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        燃燒室對4190船用柴油機(jī)燃燒及排放性能的影響

        2015-11-29 02:59:15黃加亮尹自斌集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院誠毅學(xué)院福建廈門361021福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室福建廈門361021
        中國航海 2015年3期
        關(guān)鍵詞:高溫區(qū)凹坑缸內(nèi)

        黃加亮, 溫 朋, 尹自斌, 朱 鈺(1.集美大學(xué) a. 輪機(jī)工程學(xué)院;b. 誠毅學(xué)院,福建 廈門 361021;2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門 361021)

        燃燒室對4190船用柴油機(jī)燃燒及排放性能的影響

        黃加亮1a,2, 溫 朋1b, 尹自斌1a,2, 朱 鈺1a,2
        (1.集美大學(xué) a. 輪機(jī)工程學(xué)院;b. 誠毅學(xué)院,福建 廈門 361021;2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門 361021)

        結(jié)合4190ZLC-2型船用柴油機(jī)電控化改造項(xiàng)目,應(yīng)用AVL_FIRE專業(yè)軟件,建立柴油機(jī)缸內(nèi)高壓循環(huán)的仿真模型,通過臺架試驗(yàn)獲得缸壓曲線,驗(yàn)證模型的正確性。利用該模型研究燃燒室型式、結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃燒過程和排放濃度等的影響。結(jié)果表明:縮口燃燒室的排放性能最好;喉口直徑較小時(shí),NOx排放濃度低,但是碳煙排放濃度較高;凸臺高度增大使得缸內(nèi)高溫區(qū)面積減小,缸內(nèi)最高溫度增大,凸臺高度越小,NOx排放濃度越高,但碳煙排放濃度較低;隨著凹坑半徑增大,缸內(nèi)最高溫度和壓力逐漸增大,排放濃度也會受到很大影響。

        船舶工程;4190ZLC-2型柴油機(jī);喉口直徑;凸臺高度;凹坑半徑;燃燒室;排放濃度

        燃燒室承擔(dān)著油氣混合與燃燒的功能,燃燒過程的好壞對柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性有著重要影響,因此研究燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)對燃燒過程的影響具有深遠(yuǎn)意義。[1]RISI等[2]研究了不同燃燒室形狀對缸內(nèi)流場、溫度場、NOx和碳煙排放的影響。ZHU等[3]研究了3種不同燃燒室唇部形狀和凹坑半徑對柴油機(jī)缸內(nèi)混合及燃燒過程的影響。王錫斌等[4]研究了燃燒室縮口、底部凸臺和燃燒室偏心對缸內(nèi)流場的影響,并通過發(fā)動機(jī)試驗(yàn)研究了燃燒室?guī)缀涡螤顚Πl(fā)動機(jī)性能的影響。郭曉平等[5]在不改變?nèi)紵殷w積的情況下,通過改變?nèi)紵业目趶奖群蛷缴畋?,對柴油機(jī)的工作過程進(jìn)行了仿真計(jì)算。尚勇等[6]通過對ω型燃燒室進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)思想的分析,得到了影響燃燒室形狀的3個(gè)獨(dú)立參數(shù),并在定容的情況下對各獨(dú)立變量進(jìn)行了改變,設(shè)計(jì)出了變參數(shù)系列的燃燒室。這里主要從燃燒室型式、燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃燒及排放性能的影響等方面入手,對傳統(tǒng)ω型燃燒室進(jìn)行深入研究。

        1 研究對象及仿真模型的建立

        研究對象為4190ZLC-2型船用四沖程渦輪增壓柴油機(jī)[7],其主要參數(shù)見表1。

        表1 4190ZLC-2型船用四沖程渦輪增壓柴油機(jī)主要參數(shù)

        利用AVL_FIRE軟件建立柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)的仿真模型,對缸內(nèi)燃燒過程進(jìn)行仿真計(jì)算。由于利用AVL_FIRE軟件中的柴油機(jī)高壓燃燒模塊ESE(Easy Simulation Environment)可方便快捷地建立不帶氣道的部分模型,因此僅用一個(gè)扇區(qū)對噴霧和燃燒進(jìn)行模擬計(jì)算。建立的1/8燃燒室模型見圖1。

        圖1 1/8燃燒室模型

        模型構(gòu)建及驗(yàn)證:湍流流動模型選用K-ε模型;噴霧破碎模型選用WAVE模型;液滴蒸發(fā)模型選用Dukowicz模型;碰壁模型選用Walljet1模型;湍流擴(kuò)散模型選用Enable模型;燃燒模型選用渦耗散模型;NOx排放物生成模型選用Zwldovich模型;碳煙模型選用Kennedy Hiroyasu Magnussen模型。

        仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測得結(jié)果對比見圖2,仿真所得示功圖與試驗(yàn)測得的示功圖趨勢一致且吻合良好,表明高壓循環(huán)模型準(zhǔn)確,并可利用該模型對柴油機(jī)燃燒室的工作過程和燃燒產(chǎn)物進(jìn)行仿真分析。

        圖2 仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測得結(jié)果對比

        2 燃燒室型式對燃燒和排放的影響

        4190ZLC-2型柴油機(jī)燃燒室為半開式結(jié)構(gòu),燃燒室內(nèi)的霧化以空間混合為主,因此其形狀對霧化有著重要影響。為對燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,在保證壓縮比不變的前提下,首先設(shè)計(jì)一個(gè)縮口燃燒室和一個(gè)開口燃燒室的模型(見圖3),并將其與原機(jī)燃燒室進(jìn)行對比分析。仿真計(jì)算得到噴油時(shí)不同燃燒室、不同時(shí)刻速度場的形成過程(見圖4)。

        a)縮口燃燒室b)開口燃燒室

        圖3 縮口、開口燃燒室模型

        由圖4可知,噴射油束對缸內(nèi)氣流運(yùn)動有非常重要的影響,會形成高速的氣流。在燃油噴射過程中可看出:縮口燃燒室和開口燃燒室內(nèi)氣體的流動速度高于原機(jī),特別是縮口燃燒室;此外,由于油束的存在,在縮口燃燒室中形成與噴霧方向成90°的氣流,有利于氣體混合。各個(gè)燃燒室在上止點(diǎn)(Top Dead Centre, TDC)后20°CA(After TDC, ATDC)都有旋轉(zhuǎn)氣流生成:原機(jī)燃燒室的回流出現(xiàn)在中下部,且方向向上,能很好地將混合氣體擴(kuò)散到整個(gè)中部;縮口燃燒室的回流出現(xiàn)在喉口部位,能將混合氣體擴(kuò)散到上部和中部;開口燃燒室的回流出現(xiàn)在中上部,能將混合氣體集中到燃燒室右部。

        圖5為各燃燒室型式對柴油機(jī)缸內(nèi)平均壓力和溫度的影響。由圖5a可知:原機(jī)燃燒室的最高爆發(fā)壓力出現(xiàn)較早;縮口燃燒室的最高壓力出現(xiàn)最晚,著火點(diǎn)相對靠后,有利于柴油機(jī)有效功率的增加。由圖5b可知:開口燃燒室內(nèi)的溫度比縮口燃燒室低,對碳煙在缸內(nèi)后期氧化有一定的影響;原機(jī)燃燒室的最高溫度最高,會影響缸內(nèi)NOx的生成。

        圖6為各燃燒室型式對NOx和碳煙生成的影響。從圖中可看出,縮口燃燒室的NOx生成量和碳煙生成量都低于另外2種燃燒室,特別是開口燃燒室。原因是縮口燃燒室擠流強(qiáng)度大,氣缸內(nèi)湍流動能較大,擴(kuò)散燃燒加強(qiáng),有利于抑制碳煙的生成;而開口燃燒室的溫度高,符合NOx生成的高溫富氧條件。原機(jī)燃燒室的碳煙生成量最大值與開口燃燒室相同,但是原機(jī)燃燒室中后期湍流能量耗損大,氣體流動性較好,使得碳煙的氧化量大、排氣中含量少;而開口燃燒室最終的排放量最大,這與其溫度在后期降低過快、碳煙氧化過程的時(shí)間較短使得氧化量減少有關(guān)。考慮到原機(jī)燃燒室電控化改造對排放性能的要求,縮口燃燒室的排放特性最好。

        10°CA(BTDC)

        TDC

        20°CA(ATDC)

        a)對缸內(nèi)壓力的影響b)對缸內(nèi)溫度的影響

        圖5 各燃燒室型式對缸內(nèi)平均壓力和溫度的影響

        a) 對NOx生成的影響

        b) 對碳煙排放的影響

        3 燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃燒和排放性能的影響

        傳統(tǒng)的ω型燃燒室的形狀由喉口直徑(d)、出口角度、凹坑半徑(R2)、凸臺高度(h)和凸臺半徑(R1)等變量決定(見圖7a)。這里主要研究喉口直徑、凸臺高度及凹坑半徑對燃燒和排放性能的影響。設(shè)計(jì)考慮的燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)變化情況見表2。

        表2 燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)變化情況

        3.1喉口直徑對柴油機(jī)燃燒和排放性能的影響分析

        保持燃燒室體積固定不變,喉口直徑d變化,凸臺傾角和燃燒室最大深度隨之變化。d的變化系列見圖7b。

        圖8為喉口直徑對放熱率和缸壓的影響。通過分析可知,燃燒室喉口直徑d對放熱率的影響較大,由于d對滯燃期φi的影響不大,且噴油和進(jìn)氣系統(tǒng)等參數(shù)均保持不變,因此可認(rèn)為放熱率出現(xiàn)差異的原因是d的不同導(dǎo)致φi內(nèi)油氣混合過程不同。放熱率的第二峰值隨d的增大而增大。TDC前d變化對缸壓的影響很小,其后逐漸增大;TDC后隨著d增大,壓力峰值逐漸增大。

        a)ω型燃燒室廓形b)燃燒室喉口直徑變化c)燃燒室凸臺高度變化d)燃燒室凹坑半徑變化

        圖7 燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)及變化系列

        圖8 喉口直徑對放熱率和缸壓的影響

        圖9為不同喉口直徑、不同時(shí)刻缸內(nèi)燃空當(dāng)量比的分布。通過對比分析可知,TDC時(shí)刻喉口直徑d越大的燃燒室,混合氣濃區(qū)越接近中央凸臺。油束著壁后,沿燃燒室壁面繼續(xù)向擠流區(qū)發(fā)展,d較小的燃燒室由于撞壁時(shí)刻較早,進(jìn)入擠流區(qū)的混合氣較多,且著壁點(diǎn)靠近喉口唇部,因此濃混合氣區(qū)是由唇口處分別向擠流區(qū)和凹坑擴(kuò)展的;而d較大的燃燒室,油束在10°CA (ATDC)時(shí)刻己撞擊中央凸臺,因此后期濃混合氣區(qū)是沿中央凸臺依次向凹坑和擠流區(qū)擴(kuò)展的,這就造成了在20°CA (ATDC)時(shí)刻混合氣濃區(qū)分布的差異。d較小的燃燒室,混合氣濃區(qū)分布在擠流區(qū)和凹坑處;d較大的燃燒室混合氣濃區(qū)分布在燃燒室側(cè)壁和擠流區(qū)。d過大或過小都不利于油氣混合過程的進(jìn)行,因此應(yīng)選取合適的d,使油束著壁點(diǎn)位于喉口唇部附近,這樣既可充分利用燃油撞壁的動能,增加燃油的分布范圍,又可避免油束因撞擊中央凸臺而在壁面堆積。

        TDC

        10°ATDC

        20°ATDC

        圖10為d對NOx和碳煙排放的影響。通過分析可知:隨著d的增大,NOx生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先減小后增大,d=135 mm時(shí),NOx生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低;而碳煙生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則剛好相反,d增大時(shí),碳煙生成量先增大后減小,這與缸內(nèi)溫度水平直接相關(guān)。

        3.2凸臺高度對燃燒和排放性能的影響分析

        保持燃燒室體積固定不變,凸臺高度h變化,凸臺傾角和燃燒室最大深度隨之變化。h的變化系列如圖7c所示。

        a) 對NOx的影響

        b) 對碳煙排放的影響

        圖11為不同凸臺高度h在不同時(shí)刻缸內(nèi)溫度場分布。通過對比分析可知:在TDC時(shí)刻,h為2.6 mm時(shí)最高溫度達(dá)到了2 211.2 K,預(yù)混燃燒階段的放熱率最大;在10°CA(ATDC)時(shí)刻,h越大,油束下側(cè)的高溫區(qū)越靠近凹坑底部,使得高溫區(qū)面積越小,但是缸內(nèi)最高溫度越大;在20°CA(ATDC)之后,高溫區(qū)面積隨著h的增加而減小,當(dāng)h較小時(shí),油束下側(cè)高溫區(qū)主要集中在凹坑處,隨著h增加,位于凹坑處的高溫區(qū)逐漸向擠流區(qū)擴(kuò)展。

        圖12為凸臺高度h對NOx與碳煙排放影響。分析可知:h=2.6 mm時(shí)NOx生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于h=4.6 mm和h=6.6 mm時(shí)的,碳煙生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與之相反。這是因?yàn)閔越小,高溫區(qū)面積越大,越符合NOx生成的高溫富氧的條件。

        3.3凹坑半徑對燃燒和排放性能的影響分析

        保持燃燒室體積固定不變,凹坑半徑R2變化,凸臺傾角和燃燒室最大深度隨之變化。R2的變化系列如圖7d所示。

        TDC

        10°ATDC

        20°ATDC

        圖13為R2對缸內(nèi)壓力和溫度的影響。由該圖可知:隨著R2的增大,缸內(nèi)壓力峰值由9.866 8 MPa增加到10.148 3 MPa,這有利于柴油機(jī)有效功率的增加;同時(shí),缸內(nèi)溫度峰值也由1 657.56 K增加到1 722.25 K。由此可見,隨著R2增大,缸內(nèi)溫度和壓力均增大。

        圖14為R2對NOx和碳煙排放的影響。隨著燃燒過程持續(xù)進(jìn)行,缸內(nèi)溫度迅速增高,NOx生成量也迅速增加,缸內(nèi)NOx的生成趨勢與溫度的變化趨勢是一致的。隨著R2增大,NOx生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大,碳煙生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小。這是因?yàn)镽2越小的燃燒室,后燃現(xiàn)象越嚴(yán)重,這可以解釋R2=14 mm時(shí),碳煙生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在后期仍維持較高水平的現(xiàn)象。

        a) 對NOx生成的影響

        b) 對碳煙排放的影響

        a)對缸內(nèi)壓力的影響b)對缸內(nèi)溫度的影響

        圖13 凹坑半徑對缸內(nèi)壓力和溫度的影響

        a) 對NOx生成的影響

        b) 對碳煙排放的影響

        4 結(jié)束語

        借助AVL_FIRE仿真軟件對4190ZLC-2型船用中速柴油機(jī)進(jìn)行了仿真計(jì)算,仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果能較好地吻合,驗(yàn)證了模型的正確性。針對不同燃燒室型式以及燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)中喉口直徑、凸臺高度、凹坑半徑對燃燒過程和排放濃度的影響進(jìn)行了研究,總結(jié)出以下結(jié)論。

        1) 燃燒室型式對柴油機(jī)燃燒過程和排放濃度有一定影響,以排放特性為目的的電控化改造中采用縮口燃燒室時(shí)NOx和碳煙生成的影響最小。

        2) 喉口直徑d對滯燃期φi內(nèi)油氣混合過程有顯著影響,進(jìn)而影響缸內(nèi)放熱率,d增大使NOx生成的濃度增大,但是減少了碳煙的生成量。

        3) 凸臺高度h的變化對缸內(nèi)溫度場的分布有顯著影響:h增大使缸內(nèi)高溫區(qū)面積減小,但缸內(nèi)最高溫度增大;h越小,NOx濃度越大,碳煙的生成量卻越小。

        4) 凹坑半徑R2對柴油機(jī)排放濃度也有很大影響,R2過大或過小都會導(dǎo)致NOx濃度增加。

        下一步方案還要考慮更多可能涉及的因素,如噴油系統(tǒng)參數(shù)、進(jìn)氣參數(shù)部分以及上述因素之間相互匹配作用的影響。

        [1] 黃少竹. 船舶柴油機(jī)[M]. 大連:大連海事大學(xué)出版社,2006:141-192.

        [2] RISI A D, MANIERI D F, LAFORGIA D. A Theoretical Investigation on the Effects of Combustion Chamber Geometry and Engine Speed on Soot and NOx[C]. Proceedings of the 1999 Fall Technical Conference, 1999.

        [3] ZHU Y, ZHAO H, MELAS D A,etal. Computational Study of the Effects of the Re-Entrant Lip Shape and Toroidal Radii of Piston Bowl on a HSDI Diesel Engine's Performance and Emissions[C]. SAE Paper, 2004.

        [4] 王錫斌,馬志豪,蔣德明. 燃燒室?guī)缀涡螤顚Ω變?nèi)氣體流動和發(fā)動機(jī)性能的影響[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程,2002, 23(2): 6-11.

        [5] 郭曉平,王占杰. 不同口徑比和徑深比燃燒室工作過程分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)與動力裝置,2006(3): 30.

        [6] 尚勇,劉福水,李向榮,等. 柴油機(jī)ω型燃燒室參數(shù)化設(shè)計(jì)及參數(shù)靈敏度分析[C]. 中國工程熱物理學(xué)會燃燒學(xué)學(xué)術(shù)會議論文, 2009.

        [7] 黃加亮,喬英志,王丹. 4190ZLC船用柴油機(jī)工作過程仿真與整機(jī)性能優(yōu)化研究[J]. 中國造船,2012, 53(3): 199-207.

        [8] 尹自斌,朱鈺,馬海濤,等. 某柴油機(jī)電控組合泵系統(tǒng)噴射性能試驗(yàn)研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程,2013, 34(6): 76-80.

        ImpactofCombustionChamberonCombustionProcessandEmissionsin4190TypeMarineDieselEngine

        HUANGJialiang1a,2,WENPeng1b,YINZibin1a,2,ZHUYu1a,2
        (1a. Marine Engineering Institute; 1b. Chenyi College, Jimei University, Xiamen 361021, China; 2. Key Laboratory of Ship and Marine Engineering, Xiamen 361021, China)

        The Influence of the combustion chamber parameters on the combustion process and emission concentrations in the 4190ZLC-2 marine diesel engine are studied with an AVL_FIRE in-cylinder high-pressure cycle model, which has been verified through bench testing experiment. The simulation shows that the combustion chamber with reduced throat performs best. The simulation tells the following facts: With smaller throat diameter, NOxemission concentration is lower while the soot concentration is higher; the increase of center-crown height reduces the high temperature area in cylinder but increase the highest temperature in it; the smaller center-crown height, the higher NOxemission concentration and the lower soot concentration; With increase of bowl bottom radius, the maximum temperature and the pressure in cylinder increases gradually; bowl bottom radius also has great influence on the emission of diesel engine.

        ship engineering; 4190ZLC-2 type diesel engine; throat diameter; center-crown height; bowl bottom radius; combustion chamber; emission concentration

        2015-04-20

        福建省自然科學(xué)基金(2012J01230);福建省科技廳資助省屬高校專項(xiàng)基金(JK2013025)

        黃加亮(1963—),男,福建泉州人,教授,主要從事船舶柴油機(jī)性能優(yōu)化與排放研究。E-mail: jlhuang@jmu.edu.cn

        溫 朋(1989—),男,河南許昌人,碩士,主要從事船舶柴油機(jī)性能優(yōu)化與排放研究。E-mail: 294681517@qq.com

        1000-4653(2015)03-0023-06

        U664.1;TK423.5

        A

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