張志清，譚東麗

(欽州學(xué)院,廣西 欽州 535000)

0 引 言

面對(duì)日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，優(yōu)化柴油機(jī)的燃燒質(zhì)量，降低污染物的排放成為各柴油機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)商和內(nèi)燃機(jī)科研工作者的重點(diǎn)[1]。壓縮比可以改變柴油機(jī)的循環(huán)熱效率進(jìn)而改變其動(dòng)力性，同時(shí)壓縮比的改變會(huì)影響上止點(diǎn)時(shí)刻缸內(nèi)的溫度，影響柴油機(jī)的排放性。鄭建軍等[2]應(yīng)用BOSST軟件對(duì)直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算，研究了壓縮比對(duì)充量系數(shù)、燃燒速率、熱效率以及NOx排放的影響。馬富康等[3]應(yīng)用BOOST軟件對(duì)WD615型柴油機(jī)進(jìn)行整機(jī)仿真，定量研究了壓縮比對(duì)換氣過(guò)程、熱力過(guò)程、燃燒品質(zhì)的影響。以上文獻(xiàn)研究均為一維過(guò)程，沒(méi)有分析對(duì)燃燒本質(zhì)的影響。本文采用三維CFD軟件AVL_FIRE對(duì)3種不同壓縮比下噴霧、燃燒過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，通過(guò)對(duì)缸內(nèi)溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、貫穿距以及油滴索特平均直徑分析，研究3種不同壓縮比對(duì)船用中速柴油機(jī)燃燒過(guò)程及排放的影響。

1 數(shù)學(xué)模型

本研究的湍流模型為k-ε雙方程模型，通過(guò)求解湍流動(dòng)能及耗散率的輸運(yùn)方程得出湍流運(yùn)輸系數(shù)[4]；為描述燃油的噴霧過(guò)程，燃油噴霧模型采用WAVE模型，該模型假設(shè)噴射的油滴與噴嘴噴孔的直徑相同；燃油蒸發(fā)模型采用Dukowicz模型，該模型認(rèn)為傳熱和傳質(zhì)是完全相似的過(guò)程；著火模型采用渦團(tuán)破碎模型，該模型認(rèn)為燃燒的速率完全由渦團(tuán)的擴(kuò)散率決定；撞壁模型采用適用于熱壁面的Wallj1t模型；燃燒模型采用三區(qū)相關(guān)火焰模型ECFM-3Z；NO生成模型采用Extended Zeldovich模型。

2 研究對(duì)象及初始條件

本文主要研究某船用中速4沖程柴油機(jī)，進(jìn)排氣門(mén)采用4氣門(mén)技術(shù)，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

應(yīng)用CAD軟件建立該型柴油機(jī)的燃燒室模型，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。將該模型以.dxf格式導(dǎo)入AVL_FIRE軟件中，確定噴油器位置及各參數(shù)，并在FIRE軟件ESE DIESEL模塊中劃分三維計(jì)算體網(wǎng)格。由于該型柴油機(jī)燃燒室為軸對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)，為減少仿真計(jì)算時(shí)間，根據(jù)噴孔個(gè)數(shù)選取計(jì)算區(qū)域的1/8。圖2為活塞處于上止點(diǎn)時(shí)刻的計(jì)算體網(wǎng)格模型，網(wǎng)格單元數(shù)為173 020個(gè)。本文主要仿真研究高壓循環(huán)過(guò)程，計(jì)算從進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻為上止點(diǎn)前137°CA開(kāi)始，到排氣門(mén)打開(kāi)時(shí)刻為上止點(diǎn)后120°CA結(jié)束，不考慮進(jìn)排氣對(duì)燃燒過(guò)程的影響。

圖1 燃燒室CAD模型Fig.1 Combustion chamber CAD model

圖2 計(jì)算體網(wǎng)格模型(TDC時(shí)刻)Fig.2 Grid computing body model(TDC)

進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉活塞上行時(shí)刻缸內(nèi)初始條件為：初始進(jìn)氣溫度為313 K，初始進(jìn)氣壓力為178 500 Pa，渦流比為1.2，循環(huán)噴油量為0.000 05 kg，汽缸套壁面溫度為475 K，缸蓋壁面溫度為570 K，活塞壁面溫度為625 K。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真計(jì)算模型的準(zhǔn)確可靠，將仿真計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，圖3為額定工況下仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較。由圖3可看出，仿真計(jì)算的缸壓峰值和相位與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相同，其誤差大小為0.3%，說(shuō)明該計(jì)算模型準(zhǔn)確可靠。誤差來(lái)源一方面由于邊界初始條件為BOOST仿真數(shù)據(jù)提供，與柴油機(jī)實(shí)際工作情況有差別，另一方面是由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)存在誤差所致。

圖3 仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)所得缸壓曲線(xiàn)比較Fig.3 Simulation and experiment pressure of cylinder comparison curves

3.2 不同壓縮比對(duì)燃燒排放影響分析

壓縮比的大小表明缸內(nèi)油氣被壓縮的程度，是內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)很重要的參數(shù)指標(biāo)，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的燃燒和排放有很大的影響[5]。壓縮比直接決定了活塞處于上止點(diǎn)時(shí)刻缸內(nèi)溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。本文只研究某船用中速柴油機(jī)不同壓縮比對(duì)柴油機(jī)燃燒及排放性能的影響，為該型柴油機(jī)壓縮比的合理選擇提供方向。壓縮比分別為方案1：ε=13；方案2：ε=14；方案3：ε=15。圖4為3種不同壓縮比缸內(nèi)壓力與溫度的變化曲線(xiàn)。

圖4 不同壓縮比對(duì)缸內(nèi)壓力、溫度的影響Fig.4 Effect of he compression ratio on pressure of cylinder and temerature

圖4為不同壓縮比對(duì)缸內(nèi)壓力和溫度影響的變化曲線(xiàn)圖。由圖可見(jiàn)，隨著壓縮比的增大缸內(nèi)平均壓力和平均溫度呈遞增趨勢(shì)，其中缸內(nèi)壓力變化的幅度較大，說(shuō)明隨著壓縮比的增加做功能力增強(qiáng)，但是隨著壓縮比的增加，壓力升高比比較大，對(duì)減少噪聲污染、降低機(jī)械負(fù)荷產(chǎn)生不利的影響，增加了內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械熱負(fù)荷。由圖4可知，壓縮比每增加1，缸內(nèi)壓力峰值增加約8 bar，缸內(nèi)溫度峰值增加約20 K，缸內(nèi)溫度峰值出現(xiàn)的越早。

圖5為不同壓縮比對(duì)索特平均直徑、貫穿距的影響。由圖5可見(jiàn)，在噴油開(kāi)始到上止點(diǎn)后15°油滴的索特平均直徑隨著壓縮比的變化沒(méi)有明顯的變化，變化趨勢(shì)比較平緩。但是壓縮比為13的方案，在上止點(diǎn)后30°左右仍存在索特平均直徑較大的液滴，并持續(xù)存在20°CA曲軸轉(zhuǎn)角，其原因是壓縮比降低，造成缸內(nèi)溫度降低，減弱了燃油的蒸發(fā)速率，在上止點(diǎn)后30°CA仍存在較大面積的燃油顆粒，造成油氣混合不均勻，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生碳煙，對(duì)燃燒的順利進(jìn)行有不利影響。由圖可見(jiàn)，隨著壓縮比的增加，燃油完全氣化所需時(shí)間縮短，原因是壓縮比增加，缸內(nèi)溫度升高，燃油蒸發(fā)速率加快。燃油噴霧貫穿距降低，其原因是壓縮比增加燃油噴射時(shí)刻缸內(nèi)壓力增加，缸內(nèi)的高壓阻礙了射流的運(yùn)動(dòng)，射流的貫穿距離減小，射流錐角增大[6]。

圖5 不同壓縮比對(duì)索特平均直徑的影響Fig.5 Effect of the compression ratio on SMD

圖6 不同壓縮比、不同時(shí)刻缸內(nèi)濃度場(chǎng)分布Fig.6 The distribution of difference compression ratio and density field

圖7 不同壓縮比缸內(nèi)著火時(shí)刻溫度分布Fig.7 The distribution of difference compression ratio and ignition temperature

圖6為不同壓縮比下，缸內(nèi)不同時(shí)刻缸內(nèi)油氣分布。由圖可知，隨著壓縮比的增加，相同曲軸轉(zhuǎn)角下，缸內(nèi)油氣濃度分布越均勻，可見(jiàn)較高的壓縮比促進(jìn)油氣的混合，有利于燃油充分燃燒，放出更多的熱量。

滯燃期是柴油機(jī)著火過(guò)程和燃燒過(guò)程中一個(gè)極為重要的時(shí)期，直接影響著柴油機(jī)的燃燒過(guò)程和柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性，滯燃期是控制和改善燃燒過(guò)程的關(guān)鍵[6]。本文中滯燃期為噴油時(shí)刻開(kāi)始到著火時(shí)刻所轉(zhuǎn)過(guò)的曲軸轉(zhuǎn)角。對(duì)于著火時(shí)刻，本文中認(rèn)為缸內(nèi)溫度發(fā)生突增的時(shí)刻為著火開(kāi)始的時(shí)刻。由圖7可知，不同壓縮比方案下的缸內(nèi)著火時(shí)刻，如壓縮比為13的方案，在上止點(diǎn)前9°CA，缸內(nèi)溫度為886.63 K，上止點(diǎn)前8°CA缸內(nèi)溫度為2105.5 K，則認(rèn)為壓縮比為13方案著火時(shí)刻為上止點(diǎn)前8°CA。因?yàn)閲娪蜁r(shí)刻為上止點(diǎn)前20°CA，著火時(shí)刻為上止點(diǎn)前8°CA，則滯燃期為12°CA，壓縮比為14和15的方案為相同求解過(guò)程。

圖8 不同壓縮比對(duì)滯燃期的影響Fig.8 Effect of he compression ratio on ignition delay period

圖8為不同壓縮比情況下滯燃期的變化。由圖可見(jiàn)，隨著壓縮比的增大，滯燃期縮短。其原因是隨著壓縮比的增加，缸內(nèi)壓縮壓力和溫度同時(shí)增加，加快了燃油蒸發(fā)的速率，縮短了燃油具備燃燒條件所需要的時(shí)間，對(duì)滯燃期的影響有雙重作用，使滯燃期明顯縮短。

圖9 不同壓縮比對(duì)NOx和碳煙顆粒排放的影響Fig.9 Effect of he compression ratio on NOx and soot particles

由圖9可見(jiàn)，隨著壓縮比的增加，NOx生成量逐漸增加，碳煙的生成量呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。根據(jù)以上對(duì)缸內(nèi)溫度、油滴索特平均直徑的分析，其原因是：壓縮比增加缸內(nèi)壓縮能力增強(qiáng)，缸內(nèi)溫度增加，為NOx的生成創(chuàng)造了條件。壓縮比為15的方案，缸內(nèi)碳煙顆粒的生成量降低，主要原因是壓縮比增加，缸內(nèi)油氣分布均勻，缸內(nèi)溫度較高，燃燒較完全，碳煙生成量低。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)壓縮比對(duì)內(nèi)燃機(jī)的燃燒和排放有較大影響。隨著壓縮比的增加，缸內(nèi)壓力、溫度峰值增加；

2)隨著壓縮比的增加，燃油蒸發(fā)速率加快，索特平均直徑降低，且變化平穩(wěn)，燃油貫穿距離隨著壓縮比的增加而變近；

3)碳煙顆粒隨著壓縮比的增加排放反而降低，NOx生成量隨著壓縮比增加而增加。

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