趙 旻 張眾杰 陳宏威 董素榮 夏 旭

（陸軍軍事交通學(xué)院 天津 300161）

引言

高原地區(qū)約占我國國土面積的37%[1]，高海拔地區(qū)氣壓和雷諾數(shù)比較低，氣體流動抗分離能力減弱[2-3]，從而使渦輪增壓系統(tǒng)的核心部件—離心壓氣機(jī)的性能下降。壓氣機(jī)的性能下降使柴油機(jī)在高原環(huán)境下工作時的進(jìn)氣量減少，從而導(dǎo)致柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒惡化，使得柴油機(jī)性能無法正常發(fā)揮[4-6]。鑒于此，本文基于AVL-FIRE 軟件創(chuàng)建高海拔下低壓級壓氣機(jī)葉輪優(yōu)化后柴油機(jī)燃燒過程的模擬模型，針對海拔5 500 m、1 200 r/min 柴油機(jī)燃燒與排放特性進(jìn)行研究，對壓氣機(jī)及柴油機(jī)高海拔性能的提升研究具有重大的意義[7-10]。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

本文將兩級可調(diào)渦輪增壓系統(tǒng)某型柴油機(jī)的燃燒室作為研究對象，該柴油機(jī)有8 個噴油孔，因此取1/8 燃燒室模型作為分析對象。柴油機(jī)相關(guān)參數(shù)為：壓縮比為17.5，總排量為8.6 L，額定功率為258 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 100 r/min。兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)以可變截面渦輪增壓器JK70S 為高壓級，以固定截面渦輪增壓器JP100S 為低壓級。其中JP100S 是半開式離心葉輪，一共14 個葉片，（主葉片：7 個，分流葉片：7個），葉輪出口角β2是57.3°，葉輪進(jìn)口直徑是75.5 mm，出口葉片高是101 mm，出口處葉片寬度是7.7 mm，前緣及尾緣頂部間隙都是0.5°，主葉片及分流葉片前緣為前掠葉型，分流葉片向主葉片壓力面偏折。葉片優(yōu)化前后參數(shù)如表1 所示，壓氣機(jī)葉輪優(yōu)化前后三維模型如圖1、2 所示。

圖1 原型壓氣機(jī)葉輪三維示意圖

圖2 葉片優(yōu)化后壓氣機(jī)葉輪三維示意圖

表1 葉片優(yōu)化前后參數(shù) °

1.2 研究方法

本文針對匹配葉片優(yōu)化前后壓氣機(jī)缸內(nèi)燃燒過程對比分析，葉片優(yōu)化前柴油機(jī)燃燒參數(shù)是根據(jù)試驗結(jié)果得到的，葉片優(yōu)化后柴油機(jī)燃燒參數(shù)是根據(jù)AVL-FIRE 軟件進(jìn)行數(shù)值計算得到的，所以首先建立柴油機(jī)高海拔下缸內(nèi)燃燒過程的模型，然后根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

根據(jù)兩級可調(diào)渦輪增壓系統(tǒng)的某型柴油機(jī)1/8燃燒室的實際結(jié)構(gòu)尺寸，利用AVL-FIRE 軟件中2D Sketcher 模塊進(jìn)行繪制，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分[11-13]，圖3分別為二維及上止點周圍的網(wǎng)格劃分示意圖，表2為建模過程中所選用的模型。在計算過程中選用進(jìn)氣門關(guān)閉時刻（上頂點前133°CA）及排氣門開啟時刻（上頂點后118°CA）這一區(qū)間對缸內(nèi)燃燒過程進(jìn)行研究。

圖3 燃燒室網(wǎng)格劃分示意圖

表2 燃燒模型

仿真模型的準(zhǔn)確度對數(shù)值模擬的精度起著決定性作用。圖4 為海拔5 500 m，柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速工況（1 200 r/min）條件下缸壓曲線計算值與柴油機(jī)試驗實測值的對比圖，由圖4 可知各處模擬值與試驗值吻合度比較高，誤差均在5%范圍內(nèi)，重要位置比如壓力峰值與相應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角等誤差比較小，符合下一步計算的要求。

圖4 海拔5 500 m、1 200 r/min 模型驗證

2 結(jié)果與分析

2.1 高海拔下葉片優(yōu)化前后柴油機(jī)燃燒特性對比研究

圖5 為海拔5 500 m，柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速工況（1 200 r/min）下葉片優(yōu)化后缸內(nèi)燃空當(dāng)量比分布云圖，通過分析缸內(nèi)混合氣分布情況可知，葉片優(yōu)化后在上止點周圍時，其缸內(nèi)余隙處、燃燒室底部混合氣過濃區(qū)域范圍縮減，伴隨燃燒的進(jìn)行，氧氣與柴油的混合程度更為均勻，混合氣過濃的范圍小于原機(jī)，因此葉片優(yōu)化后柴油和缸內(nèi)混合氣混合程度更加均勻，減少了局部缺氧現(xiàn)象，有效改善了缸內(nèi)燃燒狀況，提高了缸壓。

圖5 葉片優(yōu)化后燃空當(dāng)量比對比圖

由模擬及計算結(jié)果可知，葉片優(yōu)化后缸壓比原型機(jī)要高，其中最高壓力可達(dá)到8.22 MPa，比原型機(jī)提高9.53%。葉片優(yōu)化后柴油機(jī)缸壓提高的原因主要是增加了進(jìn)氣量，從而使燃油與空氣充分混合，同時氧濃度的升高減少了高溫缺氧區(qū)域的大量形成，因此使燃燒狀況得到了改善，缸壓得到了提升。

在壓縮過程中，葉片優(yōu)化前后缸內(nèi)壓力變化很小，只有在接近上止點周圍時葉片優(yōu)化后柴油機(jī)缸壓高于原型機(jī)，而在燃燒做功階段，葉片優(yōu)化后柴油機(jī)不論在最高值周圍還是在膨脹階段，壓力都比原型機(jī)高，證明了葉片優(yōu)化后柴油機(jī)燃燒做功能力有所提高。

在滯燃期內(nèi)燃料會歷經(jīng)多個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，在高海拔條件下，著火前低溫、低氧的化學(xué)準(zhǔn)備過程對滯燃期的影響最明顯。式（1）為Shell 模型[14]所給出滯燃期內(nèi)各反應(yīng)的化學(xué)過程的第一步，即碳?xì)淙剂戏肿优c氧分子之間的反應(yīng)：

式中：RH 為碳?xì)淙剂希–xHy）為由燃料中產(chǎn)生的自由基。

由式（1）可知，缸內(nèi)氧濃度對滯燃期存在很大的影響，葉片優(yōu)化前柴油機(jī)氧濃度比葉片優(yōu)化后低，使得反應(yīng)速率變低，在整個滯燃期內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程均減慢，最終導(dǎo)致滯燃期略有延長。滯燃期的延長表明著火前化學(xué)準(zhǔn)備過程變緩，著火時刻的燃油蒸發(fā)率增大，圖6 為著火時刻葉片優(yōu)化前后的燃油蒸發(fā)率，葉片優(yōu)化前比葉片優(yōu)化后高出9.31%。所以在預(yù)混燃燒階段葉片優(yōu)化前柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒更加劇烈，相應(yīng)的放熱率峰值較高，但同時說明葉片優(yōu)化后柴油機(jī)的主要燃燒過程集中在擴(kuò)散燃燒階段，因此從上止點附近—730°曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)葉片優(yōu)化后柴油機(jī)缸內(nèi)放熱率比原型機(jī)高出很多。葉片優(yōu)化前柴油機(jī)全部燃燒進(jìn)程較葉片優(yōu)化后滯后，因原型機(jī)后燃比較嚴(yán)重，但葉片優(yōu)化后氧氣充足，使得局部缺氧現(xiàn)象進(jìn)一步緩解、熱量利用率有效提升，所以曲軸轉(zhuǎn)角730°開始，葉片優(yōu)化后的柴油機(jī)放熱率低于原型機(jī)，故葉片優(yōu)化后柴油機(jī)低速工況下（1 200 r/min）的經(jīng)濟(jì)性有效改善。

圖6 葉片優(yōu)化前后蒸發(fā)率對比

圖7 為優(yōu)化前后海拔5 500 m 條件下柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速工況（1 200 r/min）缸內(nèi)溫度對比圖，通過分析可知，葉片優(yōu)化后柴油機(jī)的整體缸溫低于原機(jī)。主要原因有兩個：

圖7 葉片優(yōu)化前后缸溫對比圖

1）葉片優(yōu)化后缸內(nèi)進(jìn)氣及柴油增加，滯燃期較短，預(yù)混燃燒階段的混合氣濃度降低，缸內(nèi)溫度迅速升高的現(xiàn)象得以緩解；

2）原機(jī)后燃較嚴(yán)重，導(dǎo)致燃燒后期缸溫高于葉片優(yōu)化后的柴油機(jī)，從而使活塞及氣缸熱負(fù)荷升高，排溫變高，污染物的生成與排放增加。

2.2 高海拔下葉片優(yōu)化前后NO 排放特性研究

圖8 為葉片優(yōu)化前后海拔5 500 m 條件下柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速工況（1 200 r/min）NO 排放對比分析示意圖。通過分析可知，葉片優(yōu)化前后NO 排放隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律相同，燃燒開始階段NO 排放漸漸生成，曲軸轉(zhuǎn)角在723°～727°區(qū)間時排放量無增長，之后NO 的生成量逐步增長，在燃燒末期時生成量為最大值。盡管優(yōu)化后柴油機(jī)缸內(nèi)溫度比原機(jī)低，但是進(jìn)氣量充足，氧氣濃度比原機(jī)高，氧氣濃度會對NO排放產(chǎn)生較大影響，因此葉片優(yōu)化后柴油機(jī)NO 排放量比原機(jī)高，優(yōu)化后較原機(jī)最多高17.13%。

圖8 葉片優(yōu)化前后NOx 排放對比圖

捷式反應(yīng)機(jī)理[15]解釋了圖8 中曲軸轉(zhuǎn)角在723°～727°區(qū)間內(nèi)NOx的變化規(guī)律，NO 的生成量與缸內(nèi)O含量關(guān)系密切，且反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。

圖9 為葉片優(yōu)化前后海拔5 500 m 條件下柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速工況（1 200 r/min）缸內(nèi)O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律曲線，在722°～727°區(qū)間內(nèi)，葉片優(yōu)化前缸內(nèi)燃燒劇烈，缸溫比較高，在該區(qū)間時O2在高溫下分解的O 原子含量比葉片優(yōu)化后柴油機(jī)高，因此NO 的生成量要高于葉片優(yōu)化后柴油機(jī)。伴隨著擴(kuò)散反應(yīng)，葉片優(yōu)化后柴油機(jī)溫度漸漸升高，加之缸內(nèi)氧氣充足，氧原子數(shù)量不斷增加，導(dǎo)致NO 生成量不斷增加。

圖9 葉片優(yōu)化前后O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比圖

圖10 及11 為葉片優(yōu)化后海拔5 500 m 條件下柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速工況（1 200 r/min）缸內(nèi)氧濃度及NO生成變化云圖。曲軸轉(zhuǎn)角為727°時，葉片優(yōu)化后柴油機(jī)油束周圍的氧氣濃度要比原機(jī)高，因此該區(qū)域NO的生成量也較原機(jī)高。當(dāng)活塞下行時，伴隨著逆擠流運動的進(jìn)行，余隙內(nèi)及缸側(cè)壁周圍的氧氣含量不斷增加，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角為735°時，葉片優(yōu)化后柴油機(jī)在該區(qū)域的氧氣濃度比原機(jī)高，從圖11 可以看出該區(qū)域NO 生成量較多。在燃燒末期時，原機(jī)燃燒室周圍的氧氣基本燃盡，但是葉片優(yōu)化后柴油機(jī)在該區(qū)域的氧氣濃度較大，因此葉片優(yōu)化后柴油機(jī)在燃燒室側(cè)底部NO 生成量比原機(jī)多。

圖10 葉片優(yōu)化后氧含量對比云圖

圖11 葉片優(yōu)化后NO 對比云圖

2.3 高海拔下葉片優(yōu)化前后Soot 排放特性研究

圖12 為葉片優(yōu)化后海拔5 500 m 條件下柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速工況（1 200 r/min）Soot 排放對比圖。通過分析，葉片優(yōu)化后柴油機(jī)Soot 排放最高值下降，比原機(jī)下降5.60%。伴隨著燃燒的進(jìn)行，葉片優(yōu)化后柴油機(jī)缸內(nèi)溫度比原機(jī)低，缸內(nèi)局部缺氧區(qū)域變小，因此Soot 排放量比原型機(jī)低，導(dǎo)致氧化進(jìn)程提前，在燃燒終止時氧化后Soot 排放量比原機(jī)小。

圖12 葉片優(yōu)化后Soot 排放對比圖

圖13 為葉片優(yōu)化前后海拔5 500 m 條件下柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速工況（1 200 r/min）OH 隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線。曲軸轉(zhuǎn)角737°前葉片優(yōu)化前后柴油機(jī)缸內(nèi)O 及OH 都不斷增加，因葉片優(yōu)化后柴油機(jī)氧氣濃度充足，使得O 及OH 在最高點處分別比原機(jī)高22.90%及16.03%。伴隨燃燒的進(jìn)行，缸內(nèi)溫度下降，氧氣消耗殆盡，導(dǎo)致O 及OH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷下降，而原機(jī)的降低時刻不僅提前且降低幅度較多，因此葉片優(yōu)化后柴油機(jī)對Soot 的氧化作用更強(qiáng)，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少的速率更快，氧化后的排量更小。

圖13 葉片優(yōu)化前后OH 基質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比圖

圖14、15 為葉片優(yōu)化后海拔5 500 m 條件下柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速工況（1 200 r/min）缸內(nèi)溫度及Soot 排放云圖，通過分析可知，燃燒室底部及余隙處周圍為Soot 的主要生成區(qū)域，曲軸轉(zhuǎn)角727°起，葉片優(yōu)化后柴油機(jī)Soot 生成量明顯減少，這主要與活塞底部內(nèi)側(cè)彎拐處溫度下降及氧濃度增大有關(guān)。隨著活塞不斷下行，葉片優(yōu)化后柴油機(jī)在余隙處的溫度不斷降低，此時活性基O 及OH 為最高值，一直高于原型機(jī)，導(dǎo)致Soot 生成量低于原型機(jī)。

圖14 葉片優(yōu)化后缸溫對比云圖

圖15 葉片優(yōu)化后Soot 排放對比云圖

3 結(jié)論

通過上述研究得到如下結(jié)論：

1）葉片優(yōu)化后柴油機(jī)缸內(nèi)余隙處、燃燒室底部混合氣分布更為均勻，整體缸溫低于原機(jī)，減少了局部缺氧現(xiàn)象，有效改善了缸內(nèi)燃燒狀況，提高了缸壓；從上止點附近—730°曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)葉片優(yōu)化后柴油機(jī)缸內(nèi)放熱率比原型機(jī)高出很多，730°開始，優(yōu)化后柴油機(jī)放熱率低于原型機(jī)，葉片優(yōu)化后柴油機(jī)低速工況下的經(jīng)濟(jì)性得到了提高。

2）葉片優(yōu)化前后NO 排放隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律相同，燃燒開始階段NO 排放漸漸生成，曲軸轉(zhuǎn)角在723°～727°區(qū)間時排放量無增長，之后NO 的生成量逐步增長，在燃燒末期時N 生成量為最大值，葉片優(yōu)化后柴油機(jī)NO 排放量比原機(jī)高，優(yōu)化后較原機(jī)最多高17.13%。

3）葉片優(yōu)化后柴油機(jī)Soot 排放最高值下降，比原機(jī)下降5.60%，主要生成區(qū)域為燃燒室底部及余隙處附近，Soot 的氧化作用更強(qiáng)，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少的速率更快，氧化后的排量更小。曲軸轉(zhuǎn)角737°前葉片優(yōu)化前后柴油機(jī)缸內(nèi)O 及OH 都不斷增加，O 及OH在最高點處分別比原機(jī)高22.90%及16.03%。