高海拔區(qū)域不同燃燒室在不同噴油正時(shí)下的性能

吳學(xué)東， 徐華平， 蘇石川， 李毅

(江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212100)

縱觀地理環(huán)境，能夠發(fā)現(xiàn)中國高原具有海拔高、面積廣的特點(diǎn)。隨著海拔高度的增加，大氣環(huán)境具有晝夜溫差大、氣壓低、氧質(zhì)量濃度下降等特點(diǎn)，導(dǎo)致了高原柴油機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣量小、噴油背壓低、缸內(nèi)混合氣密度下降[1]。因此在高原環(huán)境下運(yùn)行的柴油機(jī)出現(xiàn)了噴油貫穿距延長、燃油碰壁量增大、滯燃期延長、燃燒不充分、后燃現(xiàn)象嚴(yán)重、缸內(nèi)平均溫度升高等問題，嚴(yán)重影響了高原柴油機(jī)的動(dòng)力性、排放性、經(jīng)濟(jì)性與可靠性[2-3]。當(dāng)前對(duì)高原柴油機(jī)性能恢復(fù)的研究主要集中在優(yōu)化增壓技術(shù)，如二級(jí)可變截面增壓、使用雙渦輪增壓器、電動(dòng)渦輪增壓器和單渦輪增壓器與機(jī)械壓縮機(jī)相結(jié)合[4-5]；開發(fā)富氧技術(shù)，采用膜法富氧[6]；使用酯類、醇類含氧燃料[7-8]以及改善缸內(nèi)“油-氣-室”匹配等方面。其中改善缸內(nèi)“油-氣-室”匹配是高原柴油機(jī)性能恢復(fù)最為可靠的方法。一般而言，改善缸內(nèi)油氣混合可以通過優(yōu)化以下部分得以實(shí)現(xiàn)：進(jìn)氣方式、燃燒室類型、噴油正時(shí)、噴油夾角等。其中燃燒室為“油-氣-室”匹配的基本載體，是一切改善燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)，所以優(yōu)化燃燒室的形狀至關(guān)重要[9]。付垚等[10]利用AVL-Fire軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)提前噴油正時(shí)和雙層分流燃燒室能夠改善燃油噴霧、提高柴油機(jī)的性能、降低污染物的排放。魏建輝等[11]通過臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了在低負(fù)荷工況下噴油正時(shí)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)膰娪吞崆罢龝r(shí)能夠改善缸內(nèi)燃燒情況，提升輸出功率，減少能量消耗。鄭順等[12]設(shè)計(jì)了3種不同形狀的摻混孔，利用FLUENT軟件模擬分析了摻混孔幾何形狀對(duì)燃燒室出口特性的影響。Karthickeyan[13]認(rèn)為柴油機(jī)改裝技術(shù)是當(dāng)前柴油機(jī)研究領(lǐng)域的發(fā)展方向之一，旨在推動(dòng)柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)完全燃燒，其設(shè)計(jì)了兩種新型的燃燒室，即環(huán)形燃燒室和梯形燃燒室，研究發(fā)現(xiàn)環(huán)形燃燒室能夠更好地混合空氣和燃料，并使燃料進(jìn)一步燃燒。Ramazan等[14]以壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)的指導(dǎo)下，對(duì)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的形狀進(jìn)行了優(yōu)化，其目的是在保持發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩的同時(shí)優(yōu)化柴油的燃燒效率。Zhang等[15]確定了波狀燃燒室的幾何形狀可以改善乙醇和生物柴油混合燃燒柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。由中外最新研究可知在高原環(huán)境下燃燒室的選型以及優(yōu)化值得更深入的學(xué)習(xí)和研究。

為了研究高原環(huán)境下的燃燒室適應(yīng)性，采用原型ω型燃燒室、高低型雙渦流室雙縮口燃燒室、雙層分流式燃燒室、底部大渦流室燃燒室進(jìn)行海拔4 550 m的模擬研究。分別對(duì)上述燃燒室配用12°、14°、16°、18° BTDC的噴油提前角進(jìn)行計(jì)算，并通過高原實(shí)驗(yàn)[16]對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。此研究能夠?yàn)楦咴裼蜋C(jī)的燃燒室選型以及噴油正時(shí)提供理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 計(jì)算模型的建立與計(jì)算方案的設(shè)計(jì)

柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒的模型建立包括網(wǎng)格模型的建立與計(jì)算模型的建立。本文的數(shù)值模擬部分是基于CFD軟件AVL-Fire。

1.1 網(wǎng)格模型的建立

此研究的原型柴油機(jī)為某6缸直列式增壓中冷柴油機(jī)，其燃燒室為普通偏置型ω型燃燒室，偏置量為5 mm。其具體參數(shù)如表1所示。

依據(jù)多次試算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇模擬范圍為進(jìn)氣門關(guān)閉后與排氣門開啟前。在進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性對(duì)比后，選擇網(wǎng)格平均尺寸為0.000 5 m，總網(wǎng)格數(shù)目為210 812。用AVL List GmbH公司的FIRE軟件建立網(wǎng)格模型，如圖1所示。

表1 原型機(jī)主要參數(shù)

圖1 原型燃燒室網(wǎng)格模型Fig.1 Prototype combustion chamber mesh model

1.2 計(jì)算參數(shù)的設(shè)置

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，燃燒室頂部溫度設(shè)為550 K，燃燒室壁面平均溫度為520 K，連桿平均溫度為470 K。開始模擬時(shí)缸內(nèi)壓力為2.35 MPa，初始溫度為690 K，空氣含氧量為0.18，燃料為溫度300 K的純柴油，只計(jì)算缸內(nèi)高壓循環(huán)區(qū)間。

1.3 計(jì)算模型的選擇

(1)

(2)

經(jīng)過試算與驗(yàn)證：燃料的破碎模型為WAVE模型；蒸發(fā)模型為Dukowicz模型；碰壁模型為Walljet1模型。NOx排放模型為擴(kuò)充的澤爾多維奇(Zeldo-vich)模型。NOx主要有NO2與NO，但NO的量占據(jù)了主要部分，為了簡化計(jì)算，主要討論NO的生成。NO的生成速率公式[19]為

(3)

式(3)中:[·]e表示組分的平衡濃度;T為溫度；t為時(shí)間?？梢?，NO的生成隨著溫度的上升而快速增加。soot并不是某一種物質(zhì)而是屬于混合物的范疇，成分也特別復(fù)雜，其凈生成是同時(shí)生成與氧化的動(dòng)態(tài)結(jié)果，故選擇Kinetic模型。

1.4 計(jì)算方案設(shè)計(jì)

對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行高原環(huán)境下的數(shù)值計(jì)算，采用不同的燃燒室與不同的噴油提前角。首先在嚴(yán)格控制變量的前提下，僅僅改變?cè)筒裼蜋C(jī)的燃燒室形狀，并重點(diǎn)保證燃燒室容積相等。改用的燃燒室分別為高低型雙渦流室雙縮口燃燒室、雙層分流式燃燒室、底部大渦流室燃燒室。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其次，在控制其余變量的前提下，分別更改原型ω燃燒室與其余3種燃燒室的噴油提前角，噴油提前角分別為12°、14°、16°、18° BTDC。

圖2 試驗(yàn)燃燒室Fig.2 Test combustion chamber

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 原噴油提前角下4種燃燒室的高原特性

在海拔4 550 m條件下，4種燃燒室的缸內(nèi)燃燒各有特點(diǎn)。圖3為4種燃燒室在噴油提前角為12 °CA時(shí)的高原特性曲線。如圖3(a)所示，從4種燃燒室的缸壓曲線圖中可以看出，雙層分流式燃燒室的平均缸壓最高，接著為原型ω燃燒室、高低型雙渦流室雙縮口燃燒室，底部大渦流燃燒室的平均缸壓最低。這表明在當(dāng)前的計(jì)算條件下，雙層分流式燃燒室能夠在高海拔地區(qū)表現(xiàn)出較高的功率，而底部大渦流燃燒室的功率最低。

如圖3(b)所示，4種燃燒室的放熱率曲線中，原型ω燃燒室在燃燒前期擁有最高的放熱率，而高低型雙渦流室雙縮口燃燒室與雙層分流式燃燒室在燃燒后期的放熱率較高。這表明，原型ω燃燒室在急燃期與緩燃期燃燒最為劇烈，而高低型雙渦流室雙縮口燃燒室與雙層分流式燃燒室后燃期初期的燃燒較為劇烈。

如圖3(c)所示，很明顯可以看出高低型雙渦流室雙縮口燃燒室的NO生成量為最低，在排氣門開啟時(shí)刻的NO量僅為11.23 mg，而原型ω燃燒室的NO排放量為15.21 mg。至于雙層分流式燃燒室，也展現(xiàn)了較低的NO生成量為12.01 mg；底部大渦流燃燒室的生成量第二高為13.36 mg。高低型雙渦流室雙縮口燃燒室相比較于原型ω燃燒室的NOx減排量達(dá)到了26.17%。

如圖3(d)所示，在當(dāng)前計(jì)算條件下，高低型雙渦流室雙縮口燃燒室的soot排放量最高，緊接著為底部大渦流燃燒室，雙層分流式燃燒室排在第三，原型ω燃燒室的soot排放量最低。另外可以看出，高低型雙渦流室雙縮口燃燒室與雙層分流式燃燒室在燃燒初期均生成了大量的soot。

4種燃燒室在高原地區(qū)表現(xiàn)出不同特性的主要原因在于各種燃燒室的燃燒室形狀不同導(dǎo)致了不同的缸內(nèi)流場(chǎng)與燃燒狀況。高低型雙渦流室雙縮口燃燒室與雙層分流式燃燒室均能實(shí)現(xiàn)分流燃燒，即部分燃料經(jīng)由燃燒室中的分流脊分別向分流脊上方與下方分流。在高低型雙渦流室雙縮口燃燒室中，擁有一個(gè)縮口型的上渦流室。而雙層分流式燃燒室的分流脊上方為一段長長的導(dǎo)流斜面，有利于火焰向余隙容積空間擴(kuò)散。原型ω燃燒室與底部大渦流燃燒室為典型的深坑型燃燒室。燃料在經(jīng)過碰撞壁面后向凹坑中擴(kuò)散。在高原環(huán)境下，滯燃期延長，燃料噴柱的貫穿距離延長，碰壁量加大，缸內(nèi)氧氣含量降低，同時(shí)由于缸內(nèi)壓力下降，渦流的耗散率降低。

圖3 4種燃燒室在噴油提前角為12°BTDC時(shí)的高原特性Fig.3 The performance of four combustion chambers in high altitude when the advance of injection timing is 12° BTDC

綜上原因，雙層分流式燃燒室表現(xiàn)出了最高的缸內(nèi)壓力與較低的NOx排放是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了分流燃燒，缸內(nèi)溫度較為平均，并提高了余隙容積空間空氣的利用率。雙層分流式燃燒室的soot排放量高于原型ω燃燒室的原因在于分流脊上方的導(dǎo)流斜面上燃料容易附著而無法充分燃燒。而同樣實(shí)現(xiàn)了分流燃燒的高低型雙渦流室雙縮口燃燒室因?yàn)樯蠝u流室的縮口構(gòu)造阻礙了對(duì)余隙容積空間的利用，另一方面由于上渦流室中能形成持久的斜軸渦流，將大量燃料卷入上渦流室，因此soot的排放量最高，NOx排放量最低。對(duì)于高原直噴式柴油機(jī)，燃燒室中軸線附近的空氣利用率較低，而底部大渦流燃燒室的較低的中心凸臺(tái)設(shè)計(jì)增大了凸臺(tái)上方的空間，進(jìn)一步降低了空氣利用率，同時(shí)在余隙容積空間的空氣也未能充分利用。這些原因造成了底部大渦流燃燒室的動(dòng)力性與排放性均不及其余燃燒室。

2.2 不同噴油提前角下4種燃燒室的高原特性

對(duì)柴油機(jī)噴油正時(shí)提前，噴油提前角分別為14、16、18 °CA。計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。其中圖4為4種燃燒室在不同噴油提前角時(shí)缸內(nèi)最高壓力的變化圖，圖5為4種燃燒室在不同噴油提前角時(shí)的排放特性。總體來說，4種燃燒室的最高缸內(nèi)平均壓力與NOx排放量隨著噴油正時(shí)的提前而不斷升高，soot量持續(xù)減小。

圖4 4種燃燒室在不同噴油提前角下的缸內(nèi)最高壓力Fig.4 Maximum in-cylinder pressure of four combustion chambers at different injection advance angles

圖5 不同噴油提前角下4種燃燒室的NOx與soot排放Fig.5 The NOx and soot emissions of four combustion chambers at different advance angles of injection timing

雙層分流式燃燒室的最高燃燒壓力一直保持最高。雙渦流室雙縮口燃燒室在噴油提前角時(shí)為12 °CA時(shí)最高平均壓力排在第三，而到了噴油提前角為16 °CA時(shí)追上了原型ω燃燒室的最高缸內(nèi)平均壓力，到了噴油提前角為18 °CA時(shí)僅次于雙層分流式燃燒室。而底部大渦流燃燒室的缸內(nèi)平均最高壓力一直為最低，并且在較大噴油提前角時(shí)與其余3種燃燒室之間的壓力差有變大的趨勢(shì)。雙層分流式的油氣混合能力較好，燃燒室對(duì)余隙容積空間的空氣利用率也最高，因此在不斷提高噴油提前角后，該燃燒室也能保持最高的缸內(nèi)平均壓力。但是隨著噴油提前的增大，更多的燃料在滯燃期就能進(jìn)入余隙容積與底部渦流室、急燃期同時(shí)燃燒的燃料增多。并且燃燒重心提前、燃燒最劇烈時(shí)余隙容積的空間較小，因此在高噴油提前角時(shí)，缸內(nèi)最高壓力上升量隨著噴油正時(shí)的增大而減小。同時(shí)帶來的結(jié)果是NO增量加大，而soot減小率降低。同樣作為分流式燃燒室的高低型雙渦流室雙縮口燃燒室，通過噴油正時(shí)提前來優(yōu)化缸內(nèi)燃燒的潛力最大。一方面是因?yàn)樵撊紵覍?duì)余隙容積空間的空氣利用率較低，但是由于噴油提前，在燃燒最劇烈的時(shí)候，余隙容積空間較小，相對(duì)來說燃燒室內(nèi)部的空氣總量增大，所以該燃燒室對(duì)余隙容積空間的空氣利用率低下的缺點(diǎn)被縮小了；另一方面是該燃燒室特殊構(gòu)造，缸內(nèi)的湍流擾動(dòng)最為復(fù)雜，提前噴油使得混合氣質(zhì)量越來越好。兩點(diǎn)原因使得該燃燒室在噴油提前角為18 °CA時(shí)最高缸內(nèi)平均壓力超過了原型ω燃燒室。不僅如此，該燃燒室的soot排放量由12 °CA時(shí)的最高退為倒數(shù)第二，并有低過原型燃燒室的趨向；其NOx排放量一直保持為最低。

原型ω燃燒室與底部大渦流燃燒室作為直噴式柴油機(jī)最古樸的深坑燃燒室，有著結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在高海拔、高噴油提前角時(shí)，原型ω燃燒室的最高缸內(nèi)燃燒壓力升高量不如分流式燃燒室；soot降低量也不如分流式燃燒室；NOx排放量一直為最高。而底部大渦流燃燒室由于燃燒室中心的凸臺(tái)較低，凸臺(tái)上方空間較大，渦流旋轉(zhuǎn)速度較低；在高原環(huán)境下，燃料噴柱的貫穿距長，因此對(duì)燃燒室中軸線附近的空氣利用率低下。加之該燃燒室對(duì)余隙容積中空氣的利用也較低因此油氣混合較差，燃燒并不充分，即使噴油提前，燃料也主要在大渦流室中混合，難以改善中軸線附近的油氣混合，因此該燃燒室的性能以及性能恢復(fù)程度均不及其余燃燒室。

圖6為30° ATDC(after top dead center,上止點(diǎn)后)時(shí)不同燃燒室在不同噴油正時(shí)下的缸內(nèi)氧氣分布。如圖6所示，隨著噴油正時(shí)提前，同一種燃燒室在30° ATDC時(shí)的缸內(nèi)平均氧氣含量越來越低，這表明，噴油正時(shí)提前能夠有效地改善高原柴油機(jī)的后燃現(xiàn)象?？梢宰⒁獾氖牵诟咴h(huán)境下，缸內(nèi)氧氣剩余較多的部位為燃燒室中軸線附近與余隙容積空間。則通過減小燃燒室中軸線附近空間的體積，減小余隙容積空間或者合理向余隙容積空間導(dǎo)流是高原柴油機(jī)性能恢復(fù)的重要原則。同時(shí)值得注意的是，各燃燒室凹坑內(nèi)嚴(yán)重缺氧，這說明，高原環(huán)境下直噴式柴油機(jī)的凹坑中承載了劇烈的燃燒。這也是高原環(huán)境下燃料貫穿背壓減小，滯燃期延長，碰壁量加大造成的后果。因此在高原柴油機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)的另一個(gè)原則是在保證所需壓縮比前提下在燃料噴霧的貫穿路徑方向上延伸燃燒室空間。

圖6 30° ATDC時(shí)不同燃燒室在不同噴油正時(shí)下的缸內(nèi)氧氣分布Fig.6 In-cylinder oxygen distribution in different combustion chambers at 30° ATDC with different injection timings

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在青海海拔為4 550 m處對(duì)原型增壓柴油機(jī)進(jìn)行噴油提前實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了噴油提前角為12和與18 °CA時(shí)的柴油機(jī)特性。當(dāng)噴油提前角從12 °CA到18 °CA時(shí)柴油機(jī)功率由229.7 kW升高到238 kW；扭矩從877 N·m上升到911 N·m；最高缸內(nèi)燃燒壓力9.13 MPa上升到11.20 MPa；燃油消耗率233.4 g/(kW·h)降低到230.1 g/(kW·h)。NOx排放量從13.65 mg上升到20.42 mg，soot排放量從7.11 mg下降到4.4 mg。在噴油提前角為18° BTDC時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最高缸內(nèi)壓力比計(jì)算數(shù)據(jù)要高，NOx排放量也比計(jì)算數(shù)據(jù)高，而soot排放量較低。這是因?yàn)樵诓裼蜋C(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，由于噴油正時(shí)提前，柴油機(jī)的整機(jī)溫度會(huì)上升。影響計(jì)算結(jié)果的邊界條件如燃燒室壁面溫度、活塞頂部溫度等均會(huì)升高，從而提高了缸內(nèi)平均溫度與平均壓力。相對(duì)的實(shí)驗(yàn)的NOx排放量較高，而soot排放量相對(duì)較低。

總體而言，實(shí)驗(yàn)與計(jì)算的誤差控制在允許范圍內(nèi)，因此計(jì)算結(jié)果較為可靠。

表2 高原環(huán)境下不同噴油提前角對(duì)原型機(jī)特性的影響

4 結(jié)論

(1)分流式燃燒室在高原環(huán)境下能夠顯著降低NOx的排放量。雙層分流式燃燒室能夠提高對(duì)余隙容積的空氣利用率，表現(xiàn)出最高的缸內(nèi)平均壓力。高低型雙渦流室雙縮口燃燒室擁有較強(qiáng)的油氣混合能力，表現(xiàn)出最低的NOx排放量，但對(duì)余隙容積中的空氣利用率較低。

(2)在高原環(huán)境下，隨著噴油正時(shí)的提前，缸內(nèi)燃燒最劇烈時(shí)活塞頂部空間較小，燃燒室內(nèi)部空氣總量相對(duì)較大。高低型雙渦流室雙縮口燃燒室對(duì)余隙容積空間空氣利用率較低的缺點(diǎn)被縮小，性能得以顯著提升。

(3)在高原環(huán)境下，底部大渦流燃燒室在渦流室以上空間的油氣混合較差，動(dòng)力性、排放性均不如其他燃燒室。

(4)高原直噴式柴油機(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)原則：適當(dāng)增高增大燃燒室的中心凸臺(tái)；減小余隙容積或者合理導(dǎo)流以提高余隙容積空氣利用率；延長燃料噴霧貫穿方向上的縱深，減少燃料碰壁的影響；盡量保證結(jié)構(gòu)簡單，減少熱應(yīng)力集中。