張子英,楊貴春,董雪飛

(1.中國礦業(yè)大學(北京)機電與信息工程學院,北京 100083;2.山西能源學院機電工程系,山西 晉中 030600;3.中國北方發(fā)動機研究所(天津),天津 300400;4.航天時代飛鴻技術股份有限公司能源與動力技術研究室,北京 100094)

為更好地滿足節(jié)能減排的實際需求,內燃機朝著更清潔、更高效的方向發(fā)展,一種動力活塞對置布置的二沖程柴油機動力裝置應運而生,這主要是因為這種動力系統(tǒng)有功率密度高、燃燒效率高、可適用于多種化石燃料及機械結構靈活布置等諸多優(yōu)勢[1-4]。對置活塞二沖程(Opposed Piston Two Stroke,OP2S)柴油機的概念源于二十世紀初,曾以高效率、高功率密度而著稱,后因排放法規(guī)的出現限制了其應用[5-7]。但隨著科學技術的發(fā)展,人們已經有能力通過現代技術改善對置活塞二沖程柴油機的排放問題,逐漸將其應用于礦山機械、農業(yè)機械、航空無人機動力等領域[8-10]。

對置活塞二沖程柴油機采用氣口—氣口式直流掃氣方式,摒棄了傳統(tǒng)柴油機的氣門機構,其燃燒室由兩個凹坑活塞頂及缸套組成,因此其噴油器只能布置在缸套周向位置。由于燃油一般在上止點附近噴入氣缸,因此油氣混合時間較短,燃油霧化程度及燃油油束的分布對燃燒過程影響很大[11]。因此在設計OP2S柴油機燃油系統(tǒng)時,不僅要求良好的噴油策略,還需結合缸內工作過程對其噴孔布置進行優(yōu)化。本研究基于動力活塞對置布置的二沖程柴油發(fā)動機,重新改進了燃油系統(tǒng),并進一步優(yōu)化了噴油器的霧束方向,為其整機性能優(yōu)化與匹配提供了基礎條件。

1 對置活塞二沖程柴油機燃油系統(tǒng)方案設計

本研究的OP2S 柴油機結構及原理見圖1。單個氣缸內水平放置兩個對置的活塞(燃燒室),對置的活塞是由類似于傳統(tǒng)二沖程發(fā)動機的曲柄連桿結構連接到曲軸,兩個活塞連接的曲軸由齒輪組進行同步。這樣與傳統(tǒng)二沖程發(fā)動機相比省掉了氣缸蓋與凸輪配氣機構,同時噴油器只能布置在垂直于氣缸中心線的缸套壁面上。而進排氣系統(tǒng)同樣也無需進排氣門和凸輪機構,而是由氣缸壁上的氣口配合完成進排氣過程。當OP2S柴油機完成掃氣后,兩側活塞也將新鮮充量壓縮至上止點,在上止點附近完成燃油噴射,進而實現燃油燃燒,推動兩側活塞做功。與傳統(tǒng)直列或V型柴油機不同,其噴油器一般布置在缸套上,噴油器布置中心線與活塞運動方向垂直。

OP2S柴油機噴油器垂直布置在氣缸壁面上,這種布置方式也直接決定了燃油噴射到缸內的霧束分布,噴射燃油的貫穿距離、油束周向布置參數的選取,直接影響到OP2S柴油機的油氣混合過程,進而影響到OP2S柴油機的缸內燃燒情況。設計一套噴射壓力、噴射定時、循環(huán)噴油量、瞬時噴油速率在柴油機全速全負荷運行范圍內實現動態(tài)調節(jié)的燃油系統(tǒng)是OP2S柴油機正常運行的前提。

1.1 OP2S柴油機高壓共軌系統(tǒng)

本研究的OP2S柴油機為兩缸機,其主要參數見表1。

表1 OP2S柴油機基本設計參數

基于OP2S柴油機的特殊結構及其對燃油霧化效果的需求,本研究開發(fā)了一套高壓共軌燃油系統(tǒng),其物理模型見圖2。

圖2 OP2S柴油機高壓共軌燃油系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)與傳統(tǒng)高壓共軌系統(tǒng)(High Pressure Common Rail System,HPCRS)相比,也采用高壓油泵、共軌管、噴油器及電控單元,而高壓油泵凸輪由OP2S柴油機的輸出軸通過一定的傳動機構實現精確驅動。

1.2 噴油器的布置形式

由于OP2S柴油機結構的特殊性,噴油器只能橫向布置,即其中心線與活塞運動方向相垂直。為防止較大噴油量工況下霧束直接噴射到缸壁上,采用了單缸雙噴油器布置的方式,噴油器結構及其噴射油束分布情況如圖3所示。

圖3 OP2S柴油機噴油器及噴射油束分布

由圖3可見,本研究所采用的HPCRS是將柴油加壓后通過噴油器將柴油噴射到水平對置布置的氣缸內,噴油器與傳統(tǒng)高壓共軌噴油器的工作原理相同,利用電磁閥控制針閥末端控制室的燃油壓力,動態(tài)調節(jié)盛油槽與控制室的壓力差及針閥彈簧的合力方向,實現針閥的抬起及落座,從而完成噴油器的噴射開啟和關閉動作。噴油器的霧束形態(tài)與傳統(tǒng)柴油機的霧束形態(tài)不同,因噴油器與氣缸運動方向垂直,考慮到燃油噴射的霧化水平、壁濕、霧束碰撞融合等因素,需采用非均勻分布的霧束形態(tài),這要求對噴油器的噴孔設計及霧束形成及碰撞后的狀態(tài)進行深入研究。

傳統(tǒng)柴油機燃燒放熱以擴散燃燒模式為主,且柴油機放熱速率的大小、分布及中間過程的排放生成物均受限于燃油和空氣的混合程度。而燃油與空氣的混合不僅取決于燃油噴射壓力、噴油器噴孔數量及分布、空氣流場分布,還取決于燃油的霧束在氣缸內分布形態(tài),但這種分布形態(tài)在燃油噴射壓力及噴孔大小、噴油持續(xù)期確定后主要取決于噴油器的整體布置方式。而對于OP2S柴油機來說,噴油器的布置嚴重受限于氣缸套的布置與缸套周邊的機械結構,垂直對置布置噴油器往往并不容易實現,盡管對置噴油器的布置形式有利于燃油霧束的交叉分布霧化。因此需保證兩個噴油器的油束分布盡可能合理,以避免油束直接碰撞,影響霧化效果。在文獻[12-13]中,重點論述了油束夾角分布對其蒸發(fā)性能的影響規(guī)律,本研究不再贅述,采用文獻相關參數。

2 單次噴油試驗

2.1 試驗臺架

為充分驗證所述HPCRS,重新設計了高壓共軌系統(tǒng)單次噴射試驗臺,試驗臺架見圖4。

圖4 高壓共軌系統(tǒng)試驗臺架

圖4中試驗臺架裝置主要由噴油泵試驗臺、ECU、單次噴射儀、單次噴射儀控制儀、計算機、多通道數據采集系統(tǒng)、HPCRS組成。該試驗臺架可實時模擬柴油油泵轉速、燃油溫度和燃油壓力,并且可以通過電控系統(tǒng)對這些參數進行控制,并通過上位機虛擬儀表在線檢測關注的參數與數據。表2列出設備的功率、轉速及噴射儀量程參數。

表2 OP2S共軌單次噴射試驗臺相關儀器參數

2.2 噴油量控制

通過調節(jié)共軌管壓力、轉速等變量,可計算出相應的噴油脈寬,進而實現對OP2S柴油機循環(huán)油量的控制。本研究中OP2S柴油機共軌單次噴射試驗噴油量圖譜見圖5。

圖5 相同噴油脈寬下不同共軌壓力對應的噴油量圖譜

由圖5可見,噴油量調節(jié)主要依靠共軌壓力及噴油脈寬：噴油脈寬增加,噴油量增加明顯;脈寬大于1.5 ms后增長速度明顯放緩,且噴油壓力越大越明顯。相同噴油脈寬下,共軌管壓力較小時,噴油量隨噴油壓力增加明顯,當共軌管壓力大于100 MPa時,噴油量隨共軌管壓力的增加量較少。

2.3 燃油噴射速率

圖6示出軌壓100 MPa 、噴油脈寬1.5 ms時的噴油率波形。由圖6可見,本研究所設計的OP2S柴油機噴射曲線近似于矩形。結合圖5表明：在OP2S實際運行過程中,只需對共軌壓力和噴油脈寬進行控制,便可實現油量的控制。然而,噴油量只在宏觀角度量化了OP2S柴油機每循環(huán)輸入油量的多少,卻無法完全描述其能量輸入的大小。因為所輸入油量的能量轉化率還取決于燃油噴入氣缸后的燃燒過程,所以還需對噴射燃油的霧束分布、油氣混合等微觀變量進行進一步探究和優(yōu)化。

圖6 軌壓100 MPa,噴油脈寬1.5 ms時的噴射率曲線

3 噴油器噴霧方向優(yōu)化分析

為將本研究設計的噴射系統(tǒng)應用于OP2S柴油機實際工程對象,現利用試驗建立的單次噴射曲線(見圖5),結合仿真方法對噴油器的油束夾角進行進一步優(yōu)化,以滿足實際工程需求。

3.1 OP2S柴油機三維CFD仿真模型

OP2S 柴油機的燃燒室形狀不同于傳統(tǒng)柴油機,其燃燒室是由氣缸壁面、進氣側活塞和排氣側活塞的凹坑組成。建立OP2S柴油機單缸三維CFD仿真分析網格模型(見圖7),CFD計算的初始邊界條件見表3。

表3 OP2S柴油機三維CFD計算邊界條件

圖7 OP2S柴油機三維CFD仿真網格模型

3.2 噴霧方向優(yōu)化匹配

OP2S柴油機每缸安裝兩個噴油器(見圖3),采用完全相同的噴油器A和B,規(guī)定兩個噴油器的第2束霧束的中心線與氣缸壁垂直,這樣就可以更加方便地規(guī)定每個噴油器的其他兩束油束的方向(參見圖3,缸套切面方向上霧束1和霧束3分別與霧束2成θ,γ角)。同時為保證盡可能少地碰撞形成油滴團聚,噴油束1和氣缸中心線垂直,而噴油束2和3在此垂直界面上與油束1均錯開一個角度β。由于燃燒室空間的限制,β應盡可能小。因對置活塞在上止點附近燃燒室限制,本研究取β=3°,為定值,因在垂直缸套壁的圓形平面上有較大的空間,因此重點探究θ和γ角對燃油霧化機噴霧發(fā)展的影響規(guī)律。表4列出根據圓形區(qū)間設置的12組方案。

表4 霧束夾角γ及θ組合方案

圖8示出噴孔霧束貫穿距仿真值與試驗值[14]的對比。由圖8可知,在空間分布上霧束的貫穿距仿真結果與試驗結果吻合,因此通過模型校對后的CFD模型在毫秒級時間尺度上可用于探究OP2S柴油機的燃油霧束分布,并由此來確定霧束夾角γ及θ的優(yōu)化方向。

圖8 燃油油束貫穿距仿真結果與試驗結果的對比

圖9示出θ=30°條件下,不同霧束夾角γ對應的燃油噴霧發(fā)展形態(tài)仿真結果。由圖可見,γ角越大,越有利于燃油在燃燒室內的均勻分布;但γ角過大時,由于噴油器中心線與氣缸垂直,因此油束直接沖擊到氣缸壁的可能性增大,這對燃油蒸發(fā)與燃燒是不利的。

圖9 不同γ角條件下的燃油噴霧發(fā)展

基于以上分析可見,γ、θ在圓形區(qū)域分布決定了OP2S柴油機的霧束分布及霧化過程,進而影響到燃燒室中的燃燒放熱過程。而燃燒過程與單位空間區(qū)域內的燃油量強相關,結合圖10與圖11可見,噴孔較小的噴孔3對應較小的噴油量,故γ角變化對燃燒熱效率及最大壓升率的影響小于θ角(30-15,30-30,30-45,30-60),而θ角的變化造成了較大的燃燒放熱率與最大壓升率的變化(15-30,30-30,45-30,60-30)。

圖10 不同方案的燃燒熱效率和燃燒持續(xù)期

圖11 不同方案的最大壓力升高率

對比結果表明,燃燒熱效率的提高有賴于選擇合適的油束夾角,根據圖10及前面分析,θ角對燃燒效率的影響較大,故確定θ角的最佳區(qū)間為30°～45°。最大燃燒熱效率點對應的夾角組合為45-30,此組合下柴油機效率雖高,但壓升率過大(0.75 MPa/(°)),將會增加燃燒噪聲,因此在對燃燒噪聲有要求時,為追求柴油機NVH性能,需犧牲部分燃燒效率,尋找合適的壓升率作為最佳燃燒參數匹配目標值?；谝陨显?最終選定油束的夾角組合為45-45,不難發(fā)現,當θ=45°時,在熱效率僅降低0.54%的前提下,氣缸內的最大壓升率下降了0.31 MPa/(°)。為進一步分析優(yōu)化方案的差異,對比了優(yōu)化前的噴油器、方案45-30及方案45-45的放熱率和缸內壓力在上止點附近的分布曲線(見圖12和圖13)。

圖12 霧束夾角優(yōu)化前后的放熱率對比

圖13 霧束夾角優(yōu)化前后的缸內壓力對比

由圖12可見,γ角從30°增大到45°后,燃燒初始階段的預混燃燒后移,燃燒前期的預混放熱量減少,燃燒重心整體向后移動,但整體的放熱量變化不大,這對于后續(xù)柴油機的排放優(yōu)化有重要意義。同時OP2S柴油機最大壓升率明顯降低,這對改善柴油機缸內燃燒過程的平穩(wěn)性以降低柴油機的振動噪聲亦具有重要意義。

4 結論

a) 增加噴油霧束夾角,將會改善油氣混合效果,進而提高燃燒效率;但過大的噴油霧束夾角將增大油霧與缸套、活塞碰撞的可能性,不利于油束霧化;

b) 當噴油霧束夾角γ=30°、θ=45°時,OP2S柴油機獲得最大的燃燒熱效率,但此時OP2S柴油機的壓升率較高,燃燒粗暴,燃燒噪聲大;將γ提高至45°,在熱效率降低0.54%前提下壓升率降至0.44 MPa/(°),可有效改善缸內燃燒過程的平穩(wěn)性。