何 平，阮浩達(dá)，梅加化，王叢洋，李趙洋

(1.安徽建筑大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院學(xué)院，合肥 230601，中國(guó)；2.安徽建筑大學(xué) 建筑機(jī)械故障診斷與預(yù)警技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230601，中國(guó)；3.中船動(dòng)力研究院有限公司 研究開(kāi)發(fā)部，上海 200120，中國(guó))

在節(jié)能和排放要求越來(lái)越嚴(yán)格的要求下，針對(duì)先進(jìn)燃油系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研究顯得十分必要和迫切[1-3]。重油、天然氣雙燃料系統(tǒng)是滿足最新柴油機(jī)排放和節(jié)能要求的主要方式之一[4-5]。噴油器針閥是柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的重要部件之一，屬于易損件，其耐久性、可靠性直接影響柴油機(jī)的整體性能[6]。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程以及其噴油器的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了廣泛研究。文獻(xiàn)[7]采用一個(gè)定制版的KIVA-3V計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)程序，在柴油和天然氣2種燃料模式下，分析了4缸2.8 L渦輪增壓高速柴油機(jī)的燃燒過(guò)程。文獻(xiàn)[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析了冷卻液噴射器結(jié)構(gòu)對(duì)火箭噴管擴(kuò)張段整體氣膜冷卻性能的影響，研究了2種不同噴油器結(jié)構(gòu)對(duì)火箭噴管氣膜冷卻的影響。文獻(xiàn)[9]通過(guò)試驗(yàn)研究了未經(jīng)改裝的雙燃料小型發(fā)動(dòng)機(jī)在中間負(fù)載工況下的運(yùn)行過(guò)程。

文獻(xiàn)[10]試驗(yàn)研究了不同點(diǎn)火模式對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒、排放特性的影響。文獻(xiàn)[11]對(duì)直接注入天然氣、柴油燃料的重型發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程和排放進(jìn)行了試驗(yàn)，獲得最佳的放熱率和排放等參數(shù)值，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了三維驗(yàn)證。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于空化特性的三維空化誘導(dǎo)的初級(jí)破裂方法，對(duì)單孔噴油器噴嘴內(nèi)瞬態(tài)空化特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)不同最大提針值、注射壓力和環(huán)境壓力工況下的內(nèi)空化流動(dòng)特征進(jìn)行了研究。

文獻(xiàn)[13]研究了柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油參數(shù)與燃燒室形狀的優(yōu)化組合，降低了燃油消耗與污染排放。文獻(xiàn)[14]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computer fluent dynamic, CFD)技術(shù)與穩(wěn)流試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)渦流室式柴油機(jī)的無(wú)旋流進(jìn)/排氣道、消聲器等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[15]在一臺(tái)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上開(kāi)展了反應(yīng)控制壓燃(reactivity controlled compression ignition, RCCI )燃油分層和燃燒過(guò)程的可視化研究，利用高速成像技術(shù)獲取了RCCI燃燒工況下缸內(nèi)火焰自發(fā)光圖像。文獻(xiàn)[16]建立了包含燃料油系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)、引燃油系統(tǒng)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)整體燃油系統(tǒng)模型，針對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的特性，對(duì)傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行改進(jìn)。

文獻(xiàn)[17]通過(guò)建立多場(chǎng)耦合及針閥動(dòng)力學(xué)模型，分析了缸內(nèi)直噴(gasoline direct injection, GDI) 噴油器溫度場(chǎng)的分布特點(diǎn)及溫升、針閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)GDI噴油器性能的影響。文獻(xiàn)[18]結(jié)合數(shù)值模擬與試驗(yàn)對(duì)噴油嘴微孔的磨粒流拋光工藝進(jìn)行了研究，并研究了加工過(guò)程磨料流場(chǎng)分布規(guī)律及相關(guān)工藝參數(shù)對(duì)拋光后微孔表面粗糙度的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[19]提出基于單向流固耦合的仿真方法，對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式得出的對(duì)流換熱系數(shù)、溫度進(jìn)行修正并反饋給原模型進(jìn)行迭代計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油器更加精確的溫度場(chǎng)分析。文獻(xiàn)[20]對(duì)增壓中冷柴油機(jī)改造的柴油引燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了不同引燃油量下的燃燒特性的研究，為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒參數(shù)優(yōu)化匹配提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

本文以某型號(hào)中速微噴引燃型雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器為例，基于標(biāo)準(zhǔn)k—e湍流模型，對(duì)重油和燃?xì)饽Ｊ较碌膰娪推麽橀y體的溫度場(chǎng)分別進(jìn)行CFD數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，確定較優(yōu)的冷卻方案，從而保證雙燃料柴油機(jī)噴油器的可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命。

1 噴油嘴傳熱特性分析

中速微噴引燃型雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是適應(yīng)柴油和天然氣雙燃料特性的發(fā)動(dòng)機(jī)。該型發(fā)動(dòng)機(jī)可采用柴油和燃?xì)?種工作模式，如圖1所示。采用進(jìn)氣歧管噴射天然氣，缸內(nèi)采用高壓共軌式微引燃噴油器噴射少量引燃柴油（熱值占比在5%以內(nèi))；而如果關(guān)閉天然氣進(jìn)氣，即采用柴油工作模式，則缸內(nèi)采用主噴油器引燃柴油。

中速微噴引燃雙燃料四沖程直列增壓中冷發(fā)動(dòng)機(jī)，六缸四氣閥，燃料形式：天然氣、柴油、重油，應(yīng)用目標(biāo)：船舶主機(jī)，排放目標(biāo)：國(guó)際海事組織 (International Maritime Organization，IMO) 規(guī)定的氮氧化合物Tier III標(biāo)準(zhǔn) (天然氣工作模式)，IMO規(guī)定的氮氧化合物Tier II標(biāo)準(zhǔn)(柴油)。其他基本參數(shù)如表1所示。

表1 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

中速柴油機(jī)的噴油器通常有：水冷、燃油冷卻和滑油冷卻等3種冷卻方式。水冷的冷卻效果好，但是容易產(chǎn)生氣蝕，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響較大；燃油冷卻的冷卻效果較好，但燃油一旦泄露，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)滑油污染，為此需要設(shè)計(jì)一套額外的加壓、加熱裝置，使發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)較高，因此燃油冷卻使用較少；滑油系統(tǒng)是大功率柴油機(jī)重要的系統(tǒng)之一，滑油冷卻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)上的所有軸承、缸套、活塞、增壓器等等進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，遍布于發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)結(jié)構(gòu)的各個(gè)位置。綜合安全與成本角度考慮，采用發(fā)動(dòng)機(jī)本身的系統(tǒng)滑油進(jìn)行冷卻，是目前國(guó)外先進(jìn)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的主要冷卻方式。但由于系統(tǒng)滑油溫度較高，滑油本身粘度大，相對(duì)于水冷和燃油冷卻，其冷卻效果并不高，因此，有必要通過(guò)仿真計(jì)算確定冷卻滑油能否滿足對(duì)噴油器的冷卻要求，以及確定最優(yōu)的冷卻方案。

根據(jù)噴油嘴傳熱特點(diǎn)、燃油噴射油道結(jié)構(gòu)和冷卻散熱要求[21]，主要探究噴油嘴的關(guān)鍵受熱部件針閥體的溫度場(chǎng)變化規(guī)律，繪制針閥偶件及其冷卻流道的三維模型如圖2所示。由于針閥體下部為熱負(fù)荷較高的區(qū)域，計(jì)算模型主要包括下部固體區(qū)域、冷卻流道區(qū)域和環(huán)形燃油噴射區(qū)域，取1/2模型進(jìn)行傳熱分析。

針閥體傳熱界面如圖3所示，針閥體頭部區(qū)域（A區(qū))從氣缸高溫燃?xì)庵型ㄟ^(guò)熱對(duì)流和熱輻射的方式吸收熱量，并將熱量通過(guò)其余的外表面向氣缸蓋和噴油器體導(dǎo)熱；在針閥體內(nèi)部有兩個(gè)流道，分別與冷卻介質(zhì)（C區(qū))和噴射燃油（D區(qū))之間通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流換熱。

采用CFD進(jìn)行針閥體傳熱過(guò)程的分析計(jì)算，計(jì)算在重油和燃?xì)饽Ｊ较箩橀y體的溫度場(chǎng)分布情況。計(jì)算不同溫度下以滑油為冷卻介質(zhì)時(shí)的冷卻滑油流量、進(jìn)出口溫差等冷卻性能參數(shù)。

2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

2.1 計(jì)算網(wǎng)格

對(duì)三維模型剖分，用1/2模型做CFD分析。整個(gè)模型包括冷卻流體、燃油以及固體等3個(gè)區(qū)域，均采用多面體網(wǎng)格劃分。設(shè)置基準(zhǔn)網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，對(duì)噴油孔等特征較小的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。邊界層為3層。模型網(wǎng)格總數(shù)約為1 728 880個(gè)，如圖4所示。

2.2 計(jì)算網(wǎng)格

計(jì)算針閥體、燃油的材料屬性采用重慶某企業(yè)提供的實(shí)際數(shù)據(jù)。冷卻滑油采用SAE40級(jí)潤(rùn)滑油，針閥體材料采用GH4080A奧氏體合金鋼，燃油采用重油(heavy fuel oil, HFO)。

2.3 邊界條件和計(jì)算方法

針閥體在工作過(guò)程中將發(fā)生接觸導(dǎo)熱和強(qiáng)制對(duì)流換熱兩種傳熱方式[11]。根據(jù)傳熱學(xué)理論，分析考慮了流體與固體之間的共軛傳熱效應(yīng)，其傳熱邊界條件由式（1)確定[12]。

式中： αm表示每一個(gè)工作循環(huán)燃?xì)獾钠骄鶕Q熱系數(shù)， α表示燃?xì)獾乃矔r(shí)換熱系數(shù)， Τres表示每一個(gè)工作循環(huán)燃?xì)獾木C合平均溫度， Τ表示燃?xì)獾乃矔r(shí)溫度。

數(shù)值模擬采用CFD軟件，采用穩(wěn)態(tài)分析計(jì)算針閥體接觸導(dǎo)熱過(guò)程；對(duì)流換熱的界面采用壁面函數(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型計(jì)算k—ε強(qiáng)制對(duì)流換熱過(guò)程[22]。采用耦合迭代算法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，使用二階及以上的離散格式保證求解精度。數(shù)值模型傳熱邊界如圖5所示。

針閥體頭部表面與高溫燃?xì)鈱?duì)流換熱，燃?xì)馄骄鶞囟?69.1 K，平均換熱系數(shù)915.6 W/(m2·K)。重油和天然氣模式的計(jì)算都采用這一邊界條件。針閥體與氣缸蓋接觸的表面換熱系數(shù)690 W/(m2·K)，冷卻水溫度357.15 K。冷卻滑油入口溫度分別為65、80、100 ℃，入口壓力0.5 MPa，出口壓力0.15 MPa。燃油入口溫度150 ℃，燃油入口流速取整個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的平均速度1.167 m/s。針閥體其他部分的壁面邊界設(shè)置為恒定溫度，針閥體上壁面邊界溫度433 K，針閥體內(nèi)壁面邊界溫度428 K。

3 仿真計(jì)算結(jié)果分析

3.1 重油和燃?xì)?種模式下的計(jì)算結(jié)果

利用計(jì)算模型，以上述噴油嘴針閥體等零件材料屬性為參考，對(duì)重油和燃?xì)?種模式下冷卻滑油入口溫度不同的3種冷卻方案進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖6與圖7分別是當(dāng)冷卻滑油入口溫度分別為65、80、100 ℃時(shí)，重油和燃?xì)?種模式下的針閥體溫度場(chǎng)分布圖。2種模式下的3種不同冷卻方案的模擬計(jì)算結(jié)果，如表2所示。其中：θin表示冷卻滑油入口溫度，Tmax表示針閥體最高溫度，Tav表示針閥體底部平均溫度，Qcl表示冷卻滑油流量，ΔT表示冷卻滑油進(jìn)出口溫差，Qd表示冷卻滑油帶走的熱量。

表2 2種燃料工作模式的冷卻方案計(jì)算結(jié)果

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

無(wú)論是在重油工作模式還是在燃?xì)夤ぷ髂Ｊ较?，隨著冷卻滑油入口溫度的增加，針閥體頭部最高溫度和底面平均溫度不斷減??；當(dāng)入口溫度增加到80 ℃之后，出現(xiàn)所謂的“同增”現(xiàn)象，即針閥體溫度隨冷卻滑油入口溫度的增加而增加。

針閥體工作模式對(duì)冷卻滑油流量的影響較小，而滑油流量隨著其入口溫度的增加而逐漸提高。

燃?xì)夤ぷ髂Ｊ綍r(shí)， 3種冷卻方案的針閥體底部平均溫度相比重油模式的溫度分別增加了25.9、24.7、24.2 K；相對(duì)而言，3種冷卻方案的針閥體頭部溫度相比重油模式的溫度有明顯增加，分別增加了106.3、104.3、104.8 K，而針閥體頭部溫度范圍內(nèi)不會(huì)對(duì)針閥體材料滲氮層產(chǎn)生影響。

隨著冷卻滑油入口溫度的增加，冷卻滑油進(jìn)出口溫差和帶走的熱量都是減小的。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)規(guī)程，單臺(tái)中速機(jī)試驗(yàn)過(guò)程流量為20～1 300 m3/h，中速機(jī)控制閥組前天然氣壓力要求0.67～0.73 MPa，滑油采用SAE40級(jí)潤(rùn)滑油，總耗氣量為600～8 000 m3。天然氣供氣系統(tǒng)是由市政中壓管道天然氣作為氣源，經(jīng)調(diào)壓計(jì)量后輸送至臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)微噴噴油器噴射的柴油壓燃引燃天然氣。

針閥體頭部溫度過(guò)高容易引發(fā)針閥偶件回火，降低其硬度，促使噴孔處、座面的磨損加劇，從而使座面滴油產(chǎn)生失效。另外，溫度過(guò)高容易加劇噴孔積碳堵塞而致使其霧化不良，或是導(dǎo)致針閥卡死，所以針閥體頭部溫度是影響針閥使用壽命的主要因素之一。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不同于常規(guī)柴油機(jī)，主要工作模式是燃?xì)饽Ｊ?，此工作模式下主噴油器不工作，即不噴射燃油，而噴射燃油本身就可以?duì)噴油器進(jìn)行冷卻，因此不噴射燃油時(shí)針閥體熱負(fù)荷較大，需要采用專門(mén)的外部強(qiáng)制冷卻，本試驗(yàn)中即采用滑油冷卻模式，滑油入口溫度控制在60～100 ℃。

樣機(jī)試驗(yàn)使用了噴油器總成6套，使用過(guò)的噴油器外觀情況整體良好，但與未使用過(guò)的噴油器相比，針閥體外圓積碳情況較嚴(yán)重，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)處于樣機(jī)試驗(yàn)階段，性能優(yōu)化過(guò)程中難免會(huì)有燃燒不好的情況。試驗(yàn)后的6套噴油器總成的開(kāi)啟壓力均滿足設(shè)計(jì)值(45±1) MPa，霧化及開(kāi)啟壓力試驗(yàn)合格。拆解噴油器總成后，當(dāng)冷卻滑油入口溫度在60～100 ℃，2個(gè)控制極限點(diǎn)附近進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，針閥偶件的外觀情況最差，尤其靠近微噴一端積碳較嚴(yán)重，拋光針閥體外圓積碳后，噴嘴雖有積碳，但未出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。通過(guò)檢測(cè)，針閥體密封錐面未出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，針閥體小外圓錐面的表面維氏硬度HV1 = 750～950，針閥偶件的流量為4.71～4.91 mL/min。

試驗(yàn)結(jié)果表明，噴油器樣機(jī)試驗(yàn)后整體情況良好，雖然出現(xiàn)了一定程度的積碳嚴(yán)重情況，但是這屬于新發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化過(guò)程中的正常情況。復(fù)檢各缸噴油器總成后，噴油器各方面性能良好，未有任何受損情況。在設(shè)定不同冷卻滑油入口溫度的樣機(jī)調(diào)試過(guò)程中，雖然出現(xiàn)燃燒不良情況，但冷卻滑油對(duì)噴油器的冷卻效果仍能滿足要求，沒(méi)有出現(xiàn)針閥偶件的燒蝕或者損壞現(xiàn)象。這說(shuō)明使用系統(tǒng)冷卻滑油對(duì)微噴引燃雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器進(jìn)行冷卻，滿足冷卻設(shè)計(jì)要求，同時(shí)驗(yàn)證了冷卻滑油入口溫度在80 ℃附近時(shí)，針閥偶件的外觀情況相對(duì)較好，也即是冷卻效果較優(yōu)。

5 結(jié) 論

采用CFD對(duì)中速微噴引燃型雙燃料噴油器針閥體傳熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)重油和燃?xì)?2種工作模式下針閥體的冷卻方案進(jìn)行了對(duì)比分析。獲得了針閥體在不同冷卻方案條件下的溫度場(chǎng)分布圖。針閥體頭部溫度雖然有明顯差異，而頭部最高溫度均不會(huì)對(duì)針閥體材料滲氮層產(chǎn)生影響，在冷卻滑油入口溫度分別為65、80、100 ℃ 3種冷卻方案下，均能滿足設(shè)計(jì)要求。

滑油入口溫度不同時(shí)，冷卻性能有明顯差異。這是因?yàn)楫?dāng)滑油入口溫度較高時(shí)，與針閥體的溫差小，導(dǎo)致冷卻性能降低；而當(dāng)滑油入口溫度低時(shí)，其粘性指數(shù)增加，導(dǎo)致其流動(dòng)困難，也會(huì)導(dǎo)致冷卻性能降低。冷卻滑油入口溫度增加到一定程度后，對(duì)噴油器針閥冷卻效果影響由增強(qiáng)變成減弱。當(dāng)冷卻滑油入口溫度為80 ℃時(shí)，冷卻效果最優(yōu)。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致，針閥體頭部溫度最高不超過(guò)363.5 ℃，優(yōu)化后的冷卻方案能夠保證雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器的可靠性和使用壽命，試驗(yàn)驗(yàn)證了本研究利用CFD 模擬的合理性與準(zhǔn)確性。研究結(jié)果可為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻介質(zhì)的參數(shù)確定提供指導(dǎo)依據(jù)。