.China North Engine Research Institution, Tianjin, 300400)

To study effects of excess air ratio on mixing characteristics in cylinder.Mixing synergistic efficiency and mixing synergistic degree were defined to quantitatively investigate the mixing characteristics in cylinder based on the coupling effect of scalar physical fields of fuel mixture concentration and turbulent mixing rate.With the increase of excess air coefficient, the interaction duration of fuel mixture concentration field and turbulent mixing field also increased. When the excess air coefficient ranged from 1.3 to 1.6, the peak values of mixing synergistic efficiency decreased with the increase of excess air coefficient. In the range from 1.6 to 2.2, the peak value of mixing synergistic efficiency tended to be on the rise with the increase of excess air coefficient.The mixing synergistic is different before and after excess air coefficient of 1.7. When the excess air coefficient reaches 1.7, with the increase of excess air coefficient, the improvement space of mixing quality decreases.

diesel engine; scalar field; mixing characteristics; mixing synergistic efficiency; mixing synergistic degree

10.7643/ issn.1672-9242.2017.10.007

TK421.2

A

1672-9242(2017)10-0035-06

2017-06-27；

2017-08-02

徐春龍（1972-），男，研究員，主要從事內(nèi)燃機(jī)供油及燃燒系統(tǒng)研究。