楊 昆，歐陽光耀，安士杰，劉 琦

(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

超高壓噴射條件下非常態(tài)燃油的缸內(nèi)燃燒排放特性研究

楊 昆，歐陽光耀，安士杰，劉 琦

(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

以改善大功率柴油機的燃燒與排放性能為目標，創(chuàng)新性地提出 180 MPa 以上的超高燃油噴射壓力。建立包括進氣道和燃燒室在內(nèi)的三維幾何模型，利用 AVL FIRE 軟件對仿真模型進行動網(wǎng)格劃分，將燃油噴射系統(tǒng)的噴嘴內(nèi)流場計算結(jié)果作為邊界條件對燃燒過程進行仿真計算，分析燃油物性參數(shù)的變化以及噴嘴參數(shù)對柴油機燃燒排放性能的影響。結(jié)果表明：當燃油的物性參數(shù)發(fā)生變化之后，噴孔內(nèi)部空化效應(yīng)的增強有助于油束獲得良好的初始破碎狀態(tài)，霧化效果好，缸內(nèi)燃燒過程進行得更加充分；當噴孔直徑增大時，油滴初始湍動能增強，運動發(fā)展范圍較大，噴油持續(xù)期短，后期排放物濃度??；隨著噴射夾角增大，缸內(nèi)燃油與空氣混合得更加均勻，燃燒性能進一步提高。

超高壓噴射；燃燒排放特性；FIRE；非常態(tài)燃油

0 引 言

燃燒與排放特性是柴油機整機經(jīng)濟性能和動力性能的最直接體現(xiàn)，是前期燃油噴射過程和缸內(nèi)燃油霧化過程的綜合結(jié)果，是內(nèi)燃機領(lǐng)域內(nèi)的學術(shù)者們開展相關(guān)研究的理想切入點[1]。在超高的燃油噴射壓力條件下，燃油的物性參數(shù)發(fā)生了很大變化，不能再以常態(tài)燃油作為計算介質(zhì)。同時噴孔內(nèi)部的空化流動特性

以及缸內(nèi)油束的運動發(fā)展都與傳統(tǒng)的工作過程有巨大的差異[2]，對燃燒與排放特性產(chǎn)生了較大的影響。所以，基于超過的燃油噴射壓力開展缸內(nèi)燃燒排放特性的研究十分必要。

本文利用 FIRE 軟件建立包括進氣道和燃燒室在內(nèi)的三維燃燒模型并進行網(wǎng)格劃分，利用試驗結(jié)果對仿真模型驗證之后，將前期的噴嘴內(nèi)流場計算結(jié)果作為邊界條件對燃燒過程進行仿真計算，分析燃油物性參數(shù)的變化以及噴嘴參數(shù)對柴油機燃燒排放特性的影響，以尋求改善柴油機經(jīng)濟性和動力性的有效途徑。

1 燃油物性參數(shù)的變化

柴油機在運行時，其每一次工作循環(huán)的噴油持續(xù)期都非常短，燃油的溫度可基本假定不發(fā)生變化。但燃油自共軌軌腔流經(jīng)噴油器直至噴孔出口處，其壓力發(fā)生了很大變化[3]。為研究燃油各個物性參數(shù)的變化趨勢同時減少變量之間的影響，將密度、音速和彈性模量同時表示成壓力和溫度的函數(shù)來研究它們之間的關(guān)系。

1.1 密度

對于礦物油，Donson D 和 Higginson G R 經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，無量綱密度 ρ 與壓力 p 存在如下關(guān)系[4]：

式中：ρ 為柴油在壓力 p 下的密度值；ρ0為柴油在常壓下的密度值。

把溫度對密度的影響作為修正因素，則密度的表達式為：

式中：t 為燃油系統(tǒng)工作時柴油溫度，測定為 60 ℃；t0為常壓下柴油溫度；λT為熱膨脹系數(shù)；λT的取值參見文獻[4]。

密度與壓力的變化關(guān)系如圖 1 所示。當溫度一定時，密度隨著壓力的變大而變大，近似呈現(xiàn)出正比例的線性變化關(guān)系。

1.2 音速

根據(jù)流體力學理論，音速的計算公式[5]為：

圖1 密度隨壓力的變化Fig.1 The density variation with pressure

式中：a 為燃油的音速；ζ 為粘壓系數(shù)；d 為粘溫系數(shù)。

音速與壓力的變化關(guān)系如圖 2 所示。音速受到溫度的影響較小，而對壓力的變化較為敏感，壓力增大時音速大幅提高。

圖2 音速隨壓力的變化Fig.2 The speed of sound variation with pressure

1.3 彈性模量

彈性模量表征的是燃油在受力壓縮時其自身抵抗彈性變形的能力大小[6]。彈性模量為：

彈性模量與壓力的變化關(guān)系如圖 3 所示。彈性模量隨著壓力的增大而增大，并且增速越來越大。

2 計算模型及驗證

利用 AVL FIRE 軟件建立三維燃燒模型，模型包括進氣道和燃燒室。初始時假設(shè)缸內(nèi)氣體均勻，具有相同的壓力和溫度。噴霧階段使用 0.4° 的計算步長，

燃燒階段時間步長增大為 1°。計算角度為 360° CA～838° CA，計算網(wǎng)格如圖 4 所示。進行計算時要將前期的噴嘴內(nèi)部流場結(jié)果作為邊界條件導入，以實現(xiàn)精確的數(shù)值模擬[7]。

圖3 彈性模量隨壓力的變化Fig.3 The bulk modulus variation with pressure

圖4 計算網(wǎng)格Fig.4 Calculation grid

為了驗證模型的準確性，將傳統(tǒng)高壓共軌系統(tǒng)所得的矩形噴油規(guī)律的燃燒排放試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比分析。由圖 5 可知，仿真與試驗所得缸內(nèi)壓力結(jié)果基本一致。表明所選的計算模型及初始邊界條件的設(shè)置較為合理，可以模擬實際情況。

圖5 試驗與仿真結(jié)果對比Fig.5 Contrast of experimental and simulation results

3 結(jié)果分析

3.1 常態(tài)燃油和非常態(tài)燃油的燃燒排放特性比較

如圖 6 中（a）和（b）所示為常態(tài)燃油和非常態(tài)燃油的燃燒排放性能對比。非常態(tài)燃油的缸內(nèi)壓力峰值比常態(tài)燃油的要高，燃燒過程進行得更加充分。從排放結(jié)果來看，非常態(tài)燃油燃燒過程中所產(chǎn)生的碳煙的濃度更小，分布范圍并不僅僅局限于噴孔附近和油束射流的軌跡上，而是均勻地擴散在燃燒室空間內(nèi)，高濃度區(qū)域范圍小。究其原因，非常態(tài)燃油的密度、音速和彈性模量等物性參數(shù)隨著壓力的增大而不同程度地變大，促進了噴孔內(nèi)部的空化流動，改善了燃油的霧化效果，使燃油與空氣混合得更加均勻，這對燃燒過程能夠高效地進行都起到了積極的作用。同時由于燃油的霧化效果后，分布范圍更廣，殘余的液態(tài)油束少，故排放物的濃度小[8]。

圖6 常態(tài)燃油和非常態(tài)燃油的燃燒排放性能對比Fig.6 The contrast of combustion and emission performance of normal fuel and non-normal fuel

3.2 噴孔直徑對非常態(tài)燃油燃燒排放特性的影響

如圖 7 中（a）和（b）所示為不同噴孔直徑的燃燒排放性能對比。隨著噴孔直徑的增大，缸內(nèi)壓力峰值增大。同時燃燒過程所產(chǎn)生的碳煙的濃度減小，高濃度集中區(qū)域的范圍變小，低濃度區(qū)域更加均勻地擴散于燃燒室中。由于噴孔直徑增大時，噴油速率變大，燃油自噴孔噴出后的噴霧動量較大，油束在向前運動發(fā)展的過程中與空氣之間的相互作用變得更加劇烈，增強了油氣混合得效果，從而導致燃燒時缸壓峰

值上升，動力性變強。同理由于增大噴孔直徑后燃油霧化效果得到改善，后期殘余油束較少，燃燒時產(chǎn)生的碳煙的濃度減小。

圖7 不同噴孔直徑的燃燒排放性能對比Fig.7 The contrast of combustion and emission performance under different nozzle diameters

3.3 噴射夾角對非常態(tài)燃油燃燒排放特性的影響

如圖 8（a）和圖 8（b）所示為不同噴射夾角的燃燒排放性能對比。可以看出，隨著噴射夾角的增大，缸內(nèi)壓力峰值增大，且后期排放碳煙的濃度減小，變化趨勢與噴孔直徑對燃燒排放性能的影響類似。由前文可知，噴射夾角的增大有利于增強孔內(nèi)的空化效應(yīng)，改善噴孔出口處的初始射流狀態(tài)，可以得到更好的燃油霧化效果，從而優(yōu)化了燃燒過程。但由于噴射夾角的改變受限于噴嘴的結(jié)構(gòu)形式，故其對燃燒排放性能的影響不像噴孔直徑那樣明顯。

圖8 不同噴射夾角的燃燒排放性能對比Fig.8 The contrast of combustion and emission performance under different injection angles

4 結(jié) 語

1）在超高壓噴射條件下當燃油的物性參數(shù)變化時，燃油在噴孔出口處具有良好的初始破碎狀態(tài)，在向前射流發(fā)展時霧化效果較好，促進了缸內(nèi)燃燒的充分進行，顯示出了較好的經(jīng)濟性和動力性。

2）當噴孔直徑增大時噴油速率變大，燃油與空氣之間的相互作用變得更加劇烈，油氣混合效果改善，提高了整機的燃燒排放性能。

3）隨著噴射夾角的增大，噴孔內(nèi)部空化效應(yīng)增強，燃油與空氣混合得更加均勻，促進了燃燒過程的高效進行。但由于噴射夾角的改變受限于噴嘴的結(jié)構(gòu)形式，故影響效果并不明顯。

[1]許建昌, 李孟良, 李錦, 等. 滿足歐Ⅳ/Ⅴ排放法規(guī)的柴油機排氣后處理技術(shù)[J]. 現(xiàn)代車用動力, 2006(2): 12–16.

[2]SU W H, LIU B, WANG H, et al. Effects of multi-injection mode on diesel homogeneous charge compression ignition combustion[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2006, 129(1): 230–238.

[3]唐開元, 歐陽光耀. 艦船大功率柴油機可控低溫高強度燃燒技術(shù)及其實現(xiàn)[J]. 柴油機, 2006, 28(S): 29–32, 43.

[4]張鵬順, 陸思聰. 彈性流體動力潤滑及其應(yīng)用[M]. 北京: 高等教育出版社, 1995.

[5]孔瓏. 工程流體力學(第 2 版)[M]. 北京: 水利電力出版社, 1992.

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[7]GRAZ. AVL-fire reference manual, version 8.5[EB/OL]. (2006-12)[2011-09-20]. http://www.avl.com.

[8]PAYRI R, GARCíA J M, SALVADOR F J, et al. Using spray momentum flux measurements to understand the influence of diesel nozzle geometry on spray characteristics[J]. Fuel, 2005, 84(5): 551–561.

Research on combustion and emission characteristics of non-normal fuel under super-high pressure injection condition

YANG Kun, OUYANG Guang-yao, AN Shi-jie, LIU Qi
(Navy University of Engineering, Academy of Power Engineering, Wuhan 430033, China)

In order to improve the combustion and emission performance of high power diesel engine, the super-high fuel injection pressure more than 180MPa was proposed. The three-dimensional geometric model including combustion chamber and intake duct was established. The dynamic grid division of the simulation model was completed on the FIRE software. The calculation results of the internal flow field of the nozzle were used as the boundary to simulate the combustion process. The effects of the physical parameters of fuel and nozzle parameters on the combustion and emission characteristics of diesel engine were analyzed. The results show that when the physical parameters change, the cavitation effect of nozzle is enhanced, which is helpful to the oil beam to obtain good initial broken state. The atomization effect is improved, and the combustion process in the cylinder become more fully; When the nozzle diameter increases, the initial turbulent kinetic energy increases, the range of fuel becomes larger. The fuel injection duration is shorter, and the later emission concentration is small; With the fuel injection angle increases, the fuel and air mixture in the cylinder becomes more uniform, and the combustion performance is further enhanced.

super-high pressure injection；combustion and emission characteristics；FIRE；non-normal fuel

TK421

A

1672 – 7619(2016)11 – 0080 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.11.016

2016 – 03 – 22；

2016 – 05 – 31

國家自然科學基金資助項目(51379212)；國家自然科學基金青年基金資助項目(51409254)

楊昆(1981 – )，男，副教授，研究方向為動力機械及熱力系統(tǒng)的設(shè)計、仿真與優(yōu)化。