張衛(wèi)正,劉 曉,向長虎,原彥鵬

(北京理工大學機械與車輛工程學院,北京 100081)

前言

柴油機缸蓋鼻梁區(qū)歷來是燃燒室受熱件中熱負荷最高的區(qū)域之一,在高強化柴油機中尤為突出[1]。有關降低缸蓋熱負荷的現(xiàn)有研究中,大多數(shù)都是從缸蓋冷側散熱的角度,而很少從熱側傳熱的角度展開研究[2-4]?；凇伴_源節(jié)流”的思想,如果能夠控制高溫工質對缸蓋火力面的傳熱熱流,就能夠達到“節(jié)流”的效果。根據(jù)壁面?zhèn)鳠岬木植磕Ｐ蚚5],壁面接收的熱流主要受到缸內工質的湍流動能和工質與壁面的溫差等因素影響。因此,若能減小缸蓋火力面附近工質的湍流動能,或使缸內的高溫區(qū)遠離火力面,即可有效降低缸蓋的熱負荷。而改變油束與缸蓋火力面的相對位置即可改變高壓噴射對火力面附近湍流動能的影響,同時會改變高溫區(qū)的位置,進而影響缸蓋的傳熱和熱負荷。

1 計算模型

根據(jù)高強化柴油機的技術特點[6],對缸徑109mm、行程107mm、壓縮比14.8、轉速4 250r/min、升功率92kW/L的單缸高強化柴油機進行研究,其中噴油器采用10個0.21mm的噴孔。

從缸內傳熱角度研究全負荷工況下(單缸每循環(huán)噴油158mg)缸蓋的熱負荷時,缸內流動和燃燒過程等的模擬在專業(yè)的發(fā)動機仿真軟件AVL-Fire中進行,燃燒室三維模型的半剖形狀如圖 1所示。根據(jù)文獻[7]中用到的 CFD仿真原則,整個模型壁面劃分了一層 0.4mm左右的邊界層以滿足壁面函數(shù)法計算的要求。為了具體分析缸蓋火力面不同位置的熱流狀況等,選取氣缸中心線附近、缸蓋鼻梁區(qū)附近和活塞收口處正上方的3個特征點 T1、T2和 T3。

缸內湍流流動模擬采用雷諾應力模型,近壁處理采用雙層壁函數(shù)法,著火方式為多點著火的壓燃著火模型,燃燒過程采用了渦破碎模型,噴油過程中的湍流傳播、顆粒相互作用、壁面作用、燃油蒸發(fā)和油滴破碎等分別采用了O_Rourke模型、Schmidt模型、Walljet1模型、Dukowicz模型和Wave模型,相關模型參數(shù)參考文獻[8]等的研究成果。壁面對流傳熱計算采用Han-Reitz模型,以考慮近壁密度變化等對傳熱的影響。

仿真中壁面采用溫度邊界條件,溫度取值借鑒了文獻[1]和[9]的部分研究成果,其中缸蓋和活塞頂分區(qū)域加載不同的溫度,而缸套由于溫度變化很大而施加了隨時間變化的溫度邊界條件。軟件中的熱流計算相關參數(shù)取貼壁第一層網格內的數(shù)據(jù)。

2 噴霧射流對對流傳熱的影響

AVL-Fire中用到的Han-Reitz傳熱模型為[5]

式中:qc為對流傳熱密度,W/m2;ρ為工質密度, kg/m3;cp為比定壓熱容,J/(kg·K);u*為摩擦速度;Tg和Tw分別是缸內工質和壁面的溫度,K;y+為無量綱距離;G為能量源項,W/m3;ν為工質運動黏度,m2/s。

模型中的摩擦速度根據(jù)湍流動能求得[5]

式中:cD為常數(shù),cD=0.09;k為湍流動能,m2/s2。

結合兩個公式可知,缸內對流傳熱主要受到壁面附近的湍流動能、工質與壁面的溫差等影響。

噴油過程中,噴孔出口的噴油速度為[10]

式中:vf為噴油速度,m/s;pf為噴油壓力,Pa;p為噴油背壓(缸壓),Pa;ρf為燃油密度,kg/m3。

高強化柴油機中噴射壓力高達180MPa,考慮到流通系數(shù)的影響,噴油速度仍會超過 400m/s。同時,油束附近區(qū)域往往也是缸內工質的高溫區(qū),噴孔到缸蓋火力面的距離一般約為3mm,因此,噴霧射流引起的強湍流和高溫度對缸蓋火力面的對流傳熱影響可見一斑。

噴霧射流主要直接受噴孔夾角、噴孔位置和噴霧錐角 3個參數(shù)的影響,因此文中主要研究這 3個參數(shù)。高強化柴油機中的原型參數(shù)分別是噴孔夾角160°、噴孔出口截面中心突出缸蓋火力面 2.6mm和噴霧錐角 10°。在對比研究中,分析了噴孔夾角150°、155°和 160°,噴孔位置 2.6、4和 5mm,噴霧錐角 4°、10°和 16°等,其它參數(shù)完全相同。

如果不考慮缸蓋火力面冷側冷卻水溫的變化,則缸蓋火力面的溫度僅受熱側高溫燃氣的影響,熱側的加熱熱流大小直接決定了缸蓋火力面的溫度。因此,考查改善效果的標準是在不顯著影響燃燒效率和活塞最高熱負荷的前提下,降低缸蓋火力面的熱流,并盡量使熱流均勻分布。

3 噴孔夾角

隨著噴孔夾角的增大,油束以噴孔出口為旋轉軸朝靠近缸蓋的方向旋轉,氣缸中心線附近空氣利用率下降、外圍空氣利用率上升,缸內的強湍流區(qū)和高溫區(qū)更接近缸蓋火力面,從而引起燃燒效率的改變和缸蓋火力面?zhèn)鳠崃康脑黾?。但?噴孔夾角過小又會導致燃油集中噴在活塞沉坑內,使活塞沉坑內空氣利用率提高、氣缸外圍的空氣利用率降低。因此為了保證燃燒效率,需兼顧中心部位和外圍的空氣利用率,噴孔夾角要折中選擇。圖 2為不同噴孔夾角下缸內局部湍流動能和局部溫度在不同曲軸轉角時的分布情況?？梢钥闯?隨著噴孔夾角的增大,強湍流區(qū)和高溫區(qū)都向缸蓋火力面靠近,同時缸蓋火力面的約束使得湍流強度有減弱的趨勢。

圖3為噴孔夾角 150°、155°和 160°時缸蓋火力面的局部熱流分布。從循環(huán)平均熱流密度看,隨著噴孔夾角的增大,除了 T2處鼻梁區(qū)的熱流密度大幅度增加外,其它部位的熱流變化不大,但熱流密度的增加幅度有不斷變大的趨勢。結合圖 2可以發(fā)現(xiàn),噴孔夾角從 150°增至 155°時,強湍流區(qū)和高溫區(qū)雖然更靠近缸蓋火力面,但高溫區(qū)的邊緣仍稍遠離火力面,因此火力面的熱流增加幅度不太大。T3處受活塞收口處擠流和逆擠流作用,燃油霧化和燃燒狀況都較好,因此仍然是熱流密度最高點。噴孔夾角繼續(xù)增加至 160°后,高溫區(qū)完全貼近了缸蓋火力面,因此火力面熱流迅速增加。此時,T2處的鼻梁區(qū)幾乎處于高溫區(qū)的中心,因此該處熱流大幅度攀升,并超過T3處成為熱流最大處。

從圖 3中的熱流密度峰值看,噴孔夾角增大后, T1處氣缸中部的熱流峰值反而有所降低,這是由于油束與缸蓋火力面接近后,受到壁面約束,左右火力面一側的噴霧錐受到影響,霧化質量下降,燃燒變差。T3處則因外圍空氣利用率上升,燃燒狀況稍有改善,壁面的對流傳熱稍有增加。

總體看來,噴孔夾角為 155°時缸蓋火力面的熱流分布較為均勻。另外,噴孔夾角增大時,油束由射向活塞沉坑側壁下部變?yōu)樯喜?、甚至是活塞?因此活塞沉坑處熱負荷降低、活塞頂熱負荷增加。仿真結果顯示,噴孔夾角從 150°增至 155°和 160°時,活塞上最大熱流密度始終在活塞收口處,其循環(huán)平均熱流從1.47MW/m2分別提高了7.8%和10.3%;活塞沉坑底部各處的循環(huán)平均熱流則有10%～20%的降低。

仿真的燃燒效率變化規(guī)律和文獻[11]的實驗結果吻合,在噴孔夾角從 150°增至 155°時累積放熱量從6 288J增加了4%,噴孔夾角繼續(xù)增至 160°時累積放熱量則反而下降了 0.5%,因此 155°左右為最佳噴孔夾角,此時燃燒效率最高。

由此可見,在高強化柴油機中,較大的噴孔夾角有利于燃燒,但是較小的噴孔夾角有利于降低缸蓋的熱負荷;噴孔夾角 155°左右時燃燒效率最高而缸蓋熱負荷不太大,是比較理想的噴孔夾角。

4 噴孔位置

這里的噴孔位置特指噴孔出口截面中心突出缸蓋火力面的距離(以下簡稱突出距離)。當突出距離減小時,油束沿氣缸中心線朝靠近缸蓋的方向平移,缸蓋因高溫區(qū)靠近而具有更高的熱負荷。此距離過大時會使燃油大量噴在活塞沉坑內,影響燃燒效率和活塞熱負荷。限于篇幅,后續(xù)分析中不再列出類似圖 2的三維分析結果。

圖4為不同突出距離時缸蓋火力面的局部熱流分布。隨著突出距離的減小,由于高溫區(qū)明顯靠近缸蓋火力面,會使火力面的熱流整體提高,尤其是氣缸中心部位。突出距離從 5mm減小約一半時,T2處鼻梁區(qū)的循環(huán)平均熱流密度和熱流密度峰值都提高了兩倍而成為最高熱流處;受高壓噴射的影響,氣缸中心部位的空氣利用率不高,因此 T1處熱流的增加幅度比 T2處小,但峰值也提高了近一倍,循環(huán)平均熱流提高了50%以上。只有熱流始終很高的 T3處增幅較小。

突出距離由5變?yōu)?和2.6mm時,活塞最大熱流密度處的循環(huán)平均值從 1.57MW/m2分別提高了3.7%和 3.1%,這應該歸功于燃燒效率的提高,因為在此變化中累積放熱量由6 302J分別提高3.8%和3.3%,也就是說,噴孔位置距火力面較近有利于提高燃燒效率,但同時會增加缸蓋和活塞的熱負荷。另外,噴孔夾角和噴孔出口的突出距離對缸內燃燒和受熱件的熱負荷的影響不是簡單的疊加關系,須綜合考慮。

5 噴霧錐角

通過改變噴孔形狀和噴射壓力等,可以改變噴霧錐角。噴霧錐角增加有利于油氣混合,但會縮短油束射程,降低氣缸外圍的空氣利用率。

圖5為不同噴霧錐角時缸蓋火力面的局部熱流分布?？梢钥闯?噴霧錐角從 4°增至 16°的過程中,由于射程縮短,同時油氣混合更好,氣缸中部的燃油量增加,因此距氣缸中心線較近的 T1和 T2處熱流大幅增加,增幅分別接近50%和30%;活塞收口正上方的T3處熱流則稍有下降。

噴霧錐角從 4°增至 10°和 16°時,累積放熱量由6 384J分別下降了5.1%和9.7%;活塞最大熱流密度處的循環(huán)平均值則從1.57MW/m2分別降低了9.3%和20.5%?？梢?噴霧錐角增加雖能有效降低活塞的最大熱流,但同時會大大提高缸蓋的熱負荷。

6 結論

通過對高強化柴油機的三維仿真研究了噴霧射流對缸蓋熱負荷狀況的影響規(guī)律如下。

(1)通過改變噴霧射流的參數(shù),如噴孔夾角、噴孔位置(即出口突出距離)和噴霧錐角,可以有效改善缸蓋熱負荷。

(2)較大的噴孔夾角有利于燃燒但不利于降低缸蓋熱負荷;155°左右為最佳值,使得燃燒效率改善的同時缸蓋熱負荷不會顯著提高。

(3)減小噴孔出口突出距離,有利于提高燃燒效率,但會同時增加缸蓋和活塞的熱負荷。與噴孔夾角二者須綜合考慮,相互配合使用。

(4)噴霧錐角增大雖能改善活塞的熱負荷,但會大幅度增加缸蓋的熱負荷,尤其會增加鼻梁區(qū)等危險部位的熱負荷。

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