劉 瑞，黃 立，呂興才，馮明志，李紅梅

(1. 上海交通大學(xué) 動力機械及工程教育部重點實驗室，上海 200240；2. 船舶與海洋工程動力系統(tǒng)國家工程實驗室，上海 201108；3. 中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海 201108)

船舶航行于世界各海域，不同地理位置及氣候條件下，環(huán)境溫度差異極大，對航行于無限航區(qū)的船舶而言，其環(huán)境溫度的波動范圍達40 ℃以上[1].受環(huán)境溫度變化的影響，柴油機運行狀態(tài)也會發(fā)生較大的變化，一般環(huán)境溫度每升高10 ℃，增壓壓力降低2%～4%，進氣流量降低4.1% ，排氣溫度升高16 ℃[2].不同環(huán)境溫度下，增壓壓力的隨動變化會導(dǎo)致高環(huán)境溫度時，柴油機排氣溫度大幅升高，低環(huán)境溫度時，最高燃燒壓力又面臨超限風(fēng)險.為確保柴油機在不同環(huán)境溫度下安全、穩(wěn)定地運行，柴油機需具有優(yōu)良的環(huán)境溫度適應(yīng)性.尤其是隨著柴油機技術(shù)水平的不斷提升，先進的船舶柴油機缸內(nèi)最大平均有效壓力已達3 MPa 以上[3-4]，高平均有效壓力下，柴油機缸內(nèi)機械負荷、熱負荷裕度進一步降低，需提高其環(huán)境溫度適應(yīng)性.

為提高船舶柴油機環(huán)境溫度適應(yīng)性，首先需明確不同環(huán)境溫度下增壓壓力的隨動變化對柴油機燃燒特性及各主要性能參數(shù)的影響.Krishnan 等[5]研究發(fā)現(xiàn)，增壓壓力由10 kPa(相對壓力)增加為80 kPa 時，發(fā)動機熱效率由43.7%增加為48.7%.Han 等[6]研究發(fā)現(xiàn)，增壓壓力由80 kPa 增加為150 kPa 時，滯燃期縮短3°CA.黃開勝等[7]研究了增壓壓力對柴油機主要性能參數(shù)的影響，結(jié)果表明：在排氣壓力不變的條件下，增壓壓力每增加100 kPa，最高燃燒壓力增加約4.8～7.0 MPa.張全長等[8]在某增壓中冷柴油機上研究了增壓壓力對柴油機低溫燃燒特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著增壓壓力的增加，缸內(nèi)平均溫度降低，傳熱損失減少，指示熱效率升高，增壓壓力由50 kPa 增加至140 kPa 時，燃油消耗率(BSFC)降低12 g/(kW·h).

目前，針對不同環(huán)境溫度下增壓壓力的隨動變化對柴油機工作特性影響的研究較少，有關(guān)增壓壓力對柴油機工作特性影響的研究也主要集中在車用領(lǐng)域，對船舶柴油機的研究則鮮見報道.車用柴油機與船舶柴油機所采用的材料及結(jié)構(gòu)形式相似，二者所能承受的缸內(nèi)最高燃燒壓力限值基本相當，但車用柴油機最大平均有效壓力一般不超過2 MPa[9]，而先進的船舶柴油機最大平均有效壓力達3 MPa.高平均有效壓力下，柴油機增壓壓力較高，燃油噴射量較大，提升其機械負荷裕度是改善高強化船舶柴油機環(huán)境溫度適應(yīng)性的關(guān)鍵[2,10].

筆者以某最大平均有效壓力為3 MPa 的高強化自主品牌船用柴油機為研究對象，分析了環(huán)境溫度為10～50 ℃時，增壓壓力的隨動變化對柴油機燃燒特性及各主要參數(shù)的影響，并對降低壓縮比后柴油機的工作特性變化進行分析，以期為提升高強化船舶柴油機環(huán)境溫度適應(yīng)性提供參考.

1 研究對象及試驗方案

1.1 研究對象

研究對象為某自主品牌單缸柴油機，表1 為柴油機主要技術(shù)參數(shù).

表1 柴油機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of diesel engine

1.2 試驗方案

為研究不同環(huán)境溫度下增壓壓力的隨動變化對柴油機各主要性能參數(shù)的影響，筆者按各環(huán)境溫度下目標柴油機標定工況的進/排氣條件確定試驗工況，環(huán)境溫度與增壓壓力的對應(yīng)關(guān)系如表2 所示，工況2～工況6 由整機在不同環(huán)境溫度下的試驗測試結(jié)果確定，工況1 為標定后一維仿真模型的數(shù)值計算結(jié)果.各工況下柴油機增壓空氣溫度恒為48 ℃.

表2 試驗工況測試方案Tab.2 Scheme of test conditions

為探究降低壓縮比對改善高強化船舶柴油機環(huán)境溫度適應(yīng)性的有效性，筆者改變?nèi)紵倚途€，將原柴油機壓縮比由16(高壓縮比方案)降低為15(低壓縮比方案)，如圖1 所示.

圖1 不同壓縮比配置下燃燒室型線對比Fig.1 Comparison of combustion chamber shapes with different compression ratios

2 試驗結(jié)果與分析

試驗中，通過調(diào)整噴油正時，各進/排氣壓力條件下，柴油機最高燃燒壓力維持在相當水平.相同進/排氣壓力條件下，重復(fù)試驗3 次，每次試驗記錄100 個循環(huán)的平均結(jié)果，文中各試驗數(shù)值為3 次試驗結(jié)果的平均值.定義CA 5 為5%累積放熱量對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；CA 50 為 50% 累積放熱量對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；CA 90 為90%累積放熱量對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；從CA 5到CA 90 的持續(xù)時間為燃燒持續(xù)期.

2.1 不同環(huán)境溫度下增壓壓力對燃燒特性的影響

圖2 為不同環(huán)境溫度下增壓壓力的隨動變化對噴油正時、CA 5 和滯燃期的影響.可知，等最高燃燒壓力條件下，環(huán)境溫度降低后，隨著增壓壓力升高，柴油機各壓縮比配置下噴油正時的推遲量基本相當，增壓壓力每增加10 kPa，噴油正時推遲約0.5°CA.不同壓縮比配置下，增壓壓力升高后，隨著噴油正時的推遲，CA 5 呈推遲趨勢，但由于低壓縮比配置下滯燃期較高壓縮比配置延長約0.5°CA，其推遲量有一定差異.

圖2 增壓壓力對噴油正時、CA 5和滯燃期的影響Fig.2 Effects of intake pressure on injection timing，CA 5 and ignition delay

不同環(huán)境溫度下，隨著增壓壓力的增加，滯燃期呈先縮短后延長的趨勢，這主要是因為燃料的滯燃期隨壓縮溫度和壓力的升高而縮短，將壓縮過程近似為多變過程，柴油機壓縮溫度、壓縮壓力分別為

式中：TTDC為壓縮溫度；TBDC為下止點處缸內(nèi)氣體溫度；ε為有效壓縮比；γ為多變指數(shù)；pTDC為壓縮壓力；pBDC為下止點處的缸內(nèi)氣體壓力.

試驗過程中，柴油機增壓空氣溫度相同，且相同工況下，柴油機缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)基本相當，因而可認為各增壓壓力下，柴油機下止點處缸內(nèi)氣體溫度相當、壓縮過程多變指數(shù)相當，由式(1)、式(2)可知，相同壓縮比配置及增壓壓力下，柴油機壓縮溫度基本相當，但增壓壓力升高后，柴油機壓縮壓力呈γε倍顯著升高，滯燃期縮短；同時，等最高燃燒壓力條件下，增壓壓力升高后，噴油正時推遲，燃料噴射時刻柴油機缸內(nèi)壓力、溫度升高，所以初期隨著增壓壓力的升高，柴油滯燃期縮短.增壓壓力進一步升高后，雖然燃料噴入缸內(nèi)的初始壓力、溫度升高，但由于噴油正時逐漸靠近著火上止點，燃料著火前活塞已經(jīng)開始下行，缸內(nèi)氣體溫度、壓力迅速降低，燃料受高溫、高壓空氣影響的作用時間縮短，因而增壓壓力增加至390 kPa 后，滯燃期反而進一步增加.

低壓縮比配置下，柴油機滯燃期更長，這是由于壓縮溫度、壓縮壓力與壓縮比呈指數(shù)關(guān)系，低壓縮比配置下柴油機缸內(nèi)壓縮壓力、壓縮溫度更低.

圖3 為不同環(huán)境溫度下最大壓力升高率隨增壓壓力的變化.可以看出，與滯燃期對應(yīng)，低壓縮比配置時，柴油機最大壓力升高率更大，但隨著增壓壓力的升高，柴油機缸內(nèi)壓力升高率逐漸降低，其變化趨勢與滯燃期的變化不完全對應(yīng).這是因為環(huán)境溫度小于30 ℃時，目標柴油機增壓壓力達370 kPa 以上，柴油機CA 5 位置已位于著火上止點后，此時如果進一步降低環(huán)境溫度，柴油機滯燃期雖然變長，但由于著火過程中活塞快速下行，柴油機缸內(nèi)容積急劇增加，最大壓力升高率呈下降趨勢.高壓縮比配置下，當環(huán)境溫度大于30 ℃時，增壓壓力小于370 kPa，最大壓力升高率隨增壓壓力的變化趨勢與采用低壓縮比配置時基本相當，但當環(huán)境溫度小于30 ℃后，隨著增壓壓力的升高，最大壓力升高率呈微上升趨勢，這是因為高壓縮比配置下，柴油機噴油正時進一步推遲，增壓壓力大于370 kPa 后，柴油機最大壓力升高率位于壓縮過程后期，而非燃燒過程，因而隨著增壓壓力的增加，其最大壓力升高率呈增加趨勢.

圖3 增壓壓力對最大壓力升高率的影響Fig.3 Effects of intake pressure on maximum pressure rise rate

圖4、圖5 為不同環(huán)境溫度下增壓壓力的隨動變化對CA 50、CA 90、燃燒持續(xù)期及柴油機放熱率的影響.圖4 中，相同壓縮比下，增壓壓力升高后，CA 50位置隨噴油正時的推遲而推遲，但CA 90 呈現(xiàn)出與CA 5、CA50 不同的變化趨勢，柴油機燃燒持續(xù)期隨著增壓壓力的升高先明顯下降后總體平穩(wěn)，環(huán)境溫度為30～50 ℃時，增壓壓力小于370 kPa，此時增壓壓力每增加10 kPa，柴油機燃燒持續(xù)期縮短約3°CA，但隨著環(huán)境溫度的進一步降低，增壓壓力大于370 kPa 后，燃燒持續(xù)期略有降低，同時圖5 中，增壓壓力隨動升高后，柴油機著火時刻的缸內(nèi)壓力顯著上升，放熱率形狀、放熱率峰值未見明顯變化，但增壓壓力為350 kPa 時，柴油機累積放熱量在達到0.7后，其燃燒速率明顯低于高增壓壓力各工況.擴散燃燒的燃燒速率主要取決于燃料與O2相互混合的速率[11]，雖然高環(huán)境溫度下增壓壓力較低，柴油機缸內(nèi)充量較小，但燃燒初期、中期缸內(nèi)空氣仍較充分，油、氣混合速率未受明顯影響，因而燃燒初期放熱率、放熱率峰值未見明顯變化，而燃燒后期，隨著缸內(nèi)新鮮空氣量的不斷消耗，燃油與新鮮空氣的有效碰撞頻率降低[12]，放熱率降低，持續(xù)期延長；提高增壓壓力后，柴油機燃燒后期缸內(nèi)新鮮空氣量得到有效補償，缸內(nèi)油、氣混合速率加快，燃燒持續(xù)期縮短.增壓壓力大于370 kPa 后，進一步降低環(huán)境溫度，柴油機燃燒持續(xù)期降低量顯著減小，這是因為高增壓壓力下，柴油機缸內(nèi)過量空氣系數(shù)φa已達到較高水平，燃燒后期缸內(nèi)新鮮空氣量已非限制油、氣混合的主要因素，環(huán)境溫度降低后，增壓壓力的提升并不能顯著改善燃燒后期柴油機缸內(nèi)油、氣的混合速率，增壓壓力的進一步升高，反而會縮短柴油噴霧貫穿距離，燃燒室空間利用率降低，燃燒速率也略有降低.

圖4 增壓壓力對CA 50、CA 90和燃燒持續(xù)期的影響Fig.4 Effects of intake pressure on CA 50，CA 90 and combustion duration

圖5 高壓縮比配置下增壓壓力的隨動變化對缸內(nèi)壓力、放熱率和累積放熱量的影響Fig.5 Effects of intake pressure on cylinder pressure ，heat release rate and cumulative heat release with high compression ratios

2.2 不同環(huán)境溫度下增壓壓力對性能參數(shù)的影響

圖6 為不同環(huán)境溫度下增壓壓力的隨動變化對柴油機過量空氣系數(shù)、燃油消耗率的影響.可以看出，低壓縮比配置下，柴油機燃油消耗率較高壓縮比低，這是因為目標柴油機采用低壓縮比配置時，壓縮負功更小，且如圖4 所示，等最高燃燒壓力、低壓縮比配置下，柴油機噴油正時更靠前，相同環(huán)境溫度下，CA 50、CA 90 分別較高壓縮比配置提前約3°CA、5°CA，其燃燒過程更接近上止點，相同放熱量下，柴油機缸內(nèi)氣體壓力升高量更明顯，膨脹功更大.因而柴油機燃燒位置較靠后時，降低壓縮比反而有利于降低柴油機燃油消耗率.

圖6 增壓壓力的隨動變化對燃油消耗率和過量空氣系數(shù)的影響Fig.6 Effects of intake pressure on BSFC and excess air coefficient

各壓縮比配置下，柴油機缸內(nèi)φa變化趨勢相同，即環(huán)境溫度降低后，隨著增壓壓力的升高，缸內(nèi)充量增加，φa增加.低壓縮比配置下，由于柴油機燃燒位置更靠近上止點，熱效率更高，因而其φa較高壓縮比配置高.

環(huán)境溫度降低后，隨著增壓壓力的升高，不同壓縮比配置下，燃油消耗率呈相反的變化趨勢，高壓縮比配置下，隨著增壓壓力的升高，燃油消耗率升高，但低壓縮比配置下，隨著增壓壓力的升高，燃油消耗率呈下降趨勢.增壓壓力升高后，燃燒持續(xù)期縮短，熱效率增加，且缸內(nèi)充量增加后，相同放熱量下，缸內(nèi)工質(zhì)溫升降低，散熱量減小，因而低壓縮比配置下，環(huán)境溫度降低后，隨著增壓壓力的升高，燃油消耗率降低.高壓縮比配置下，燃油消耗率隨增壓壓力的升高而升高，這是因為高壓縮比配置下，柴油機噴油正時整體更靠后，增壓壓力為350 kPa 時，CA 5 已位于著火上止點之后，環(huán)境溫度降低后，隨著增壓壓力的升高，柴油機燃燒重心進一步推遲，由于活塞下行初期，其運動速率隨曲軸轉(zhuǎn)角的增加而迅速加快，相同放熱量下，柴油機缸內(nèi)壓力升高量降低，膨脹功降低，同時增壓壓力升高后柴油機壓縮負功增加，增壓壓力升高對燃燒速率、傳熱的影響難以彌補膨脹功的降低及壓縮負功的增加，因而高壓縮配置下，柴油機燃油消耗率呈升高趨勢.

圖7 為增壓壓力的隨動變化對柴油機支管排氣溫度、缸套平均溫度的影響，其中缸套平均溫度為活塞在上止點位置時，其第一道活塞環(huán)所對應(yīng)缸套位置均勻布置的4 個熱電偶溫度傳感器測量值的平均值.可以看出，各壓縮比配置下，在15～50 ℃范圍內(nèi)，環(huán)境溫度降低后，柴油機支管排氣溫度隨增壓壓力的升高而降低，這是由增壓壓力升高后，柴油機缸內(nèi)空氣量增加，相同放熱量下柴油機缸內(nèi)氣體溫度升高量降低造成的.環(huán)境溫度由15 ℃進一步降低為10℃時，增壓壓力由405 kPa 提升為420 kPa，柴油機支管排氣溫度升高，這主要是由于等最高燃燒壓力條件下，增壓壓力升高為420 kPa 時，柴油機燃燒位置進一步推遲，熱效率顯著降低，相同增壓壓力升高量下，柴油機缸內(nèi)φa升高量降低，此時φa的增加量已難以彌補燃燒位置后移造成的影響，因而柴油機支管排氣溫度呈升高趨勢.

圖7 增壓壓力的隨動變化對支管排氣溫度和缸套平均溫度的影響Fig.7 Effects of intake pressure on the temperature of exhaust manifold and the average temperature of cylinder liner

不同環(huán)境溫度、各壓縮比配置下，柴油機缸套平均溫度隨增壓壓力的升高呈不同的變化趨勢，高壓縮比配置下，柴油機缸套平均溫度隨增壓壓力的升高而增加，這是因為環(huán)境溫度降低后，隨著增壓壓力的升高，噴油正時推遲，活塞下行過程中，活塞碗壁對油束發(fā)展的阻礙作用降低，大量燃油沿噴射方向向缸套壁面附近集結(jié)、燃燒，缸套近壁面處氣體溫度升高，吸熱量增加，溫度升高.低壓縮比配置下，柴油機缸套平均溫度較高壓縮比配置低，且隨增壓壓力的升高，缸套溫度降低，這是因為降低壓縮比后，柴油機噴油正時總體較高壓縮比配置提前，油束與活塞碗壁的相互作用增強，缸套近壁面燃油量減小，近壁燃燒不明顯，缸套吸熱量降低，溫度降低.另外，環(huán)境溫度降低后，隨著增壓壓力的升高，φa升高，熱效率升高，相同工況下，柴油機缸內(nèi)總放熱量降低，同時隨著缸內(nèi)進氣量的增加，一定放熱量下，柴油機缸內(nèi)氣體平均溫度升高量降低，因而隨著環(huán)境溫度的降低，缸內(nèi)氣體平均溫度降低，高溫燃氣向缸套壁面的傳熱量降低，缸套平均溫度降低.

圖8 增壓壓力的隨動變化對柴油機NOx排放的影響.可知，各壓縮比配置下，隨著增壓壓力的升高，NOx排放均呈降低趨勢，增壓壓力每升高10 kPa，NOx排放降低約30×10-6.這是由于增壓壓力升高后，φa增加，柴油機缸內(nèi)燃燒溫度降低，NOx排放降低.降低壓縮比后，柴油機NOx排放較高壓縮比配置高，這是因為等最高燃燒壓力條件下，降低壓縮比后，柴油機噴油正時靠前，滯燃期較長，滯燃期內(nèi)噴入缸內(nèi)的柴油較多，預(yù)混燃燒量更大，缸內(nèi)氣體溫度更高；同時，低壓縮比配置下柴油機燃燒位置靠近上止點，缸內(nèi)容積變化較小，相同放熱量下，柴油機缸內(nèi)溫度更高，NOx排放同樣呈升高趨勢.

圖8 增壓壓力對NOx 排放的影響Fig.8 Effects of intake pressure on NOx emissions

3 結(jié) 論

(1) 等最高燃燒壓力條件下，環(huán)境溫度降低后，CA 5 均隨增壓壓力的升高而推遲，滯燃期隨增壓壓力的增加呈先縮短后延長的趨勢；相同增壓壓力下，低壓縮比配置柴油機的滯燃期較高壓縮比延長約0.5°CA.

(2) 環(huán)境溫度由50 ℃降為30 ℃時，增壓壓力的升高可有效加快柴油機燃燒后期的燃燒速率，該區(qū)間內(nèi)增壓壓力每升高 10 kPa，燃燒持續(xù)期縮短約3°CA，但環(huán)境溫度低于30 ℃后，增壓壓力的升高對柴油機燃燒持續(xù)期的影響程度迅速降低.

(3) 等最高燃燒壓力條件下，低壓縮比配置柴油機的燃油消耗率更低，且環(huán)境溫度降低后，隨著增壓壓力的升高，燃油消耗率進一步降低，但高壓縮比配置下，由于其燃燒位置推遲，環(huán)境溫度降低后，柴油機燃油消耗率反而呈升高趨勢.

(4) 高壓縮比配置下，受燃油噴射等因素的影響，缸套溫度隨增壓壓力的隨動升高而升高，低壓縮比配置下，缸套溫度隨增壓壓力的隨動升高而降低，但相同環(huán)境溫度下，采用低壓縮比配置時，柴油機缸套平均溫度更低.