黃加亮，張飛飛，林 航，王奇?zhèn)?，?登，李品芳，黃朝霞

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.集美大學(xué)理學(xué)院，福建 廈門 361021；3.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021；4.哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

國(guó)內(nèi)外排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，船用發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放問(wèn)題日益突出，同時(shí)能源緊缺形勢(shì)愈發(fā)嚴(yán)峻，節(jié)能減排成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[1]。生物柴油作為可再生清潔能源，可以從原料上解決硫污染問(wèn)題，同時(shí)，生物柴油的含氧量有助于降低碳煙和CO排放，而且生物柴油可以和柴油任意比例混合而不需要添加助溶劑。但生物柴油的添加會(huì)導(dǎo)致NOx排放過(guò)高，南婧雯[2]利用GT-POWER軟件對(duì)不同比例生物柴油進(jìn)行仿真，研究發(fā)現(xiàn)，隨著生物柴油摻混比例的增加，NOx排放明顯上升。為解決這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[3]在摻燒生物柴油基礎(chǔ)上結(jié)合廢氣再循環(huán)(EGR)實(shí)現(xiàn)低溫燃燒效果，進(jìn)而達(dá)到降低NOx排放的目標(biāo)。但生物柴油比柴油具有更大的粘度和表面張力，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油霧化、油氣混合、燃燒性能及排放等方面與普通柴油機(jī)存在較大差異。隨著生物柴油摻混比的增加及低溫燃燒環(huán)境的實(shí)現(xiàn)，使得滯燃期延長(zhǎng)，燃油點(diǎn)火時(shí)刻滯后，在滯燃期累積的油氣質(zhì)量急劇增加，易造成爆燃現(xiàn)象，影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作[4]。因此合理解決生物柴油粘度和EGR率增加帶來(lái)的燃燒惡化問(wèn)題尤為關(guān)鍵。陳曉瑜[5]利用CONVERGE軟件在210柴油機(jī)臺(tái)架基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)了四種燃燒室，從而改善了柴油霧化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)改善柴油機(jī)性能的目的。本文在生物柴油摻混40%、EGR率12.5%的基礎(chǔ)上，對(duì)4190型船用柴油機(jī)進(jìn)行DS型燃燒室改造，同時(shí)對(duì)噴油提前角和噴孔直徑等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以解決生物柴油粘度過(guò)大和EGR率過(guò)高導(dǎo)致的燃燒惡化問(wèn)題。

1 模型建立及驗(yàn)證

1.1 燃燒室模型建立

本文以4190型船用中速柴油機(jī)為研究對(duì)象，利用CAD軟件繪制燃燒室上止點(diǎn)時(shí)刻1/2截面，如圖1所示。在保證壓縮終點(diǎn)燃燒室體積不變的基礎(chǔ)上進(jìn)行雙卷流改造[6]。圖2為不同燃燒室活塞上止點(diǎn)1/8計(jì)算模型，DS(double swirl)型燃燒室模型網(wǎng)格數(shù)為3391，比ω型燃燒室模型網(wǎng)格多101個(gè)，主要原因?yàn)閭?cè)燃燒室的增加導(dǎo)致網(wǎng)格劃分更加密集，進(jìn)而增加了網(wǎng)格的數(shù)量。為防止試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)排氣閥對(duì)燃燒室容積造成的影響，導(dǎo)致壓縮比的變化，因此，在模型設(shè)置中仍然選擇增加補(bǔ)償容積，以保證壓縮比不變。

1.2 模型選擇

湍流流動(dòng)模型選擇κ-ε雙方程模型。噴霧模型主要包括四個(gè)子模型：噴霧破碎模型選擇KH-RT模型；燃燒過(guò)程選擇適應(yīng)雙燃料不同蒸發(fā)速率的Multi-component蒸發(fā)模型；液滴碰壁模型選擇Walljet1模型；湍流擴(kuò)散模型選用Enable模型。

燃燒及排放模型中，著火模型選擇適合柴油機(jī)等壓縮燃燒的Shell自燃模型；NOx和CO選用擴(kuò)展的Zeldovich模型；碳煙選用Frolov Kinetic模型。

1.3 初始條件和關(guān)鍵參數(shù)

4190型柴油機(jī)基本參數(shù)如表1所示。邊界條件參數(shù)的設(shè)置參見文獻(xiàn)[7-8]。初始條件的設(shè)置中進(jìn)氣閥關(guān)閉時(shí)刻氣體壓力和溫度由原機(jī)得到。

表1 4190型柴油機(jī)基本性能、參數(shù)指標(biāo)

1.4 模型驗(yàn)證

在求解器設(shè)置中將生物柴油摻混比分別設(shè)置為0和20%，EGR率設(shè)置為0，將仿真結(jié)果與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。由圖3可知，缸內(nèi)平均壓力實(shí)驗(yàn)值與仿真值曲線基本保持一致，誤差范圍低于5%，可以進(jìn)行后續(xù)的仿真研究。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 湍動(dòng)能和速度場(chǎng)分析

噴油提前角分別為720°和730°時(shí),不同燃燒室對(duì)應(yīng)缸內(nèi)湍動(dòng)能分布如圖4所示。由圖4可知，在上720°和730°時(shí)刻，ω型燃燒室對(duì)應(yīng)湍動(dòng)能范圍和大小均小于DS型燃燒室對(duì)應(yīng)湍動(dòng)能，DS型燃燒室形狀更有利于渦流數(shù)的增加，燃油傳播速度更快，油氣混合能力增強(qiáng)，有助于提高生物柴油的霧化效果，降低因粘度增加而產(chǎn)生的不利影響。

不同燃燒室在噴油提前角為720°和730°的缸內(nèi)速度場(chǎng)分布切片如圖5所示。從圖5可以看出，在上止點(diǎn)，ω型燃燒室對(duì)應(yīng)速度場(chǎng)分布范圍僅局限于燃油噴射區(qū)域，燃油和空氣分界線較為明顯，而DS型燃燒室速度場(chǎng)向整個(gè)燃燒室范圍擴(kuò)展。隨著曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，噴油提前角為730°時(shí)，ω型燃燒室對(duì)應(yīng)速度場(chǎng)擴(kuò)展范圍仍然較小，主要向燃燒室凹坑及氣缸蓋狹窄區(qū)域延伸；而DS型燃燒室能產(chǎn)生較強(qiáng)的分流和逆擠流效果[9]，速度場(chǎng)已延伸至整個(gè)燃燒室，從而改善燃油霧化和燃燒性能。

2.2 燃燒性能分析

不同燃燒室形狀對(duì)缸內(nèi)壓力和放熱率的影響如圖6所示。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，DS燃燒室所對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)整體壓力和峰值大于ω型燃燒室，峰值放熱率相較于ω型燃燒室有所降低，且點(diǎn)火時(shí)刻提前。在相同曲軸轉(zhuǎn)角條件下，DS型燃燒室對(duì)應(yīng)的湍動(dòng)能和速度場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ω型燃燒室，較大的油霧湍動(dòng)能和速度場(chǎng)有助于打破因生物柴油粘度過(guò)大導(dǎo)致的吸附力的平衡，提高油氣混合程度，減少滯燃期油氣預(yù)混時(shí)間，使得著火時(shí)刻提前，滯燃期的縮短會(huì)減少著火前油氣混合質(zhì)量，延緩放熱速度，降低放熱率，有助于缸內(nèi)燃燒過(guò)程的平穩(wěn)進(jìn)行。

2.3 動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性分析

不同燃燒室形狀對(duì)平均指示壓力和指示功率的影響如圖7所示。其中：A代表原機(jī)；B代表ω型燃燒室；C代表DS型燃燒室。從圖7可以看出，燃燒室形狀對(duì)平均指示壓力和指示功率影響趨勢(shì)相同，DS型燃燒室對(duì)應(yīng)平均指示壓力比ω型燃燒室高8.33%，對(duì)應(yīng)平均指示功率比ω型燃燒室增加7.37%。DS型燃燒室通過(guò)對(duì)油束的部分分流作用，促進(jìn)湍動(dòng)能的增加，提高油氣預(yù)混合效果，有助于燃料的充分燃燒，提高平均指示壓力，有助于發(fā)動(dòng)機(jī)做功能力的增強(qiáng)，提高指示功率。不同燃燒室形狀對(duì)指示燃油消耗率的影響如圖8所示。隨著燃燒室形狀的改變，DS型燃燒室對(duì)應(yīng)的燃油消耗率比ω型燃燒室降低2.01%，DS型燃燒室在提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的同時(shí)，降低了油耗，經(jīng)濟(jì)性能獲得增強(qiáng)。

2.4 排放性能分析

2.4.1 NO排放

燃燒室形狀對(duì)缸內(nèi)NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響曲線圖如圖9所示。噴油提前角為730°時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)燃燒室切片圖如圖10所示。從圖9可以看出，DS型燃燒室對(duì)應(yīng)NO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)比ω型燃燒室高7.56%，雖然明顯大于ω型燃燒室，但僅占原機(jī)NO排放的18.57%。DS型燃燒室加速了油氣的充分混合，NO生成濃度過(guò)高區(qū)域明顯減少，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍然在增加，生成區(qū)域與ω型燃燒室相似，主要集中在油束附近，究其原因?yàn)椋簢娪吞崆敖菫?30°時(shí)，噴油仍未結(jié)束，火焰尚未擴(kuò)散到整個(gè)燃燒室，此時(shí)油束附近溫度最高，生成NO濃度最大，高溫導(dǎo)致DS型燃燒室溫度更高，造成NO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體高于ω型燃燒室。

2.4.2 Soot排放

燃燒室形狀對(duì)缸內(nèi)Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響如圖11所示。DS型燃燒室對(duì)應(yīng)的Soot生成峰值高于ω型燃燒室，但排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)與ω型燃燒室相差不大。

從圖12可以看出，與NO生成區(qū)域相似，Soot主要在油束附近前段生成，在此區(qū)域油霧混合最早，燃燒起始時(shí)刻比其他區(qū)域提前，溫度普遍較高，同時(shí)氧氣濃度最低，有助于Soot的生成。而DS型燃燒室由于湍動(dòng)能較大，Soot生成區(qū)域平均氧濃度較大，Soot生成區(qū)域也比較寬泛，因此生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)略低于ω型燃燒室。

2.4.3 CO排放

燃燒室形狀對(duì)缸內(nèi)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響如圖13所示。從圖13可以看出，DS型燃燒室CO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)與ω型燃燒室相比幾乎不變。

從圖14可以看出，DS型燃燒室CO生成范圍較ω型燃燒室更加廣泛，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)更低。DS型燃燒室CO生成區(qū)域主要集中在氣缸蓋下端、燃燒室底部及氣缸套與氣缸蓋縫隙處，在燃燒初期由于DS型燃燒室速度場(chǎng)范圍增加，在活塞邊緣、氣缸蓋夾縫等溫度較低，以及氧氣濃度較低區(qū)域，有助于CO的生成；ω型燃燒室由于湍動(dòng)能較小，整個(gè)燃燒室底部油霧較高，氧氣濃度極低，CO濃度較大，因此DS型燃燒室有助于降低CO生成。

2.5 噴油提前角、噴孔直徑優(yōu)化

為保證研究的可靠性，本文在生物柴油摻混比40%、EGR率12.5%、DS型燃燒室，其他條件不變的條件下，分別設(shè)置噴油提前角(φ)為16.6°、18.6°、20.6°、22.6°，以及噴孔直徑(D)為0.26、0.28、0.30、0.32 mm四組變量，以指示功率和NO排放為決策目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化分析。柴油機(jī)在額定工況下動(dòng)力性及其排放性能參數(shù)仿真計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 額定工況下不同噴油提前角及不同噴孔直徑的計(jì)算結(jié)果

由表2可知，在噴孔直徑不變的條件下，隨著噴油提前角的增大，燃油著火時(shí)刻隨即前移，在上止點(diǎn)前期間噴油量增加，缸內(nèi)溫度也逐漸增大，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性明顯提高，同時(shí)對(duì)應(yīng)的NO排放也隨之上升。這是因?yàn)閲娪吞崆敖窃黾樱蜌忸A(yù)混合充分，形成了更多高溫富氧區(qū)域，同時(shí)富氧環(huán)境持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，放熱率升高，缸內(nèi)溫度曲線上升，為NO生成提供了高溫富氧環(huán)境，NO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，但是噴油過(guò)早會(huì)引起燃燒粗暴，所以噴油時(shí)刻的選取不超過(guò)23°。在噴油提前角不變的條件下，隨著噴孔直徑的減小，指示功率和NO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，噴孔直徑的減小增加了燃油的擴(kuò)散直徑，油霧直徑減小，有助于燃油的霧化、擴(kuò)散和燃燒，因此動(dòng)力性能獲得提高，隨著噴孔直徑的減小，缸內(nèi)溫度和平均壓力逐漸升高，油束錐角增大，溫度上升，高溫環(huán)境有助于NO的生成，NO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。但在噴孔直徑為0.26 mm時(shí)，指示功率增加趨勢(shì)趨于平緩，為了維持噴油量的恒定，需要增加噴油壓力，這樣就會(huì)增加燃油系統(tǒng)的機(jī)械負(fù)荷，因此噴孔直徑不宜設(shè)置過(guò)小。

綜上可知，選取噴油前角20.6°，噴孔直徑0.28 mm時(shí)，DS型燃燒室指示功率為51.3 kW，比ω型燃燒室升高5.78%，占原機(jī)指示功率的93.27%；NO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)比ω型燃燒室升高7.38%，占原機(jī)18.17%。

3 結(jié)論

本文構(gòu)建了生物柴油-柴油雙燃料高壓循環(huán)仿真模型，在B40、EGR12.5%組合基礎(chǔ)上，研究DS型燃燒室對(duì)雙燃料燃燒、性能和排放的影響，并在雙卷流模型基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整噴油提前角和噴孔直徑對(duì)DS型燃燒室進(jìn)行優(yōu)化匹配，結(jié)果如下。1)通過(guò)對(duì)ω型燃燒室進(jìn)行雙卷流改造，燃燒室內(nèi)湍動(dòng)能和速度場(chǎng)的范圍和強(qiáng)度得到有效增強(qiáng)，有利于油氣的混合，著火時(shí)刻提前，燃燒過(guò)程更加均勻，同時(shí)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性得到有效提高，DS型燃燒室對(duì)應(yīng)平均指示壓力比ω型燃燒室升高8.33%，對(duì)應(yīng)平均指示功率比ω型燃燒室增加7.37%，但溫度的升高導(dǎo)致NO排放增加，Soot和CO排放略有降低，DS型燃燒室對(duì)應(yīng)的燃油消耗率比ω型燃燒室降低2.01%。2)適當(dāng)增加噴油提前角能有效改善生物柴油霧化，減少滯燃期油氣質(zhì)量，降低急燃期放熱率，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性獲得提高，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)NO排放明顯升高。3)適當(dāng)減小噴孔直徑，燃油噴霧錐角增大，有助于改善燃油霧化，油霧分子直徑減小，油氣混合更加充分，燃燒更加充分，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性得到提升，同時(shí)溫度的升高提高了NO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)。