韓 愷，劉超凡，魏石磊，梁永森

（1.北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.北京理工大學(xué) 重慶創(chuàng)新中心，重慶 401133；3.中國北方發(fā)動機研究所，天津 300400）

0 概述

內(nèi)燃機活塞嚴重燒蝕會影響到整機的安全運行［1］?；钊麄?cè)面燒蝕可能是由活塞與氣缸間隙柴油在近壁面處燃燒所導(dǎo)致［2］。目前很多光學(xué)診斷研究中測量了近壁面附近的流動與燃燒。文獻［3］中通過平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)研究了火焰壁面之間的相互作用對局部放熱率及燃燒火焰結(jié)構(gòu)的影響。文獻［4］中研究了定容燃燒彈內(nèi)不同撞壁距離、噴射壓力、環(huán)境溫度、環(huán)境壓力對近壁面區(qū)域柴油噴霧特性的影響。文獻［5］中研究了壁面高度及溫度對T20 燃料燃燒時近壁面區(qū)域火焰溫度場和甲醛分布的影響。

對于活塞側(cè)面燒蝕，由于活塞側(cè)面與缸套之間的間隙通常小于1 mm，在該尺寸間隙內(nèi)燃燒屬于微尺度狹縫燃燒［6］，而目前微尺度燃燒的研究多針對氫氣、甲烷等氣體燃料。文獻［7］中通過數(shù)值計算對平板型燃燒室內(nèi)氫氣與空氣的混合燃燒特性進行了研究；文獻［8］中構(gòu)建了二維計算流體動力學(xué)模型對甲烷-空氣混合物和丙烷-空氣混合物燃燒過程中的熱傳遞和質(zhì)量傳遞進行了分析。為了研究微尺度狹縫內(nèi)柴油燃燒過程，擬采用類似定容燃燒彈的孤立系統(tǒng)展開相關(guān)研究。該尺寸的狹縫燃燒較難通過試驗實現(xiàn)，因此構(gòu)建柴油微尺度狹縫燃燒模型研究狹縫柴油燃燒的參數(shù)影響規(guī)律可為后續(xù)試驗提供理論指導(dǎo)。

1 化學(xué)反應(yīng)機理構(gòu)建

針對某柴油機在低溫環(huán)境工作時活塞頂部和活塞側(cè)面發(fā)生的燒蝕現(xiàn)象（如圖1 所示），通過構(gòu)建正庚烷簡化機理耦合CONVERGE 三維燃燒室模型，建立柴油微尺度燃燒模型，建模思路如圖2 所示。正庚烷十六烷值與柴油接近，是柴油常用的替代燃料［9］，其化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)詳細機理研究非常豐富且經(jīng)過反復(fù)驗證。本文中采用勞倫斯國家重點實驗室提出并于2013年更新的正庚烷詳細機理［10］，該機理適用范圍為：初始壓力為0.30 MPa～5.0 MPa，溫度為650 K～1 200 K，當量比為0.3～1.0?？紤]各簡化方法的優(yōu)點［11-12］，先后使用考慮誤差傳遞的直接關(guān)系圖（direct relation graph with error propagation，DRGEP）法與奇異攝動（computational singular perturbation，CSP）法進行機理簡化。

圖1 活塞側(cè)面燒蝕現(xiàn)象

圖2 柴油微尺度燃燒模型建模思路

1.1 DRGEP 簡化過程與結(jié)果分析

首先利用ReaxRed 程序在定壓條件下通過考慮誤差傳遞的直接關(guān)系圖法對詳細機理進行簡化，簡化的邊界條件如表1 所示，簡化結(jié)果見圖3。

表1 DRGEP 簡化邊界條件

圖3 中，最大相對點火誤差和平均相對點火誤差分別為9 個工況點的點火誤差的最大值和平均值。由圖3 可知，基元反應(yīng)數(shù)量隨著閾值增加近似線性減少。在閾值小于等于0.017 時，最大相對點火誤差和平均相對點火誤差均在30% 以內(nèi)；在閾值為0.018 時，最大相對點火誤差迅速增加至53%，平均相對點火誤差也急劇上升。

圖3 基元反應(yīng)數(shù)量與相對點火誤差隨閾值的變化

不同工況的點火誤差如圖4 所示。結(jié)合表1 可知，在0.017 閾值的相對點火誤差結(jié)果中，壓力和溫度的影響規(guī)律都不明顯。即簡化機理的相對誤差與工況的壓力、溫度無關(guān)，無法定向優(yōu)化簡化機理文件從而減少相對誤差，不能繼續(xù)用DRGEP 法簡化該機理。

圖4 閾值為0.017 時的不同壓力下的相對點火誤差

閾值為0.017 時，包含了160 個物種和740 個基元反應(yīng)的簡化機理（中間簡化機理）與詳細機理的最大相對點火誤差為10.23%，平均相對點火誤差為5.37%，滿足簡化原則，可以作為下一步使用的機理。

1.2 CSP 簡化過程及結(jié)果分析

對于直接關(guān)系圖法的簡化結(jié)果，可通過CSP 進行進一步簡化，以得到基元反應(yīng)數(shù)量更少的簡化機理。CSP 的簡化邊界條件如表2 所示。

表2 CSP 簡化邊界條件

通過CSP 法簡化的基元反應(yīng)數(shù)量及相對誤差結(jié)果見圖5。在閾值為0.076 時最大點火誤差與平均點火誤差均小于10%；但在閾值為0.077 時，最大相對點火誤差上升至約26%。因此最終選擇了閾值為0.076 時CSP 簡化的機理。

圖5 CSP 簡化后的基元反應(yīng)數(shù)量和相對誤差

1.3 簡化機理與詳細機理誤差對比

詳細機理在簡化過程中關(guān)鍵參數(shù)如表3 所示?；贑HEMKIN 軟件分別對正庚烷的詳細機理與經(jīng)過兩次簡化所得到的160 個物種和492 個基元反應(yīng)簡化機理（最終簡化機理）進行驗證，計算不同條件下的著火延遲期，設(shè)置的邊界條件如表4 所示。

表3 簡化過程關(guān)鍵參數(shù)

表4 最終簡化機理驗證邊界條件

定義α=1 000/T，其中T為溫度。圖6 為初始壓力為0.4 MPa、0.7 MPa、1.0 MPa 時，不同溫度下正庚烷詳細機理與最終簡化機理的著火延遲期的對比。由圖6 可知，在高溫階段（α＜1 K-1）最終簡化機理的著火延遲期誤差較??；在低溫階段，最終簡化機理的著火延遲期存在一定偏差，最大相對點火誤差為21.12%，滿足最大著火誤差低于30% 的簡化要求［13］，可以用于后續(xù)仿真計算。

圖6 最終簡化機理與詳細機理結(jié)果對比

2 數(shù)值計算模型

2.1 燃燒室模型

在柴油機低溫環(huán)境下冷起動過程中，柴油蒸發(fā)效果差，部分柴油附著在缸套和活塞頂部形成附壁油膜，少量附壁油膜落入活塞與氣缸的間隙［14］。圖7 為附壁油膜空間分布示意圖。將圖7 的局部細節(jié)展開可以得到狹縫空間結(jié)構(gòu)示意圖，如圖8 所示?；钊麄?cè)壁面的柴油受慣性、重力及毛細作用力作用，形成如圖8 所示的附壁油膜。

圖7 附壁油膜空間分布示意圖

圖8 狹縫空間結(jié)構(gòu)示意圖

本研究中的燃燒場所是活塞與氣缸的間隙狹縫，活塞與氣缸間隙從空間來看是一個環(huán)狀空間。為減小計算量，取環(huán)狀空間的1/8 進行計算，且燃燒室外緣弧形曲率較小，可進一步將弧線轉(zhuǎn)化為直線，最終得到長方體燃燒室，簡化過程如圖9 所示。圖中L為1/8 燃燒室簡化長度。

圖9 燃燒室簡化過程

根據(jù)經(jīng)驗，活塞間隙取1 mm，第一道氣環(huán)到活塞頂面高度為10 mm，即燃燒室高10 mm，L通過附壁油膜質(zhì)量和厚度計算得到，微尺度狹縫燃燒室尺寸如圖10 所示。

圖10 燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸

2.2 仿真計算邊界條件

2.2.1 燃燒室初始環(huán)境壓力、溫度

微尺度狹縫燃燒室與發(fā)動機燃燒室空間相連，混合氣的壓力溫度基本一致，則燃燒室的初始環(huán)境壓力溫度可以根據(jù)發(fā)動機的工況進行設(shè)定，選取發(fā)動機低溫冷起動過程中800 r/min、100% 油門開度工況，為微尺度狹縫燃燒提供相應(yīng)的邊界條件。

缸壓曲線如圖11 所示。曲軸轉(zhuǎn)角-30°開始噴油，上止點前缸壓劇烈上升?；钊g隙狹縫的燃油不一定與發(fā)動機燃燒室內(nèi)的燃油同步著火，狹縫內(nèi)燃油著火時間難以確定，無法給出準確的微尺度狹縫燃燒室的初始壓力，從開始噴油到發(fā)動機燃燒室缸壓激增前，缸內(nèi)壓力在0.8 MPa～2.0 MPa 之間。綜合考慮設(shè)定微尺度狹縫燃燒室的初始壓力為1.0 MPa，初始壓縮混合氣溫度按照經(jīng)驗設(shè)定為1 000 K。

圖11 發(fā)動機暖機工況缸壓曲線

2.2.2 燃燒室初始壁面溫度場

微尺度狹縫燃燒室Y方向上的壁面分別對應(yīng)氣缸壁面和活塞壁面，氣缸壁面經(jīng)過冷卻水冷卻，溫度按照經(jīng)驗設(shè)定為550 K，活塞壁面溫度按照經(jīng)驗設(shè)定為750 K。燃燒室的下壁面為第一道氣環(huán)，活塞壁面與氣環(huán)緊密連接，故壁面溫度設(shè)定與活塞壁面溫度相同，均為750 K。上壁面本質(zhì)是發(fā)動機燃燒室的壓縮混合氣，溫度設(shè)定同燃燒室內(nèi)的初始環(huán)境溫度1 000 K。最終，燃燒室壁面溫度如圖12所示。

圖12 燃燒室壁面溫度示意圖

2.2.3 燃燒室初始柴油分布

燃燒室體積確定時，燃燒室內(nèi)空氣質(zhì)量取決于壓力、溫度。在初始溫度1 000 K、壓力1.0 MPa 的初始狀態(tài)下，空氣質(zhì)量為1.15 mg，結(jié)合空燃比確定燃燒室內(nèi)柴油質(zhì)量。將空燃比設(shè)置為理想空燃比，柴油的質(zhì)量取為0.08 mg，假設(shè)所有柴油均布在燃燒室底部，結(jié)合柴油密度（830 mg/mL）可計算出柴油體積，再結(jié)合覆蓋面積（30.00 mm2）可計算得到油膜厚度為3.21 μm。文獻［15］中的測量柴油附壁油膜厚度下限為2.00 μm，據(jù)此可認為本文中柴油微尺度狹縫燃燒室的燃油質(zhì)量與均布在燃燒室底部設(shè)置合理。

2.2.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

CONVERGE 軟件采用笛卡爾網(wǎng)格，提供基礎(chǔ)網(wǎng)格、自適應(yīng)加密和固定加密3 種網(wǎng)格尺寸控制方法?；A(chǔ)網(wǎng)格尺寸長和高均設(shè)置為1.0 mm，寬設(shè)置為0.1 mm，自適應(yīng)加密開啟溫度加密。

不同網(wǎng)格數(shù)量下的平均燃燒溫度、燃燒室內(nèi)壓力計算結(jié)果如圖13 所示。當網(wǎng)格數(shù)量在200 000 以上時，仿真模型的燃燒開始時刻、最高燃燒溫度、燃燒室壓力變化等結(jié)果非常接近，可以消除網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響，最終網(wǎng)格數(shù)量設(shè)置為200 000。

圖13 不同網(wǎng)格數(shù)量下燃燒室平均溫度及壓力對比

根據(jù)上述內(nèi)容設(shè)定燃燒室的初始及邊界條件如表5 所示。

3 結(jié)果與分析

微尺度狹縫燃燒過程受多參數(shù)影響，根據(jù)參考文獻［16-18］，狹縫間距、初始空氣溫度、壓力等參數(shù)對燃燒過程影響較大，因此基于所構(gòu)建的微尺度狹縫柴油燃燒模型分別開展了上述參數(shù)對燃燒過程的影響規(guī)律研究。參考工況下的初始及邊界條件見表5。

表5 模型初始及邊界條件設(shè)置

3.1 初始環(huán)境壓力對燃燒的影響

初始環(huán)境壓力變化時，保持空燃比不變計算附壁油膜質(zhì)量，進而獲取初始環(huán)境壓力對微尺度柴油燃燒特性的影響規(guī)律。該工況的初始條件如表6 所示。不同初始環(huán)境壓力下的壓力、最高溫度及瞬時放熱率結(jié)果如圖14 所示。

圖14 不同初始壓力下的壓力、最高燃燒溫度和瞬時放熱率

表6 不同初始環(huán)境壓力初始條件

由圖14 可知，初始環(huán)境壓力為0.6 MPa 時未能實現(xiàn)燃燒，而初始環(huán)境壓力為1.0 MPa～3.4 MPa 時燃燒室內(nèi)最高溫度超過2 000 K，即在微尺度狹縫內(nèi)實現(xiàn)燃燒。

初始環(huán)境壓力越高，瞬時放熱率峰值越大，燃燒最高溫度越高。這是由于初始環(huán)境壓力越高，附壁油膜質(zhì)量越大，燃燒時可燃混合氣質(zhì)量越多，釋放熱量越多。而隨著初始環(huán)境壓力的升高，燃燒室內(nèi)工質(zhì)密度增大，瞬時放熱率峰值對應(yīng)時刻逐漸提前，3.4 MPa 條件下瞬時放熱率峰值對應(yīng)時刻較參考工況（1.0 MPa）提前了22.3 ms。

不同初始環(huán)境壓力下的壓力曲線相似，燃燒過程壓力增長量近似相等。在燃燒前工質(zhì)向壁面散熱從而溫度下降，進而造成壓力隨溫度的線性下降，在穩(wěn)態(tài)壓力大于0.69 MPa 時柴油方可實現(xiàn)燃燒。圖15 為不同初始環(huán)境壓力下最高燃燒溫度時刻對應(yīng)的溫度場分布。通過對比圖15 可以發(fā)現(xiàn)，初始環(huán)境壓力越高，燃燒高溫區(qū)域位置越靠近底部。這是由于初始環(huán)境壓力越大，工質(zhì)密度越大，滯燃期短，燃燒時刻早，蒸發(fā)的燃油向上擴散距離短，在靠近底部附近就能實現(xiàn)燃燒。

圖15 不同初始壓力下最高燃燒溫度時刻對應(yīng)的溫度場分布

3.2 初始環(huán)境溫度對燃燒的影響

初始環(huán)境溫度變化時，保持空燃比不變，計算附壁油膜質(zhì)量，研究工況的初始條件如表7 所示。圖16 展示了不同初始環(huán)境溫度下壓力、最高溫度及瞬時放熱率的變化規(guī)律。

表7 不同初始環(huán)境溫度初始條件

由圖16 可知，初始環(huán)境溫度高于1 100 K 時未能實現(xiàn)燃燒，而初始環(huán)境溫度在700K～1 000 K 范圍內(nèi)時，燃料在微尺度狹縫內(nèi)實現(xiàn)燃燒。隨著初始環(huán)境溫度降低，燃燒室內(nèi)附壁油膜質(zhì)量增加，瞬時放熱率峰值增大，放熱率峰值對應(yīng)時刻提前，700 K 條件下瞬時放熱率峰值對應(yīng)時刻較參考工況（1 000 K）提前了15.3 ms。

圖16 不同初始溫度下的壓力、最高燃燒溫度和瞬時放熱率

圖17 為不同初始溫度下最高燃燒溫度時刻對應(yīng)的溫度場分布。由圖17 可知，隨著初始環(huán)境溫度的升高，燃燒高溫區(qū)域位置上移。這是由于環(huán)境溫度高，燃料滯燃期長，蒸發(fā)的燃油向上擴散距離長，燃燒高溫區(qū)域位置上移。而該結(jié)論與文獻［18］中環(huán)境溫度越高則滯燃期越短的結(jié)果矛盾。這是由于本研究的燃燒室空間小，散熱能力較強，初始溫度越高則燃燒前環(huán)境壓力越低，使燃燒室內(nèi)密度下降，滯燃期增加。

圖17 不同初始溫度下最高燃燒溫度時刻對應(yīng)的溫度場分布

3.3 狹縫間距對燃燒的影響

保持空燃比不變計算不同狹縫間距附壁油膜質(zhì)量，研究狹縫間距對微尺度柴油燃燒的影響規(guī)律。不同狹縫間距初始條件如表8 所示。不同狹縫間距下的溫度、壓力及瞬時放熱率結(jié)果如圖18 所示。

表8 不同狹縫間距初始條件

由圖18 可知，當狹縫間距小于1.0 mm 時，微尺度狹縫柴油無法燃燒；當狹縫間距大于1.0 mm 時，間距越大，瞬時放熱率越大，燃燒最高燃燒溫度越高，瞬時放熱率對應(yīng)時刻越早，狹縫間距1.5 mm 條件下放熱率峰值對應(yīng)時刻較參考工況（1.0 mm）提前了11.7 ms。

圖18 不同狹縫間距下的壓力、最高燃燒溫度和瞬時放熱率

圖19 為不同狹縫間距下最高燃燒溫度時刻對應(yīng)的溫度場分布。由圖19 可知，不同狹縫間距下最高溫度時刻的溫度場輪廓相似。隨著狹縫間距變大，最高溫度時刻高溫區(qū)域面積變大，一方面是由于間距越大附壁油膜質(zhì)量越大，另一方面是由于間距越大，工質(zhì)溫度下降越慢。當狹縫間距小于1.0 mm時，燃燒室內(nèi)壓力先因散熱而下降，后因中低溫反應(yīng)放熱而輕微上升；當狹縫間距大于1.0 mm 時，燃燒室內(nèi)壓力同樣先下降，隨后隨著燃燒大量放熱而壓力激增，不同間距下的壓力曲線相似；當狹縫間距為0.9 mm 時，燃燒前環(huán)境壓力下降到0.68 MPa，低于著火壓力邊界下限0.69 MPa，所以在其他條件不變的情況下燃燒室內(nèi)未實現(xiàn)燃燒。

圖19 不同狹縫間距下的最高燃燒溫度時刻對應(yīng)的溫度場分布

4 結(jié)論

（1）初始環(huán)境溫度在700 K～1 000 K 范圍內(nèi)時，柴油機活塞與氣缸間隙內(nèi)的燃料在微尺度狹縫內(nèi)實現(xiàn)燃燒。隨著初始環(huán)境溫度升高，瞬時放熱率峰值降低，燃燒的最高溫度降低，燃燒高溫區(qū)域位置上移。

（2）當狹縫間距小于1.0 mm 時，微尺度狹縫柴油無法燃燒；當狹縫間距大于1.0 mm 時，間距越大，瞬時放熱率越大，最高燃燒溫度越高。

（3）不同初始環(huán)境溫度、狹縫間距會影響燃燒前近穩(wěn)態(tài)壓力，燃燒前近穩(wěn)態(tài)壓力決定是否可以實現(xiàn)微尺度燃燒，近穩(wěn)態(tài)壓力高于0.69 MPa 時方可實現(xiàn)燃燒。