王 龍，王憲成

(陸軍裝甲兵學院車輛工程系，北京 100072)

0 引言

柴油機在低溫低壓的高原環(huán)境下起動時，較低的燃油溫度導致噴射壓力、噴霧質(zhì)量和壓縮終了時的缸內(nèi)溫度都比較低[1]；加之缸內(nèi)吸入空氣質(zhì)量減少，較低的過量空氣系數(shù)導致燃燒惡化，因此高原環(huán)境下的起動過程發(fā)生失火現(xiàn)象的概率增加，甚至導致起動失敗[2,3]。因此，需要通過對燃油進行預熱，從而改善起動性能。

燃燒首循環(huán)指起動過程中缸內(nèi)開始燃燒的第一個循環(huán)，此時柴油機轉(zhuǎn)速低，缸內(nèi)壓力低，燃油霧化質(zhì)量差，可燃混合氣的形成困難；壁面溫度低，缸內(nèi)溫度分布不均勻，燃燒條件差，在此循環(huán)中極易發(fā)生不完全燃燒，甚至失火現(xiàn)象，對柴油機的起動性能有著重要影響[4]。本文通過模擬高原環(huán)境柴油機起動試驗確定燃燒首循環(huán)的轉(zhuǎn)速，據(jù)此建立缸內(nèi)噴霧燃燒三維模型，研究該轉(zhuǎn)速下燃油溫度對缸內(nèi)燃燒的影響。

1 試驗條件

在某型柴油發(fā)動機臺架上模擬高原環(huán)境(海拔3700m)下的起動過程試驗，測得的柴油機起動過程的轉(zhuǎn)速和缸壓，如圖1所示。為消除隨機誤差，起動過程試驗進行3次，測得燃燒首循環(huán)的平均轉(zhuǎn)速為164r/min。

圖1 柴油機高原起動過程

2 燃燒首循環(huán)模型的建立與驗證

2.1 模型建立

采用KH-ACT油滴破碎模型、Frossling蒸發(fā)模型、O’rourke碰撞模型、Dynamic Drag阻力模型、Wall Film碰壁模型和SAGE燃燒模型建立缸內(nèi)三維噴霧燃燒模型。由于燃燒室呈對稱狀，因此選取1/8部分作為計算區(qū)域，并通過自適應方法對該區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，基礎網(wǎng)格尺寸2mm，初始網(wǎng)格總數(shù)53082個，網(wǎng)格圖如圖2所示。仿真過程為進氣門關閉(-130°CA)至排氣門開啟(130°CA)。

圖2 燃燒幾何模型網(wǎng)格圖

2.2 模型驗證

對模型在海拔3700m條件下(氣壓67kPa，氣溫10℃)的性能進行驗證，分別選擇最大扭矩和最大功率2個外特性工況轉(zhuǎn)速對模型進行驗證，結(jié)果如圖3、圖4所示。其中最大扭矩點缸壓峰值誤差1.53%，相位誤差0.4°CA；最大功率點缸壓峰值誤差1.98%，相位誤差0.7°CA。結(jié)果表明模型的準確度較高，滿足計算精度的要求。

圖3 最大扭矩轉(zhuǎn)速的缸壓仿真與試驗值

圖4 最大功率轉(zhuǎn)速的缸壓仿真與試驗值

3 燃油溫度對熱負荷的影響

對燃燒首循環(huán)轉(zhuǎn)速下不同燃油溫度對缸內(nèi)燃燒性能進行仿真，油溫設置為273K～313K，活塞頂部、氣缸壁面和底部的初始溫度設置為323K。

圖5、圖6分別為燃油溫度對放熱率和缸內(nèi)平均溫度的影響。由圖可知，隨著油溫的升高，放熱率峰值和缸內(nèi)平均溫度峰值大幅升高，峰值相位均前移。較最低油溫相比，放熱率峰值分別升高了40.03%、154.04%、1114.25%、1493.16%和1761.64%，峰值相位分別提前了3.3°CA、7.9°CA、18.3°CA、20.9°CA和21.4°CA；缸內(nèi)平均溫度峰值分別升高了10.21%、23.29%、43.62%、51.38%和57.09%，峰值相位分別提前了5.5°CA、12.5°CA、24°CA、27.1°CA和27.8°CA。

圖5 燃油溫度對放熱率的影響

圖6 燃油溫度對缸內(nèi)平均溫度的影響

這是由于噴入燃燒室的燃油溫度升高，燃油粘度、密度和表面張力降低，因而缸內(nèi)噴射油束的霧化質(zhì)量提高，提高了缸內(nèi)燃油顆粒與空氣的混合速率，加快了可燃混合氣的形成，導致速燃期內(nèi)的燃燒速率增加，放熱率峰值增大，缸內(nèi)平均溫度也相應升高，且峰值相位前移。

4 結(jié)論

油溫升高后，放熱率峰值和缸內(nèi)平均溫度峰值升高，且峰值相位均前移，燃燒效果大幅提升，有助于柴油機的順利起動。