陸瑤 王銀燕

（哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院 哈爾濱 150001）

船用增壓柴油機(jī)不同負(fù)荷下燃燒排放性能研究

陸瑤 王銀燕

（哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院 哈爾濱 150001）

柴油機(jī)；負(fù)荷；燃燒；NO排放；Soot排放

為了研究柴油機(jī)在不同運(yùn)行工況下偏心燃燒室缸內(nèi)燃燒及排放情況，采用三維流體數(shù)值分析軟件AVL FIRE建立某型柴油機(jī)燃燒及排放的計(jì)算模型。通過對(duì)不同負(fù)荷下柴油機(jī)燃燒及排放的模擬，計(jì)算該型柴油機(jī)缸內(nèi)壓力、溫度等參數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化及燃燒溫度、燃空當(dāng)量比、NO和Soot的分布情況。研究表明：隨著負(fù)荷的增加，在高負(fù)荷下易出現(xiàn)燃油撞壁現(xiàn)象；NO生成量隨著負(fù)荷的增大而增加，在負(fù)荷增大到一定值時(shí)反而減小；NO生成主要分布于燃燒室偏心側(cè)，高工況時(shí)NO大量生成在燃燒室邊緣；Soot主要集中在油束與缸蓋之間的縫隙位置。

0 引言

柴油機(jī)以其高效、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于船舶、電站、工程機(jī)械中。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)柴油機(jī)的燃燒及排放性能要求也越來越高，這就對(duì)柴油機(jī)研究方法提出了更精細(xì)的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，仿真技術(shù)在柴油機(jī)的開發(fā)與性能預(yù)測(cè)方面應(yīng)用越來越廣泛，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)在洞察缸內(nèi)氣體流動(dòng)，燃燒以及排放物生成的有效方法［1］。

本文應(yīng)用AVL FIRE軟件建立了某船用增壓柴油機(jī)的仿真模型，對(duì)從進(jìn)氣門關(guān)閉到排氣門開啟整個(gè)噴霧燃燒過程進(jìn)行了三維仿真計(jì)算，分析了該型柴油機(jī)不同運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的燃燒及排放性能，得到了一些通過試驗(yàn)無法直接觀測(cè)的信息，對(duì)優(yōu)化柴油機(jī)燃燒與排放性能有一定指導(dǎo)作用。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 基本控制方程

內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒過程是包含化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜流動(dòng)過程，其遵循化學(xué)反應(yīng)流體力學(xué)的基本控制方程，即質(zhì)量、組分、動(dòng)量和能量守恒方程。在直角坐標(biāo)系下，方程形式如下［2］（以i方向?yàn)槔?/p>

（1）連續(xù)方程

（2）動(dòng)量方程

式中：ρ為流體混合物密度；

p為壓力；

ui為i方向速度；

gi為重力；

fi為其他阻力；

τij為黏性應(yīng)力張量。

（3）能量方程

式中：h0為總焓；

ml為組分m在混合物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

Γl為組分l的輸運(yùn)系數(shù)；

Γh為組分h的輸運(yùn)系數(shù)；

qR為輻射熱。

（4）組分方程

式中：Rl是由于化學(xué)反應(yīng)引起的組分l的產(chǎn)生率。

1.2 燃燒和噴霧模型

燃燒和噴霧模型的選擇如表1所示。

2 計(jì)算模型的建立和驗(yàn)證

2.1 柴油機(jī)的基本參數(shù)

本文研究對(duì)象是一臺(tái)12缸V型增壓中冷柴油機(jī)，其基本參數(shù)如表2所示。

表1 計(jì)算模型

表2 柴油機(jī)基本參數(shù)

2.2 幾何模型的建立與計(jì)算網(wǎng)格的劃分

對(duì)于柴油機(jī)缸內(nèi)過程的多維數(shù)值模擬，因存在活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用動(dòng)網(wǎng)格可以真實(shí)地反映柴油機(jī)實(shí)際工作情況。本研究采用FIRE軟件中的ESE模塊建立燃燒室的動(dòng)網(wǎng)格。計(jì)算采用六面體網(wǎng)格，下止點(diǎn)處網(wǎng)格數(shù)為247 112，上止點(diǎn)處網(wǎng)格數(shù)為157 760，網(wǎng)格示意圖如圖1所示。

圖1 計(jì)算網(wǎng)格

2.3 計(jì)算模型驗(yàn)證

通過計(jì)算模型的調(diào)試，得出額定工況下的示功圖如圖2所示。以實(shí)測(cè)示功圖與計(jì)算示功圖比較，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好，說明所選模型與參數(shù)設(shè)置是合理的。

圖2 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

3 不同負(fù)荷下燃燒特性分析

3.1 計(jì)算工況

根據(jù)柴油機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選取了1 800 r/min下4個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算分析，通過BOOST軟件計(jì)算得出壓縮始點(diǎn)的壓力作為計(jì)算初始條件［4］，計(jì)算工況參數(shù)如表3所示。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

通過模擬，得到了缸內(nèi)參數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況以及三維分布情況。

圖3為放熱率曲線。由圖可知，隨著負(fù)荷的增加，放熱率曲線往前移，燃燒始點(diǎn)越靠前；在高負(fù)荷下，擴(kuò)散燃燒峰值明顯，但在低負(fù)荷下，尤其在13%負(fù)荷下，沒有明顯的擴(kuò)散燃燒過程，這表明在低負(fù)荷下燃燒過程主要體現(xiàn)為預(yù)混合燃燒，這對(duì)降低碳煙排放很有利。

圖3 不同負(fù)荷下放熱率

圖4 不同負(fù)荷下平均溫度

圖4為缸內(nèi)溫度曲線。由圖可知，隨著負(fù)荷的增加，缸內(nèi)最高平均溫度也逐漸增加，由于高負(fù)荷下，滯燃期較短，燃油燃燒時(shí)刻較早，致使高負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)最高溫度出現(xiàn)時(shí)刻要早于低負(fù)荷。不同負(fù)荷下的著火始點(diǎn)及滯燃期如圖5所示。隨著負(fù)荷減小，著火時(shí)刻逐漸延后，滯燃期逐漸增加。圖6為10°CA ATDC不同負(fù)荷的溫度分布；圖7為10°CA ATDC不同負(fù)荷的燃空當(dāng)量比分布。由圖6、圖7可知，隨著滯燃期的延長，油束在缸內(nèi)渦流的作用下，分布在燃燒室的空間范圍增大，而在低負(fù)荷下，燃燒室內(nèi)溫度分布及燃油濃度分布比高負(fù)荷更加均勻，可認(rèn)為隨柴油機(jī)負(fù)荷的下降以及著火滯燃期的延長，在著火前燃油已呈接近完全蒸發(fā)的預(yù)混分布狀態(tài)，所以其燃燒過程應(yīng)為接近預(yù)混合壓燃方式，這也是柴油機(jī)在低負(fù)荷時(shí)碳煙排放較低的原因之一。

表3 計(jì)算工況

圖5 不同負(fù)荷下著火點(diǎn)及滯燃期

圖6 10°CA ATDC不同負(fù)荷溫度分布

圖7 10°CA ATDC 不同負(fù)荷燃空當(dāng)量比分布

4 不同工況下排放特性分析

圖8為NO生成曲線。由圖可知，NO在上止點(diǎn)前5°CA產(chǎn)生（稍晚于著火時(shí)間）,隨著燃燒的不斷進(jìn)行，NO生成量逐漸增多；高負(fù)荷下（89%、100%負(fù)荷）于上止點(diǎn)后35°CA左右達(dá)到一個(gè)較高值，以后幾乎不再增加；而在低負(fù)荷下（13%、38%負(fù)荷），NO在上止點(diǎn)前后就會(huì)達(dá)到較高值。這與柴油機(jī)在低負(fù)荷時(shí)燃燒溫度有關(guān)，在低負(fù)荷下，燃燒以預(yù)混合燃燒為主，而預(yù)混合燃燒溫度較低，NO生成量較少。

圖8 不同負(fù)荷NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖9 不同負(fù)荷Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖9為不同負(fù)荷Soot生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由圖可知，隨著負(fù)荷的增加，碳煙排放量有明顯的上升趨勢(shì)。因?yàn)椴裼蜋C(jī)隨著負(fù)荷的增加,每循環(huán)的噴油量會(huì)急劇增加，過量空氣系數(shù)減小，使部分燃油在缺氧的條件下燃燒，從而造成碳煙排放的明顯上升。在較小負(fù)荷時(shí)，碳煙排放量并不高，但在超負(fù)荷情況下，柴油機(jī)出現(xiàn)了非常高碳煙排放。大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)在小負(fù)荷時(shí)碳煙排放極低，僅為全負(fù)荷碳煙排放量的3%左右，并且在一定的負(fù)荷范圍內(nèi)始終維持較低的水平，僅當(dāng)負(fù)荷超過某一個(gè)值后，碳煙排放才開始明顯增加。這除了與此時(shí)空燃比較大有關(guān)外，還與在小負(fù)荷下燃燒過程接近預(yù)混合壓燃方式有關(guān)。

圖10顯示了不同負(fù)荷下10°CA ATDC NO濃度場(chǎng)。由圖可知，13%負(fù)荷和38%負(fù)荷下，NO在燃燒室內(nèi)分布較均勻；而在89%和100%負(fù)荷下，NO大量生成于燃燒室的邊緣。對(duì)比圖7燃油濃度場(chǎng)可知，在燃燒室邊緣燃空當(dāng)量比較小，氣態(tài)燃料濃度小，氧含量較高；對(duì)比圖6溫度場(chǎng)及圖4缸內(nèi)平均溫度曲線可知，在89%和100%負(fù)荷下，燃燒室內(nèi)溫度較高且高溫持續(xù)時(shí)間高于低負(fù)荷時(shí)，而高溫、富氧和可燃?xì)忾L時(shí)間停留在高溫中，滿足大量生成NO的條件。

圖10 10°CA ATDC不同負(fù)荷NO分布

圖11為不同負(fù)荷下10°CA ATDC Soot分布。由圖可知，在13%和38%下，由于噴油量較小，碳煙主要生成去油束的周圍，且生成域主要集中在油束與缸蓋之間的縫隙位置；在89%和100%負(fù)荷下，由于噴油量的增加，燃油碰壁現(xiàn)在也凸顯出來，附著在壁面的燃油的周圍，此處構(gòu)成了高溫，缺氧等生成碳煙的條件，故在著壁區(qū)有大量碳煙生成。

圖11 10°CA ATDC不同負(fù)荷Soot分布

5 結(jié)語

本文模擬了不同工況下柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒情況，得出了不同負(fù)荷下柴油機(jī)缸內(nèi)壓力、溫度、放熱規(guī)律等參數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系，并分析了不同工況下缸內(nèi)溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、NO及Soot濃度的分布規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）缸內(nèi)平均壓力與平均溫度的峰值隨著負(fù)荷的增大而增加，放熱率峰值隨著負(fù)荷的增加而遠(yuǎn)離上止點(diǎn)；

（2）隨著噴油量的增加，負(fù)荷的增大，在高工況下會(huì)出現(xiàn)噴霧撞壁的現(xiàn)象；

（3）隨著負(fù)荷的增加，NO與Soot生成量均增加，但NO生成量在負(fù)荷增加到一定值時(shí)反而減小。

［1］李云清.CFD在柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用［R］.AVL用戶大會(huì).2008.

［2］CFD-Solver_v2008_05_CFD-Solver［R］.AVL FIRE User Guide.v2008.

［3］CFD-Solver_v2008_04_ICE-Physics&Chemistry［R］.AVL FIREU ser Guide.v2008.

［4］焦運(yùn)景.車用直噴柴油機(jī)燃燒過程的數(shù)值模擬［D］.天津.天津大學(xué)：2006.

［5］劉永長.內(nèi)燃機(jī)原理作者［R］.武漢.華中科技大學(xué).2001.

［6］蔣德明.內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放學(xué)［R］.西安.西安交通大學(xué).2001.

Study on diesel combustion and emissions under different load

LU Yao WANG Yin-Yan
（Harbin Engineering University，College of Power and Energy Harbin 150001，China）

diesel；load；combustion；NO emissions；Soote missions

In order to study the combustion and emissions of diesel at different operating conditions，a calculation model of diesel’s combustion and emissions is established by using AVL FIRE，a three-dimensional computational fluid dynamics software.Through the simulation of diesel combustion and emissions at different load，the diesel engine cylinder pressure，temperature and other parameters changing with the crank angle and the distribution of combustion temperature，equivalence ratio and NO are studied.The results show that:With the load increasing，the fuel may hit the wall；the NO formation increases proportionally；but when the load increases to a certain value，the NO formation becomes decrease instead.The NO formation mainly concentrated at the eccentric combustion chamber，while under high load mainly at edge of the combustion chamber.Soot mainly concentrates in the oil gap between the beam and the cylinder head position.

U664.21

A

1001-9855（2011）03-0030-05

2011-01-17

陸瑤（1986-），女，碩士研究生，研究方向：內(nèi)燃機(jī)燃燒、排放性能。

王銀燕（1961-），女，教授、博士生導(dǎo)師，研究方向：內(nèi)燃機(jī)燃性能、增壓技術(shù)及增壓系統(tǒng)控制。