進(jìn)氣擋板對(duì)TBD620柴油機(jī)燃燒過(guò)程的影響分析

，，

(海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，武漢 430033)

TBD620柴油機(jī)在進(jìn)氣系統(tǒng)中成功地采用了先進(jìn)的“HALLO雙進(jìn)氣道可控渦流”技術(shù)，柴油機(jī)的每只氣缸蓋上布置有兩個(gè)進(jìn)氣道和一個(gè)排氣道。兩個(gè)進(jìn)氣道彼此獨(dú)立，一個(gè)進(jìn)氣道為直流進(jìn)氣道，另一個(gè)為渦流氣道。在直流氣道的入口處裝有一個(gè)可調(diào)節(jié)開(kāi)度的活門(mén)，活門(mén)的開(kāi)度由增壓壓力控制的調(diào)節(jié)桿隨負(fù)荷的變化自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

氣體經(jīng)雙進(jìn)氣道進(jìn)入氣缸，對(duì)燃燒室中混合氣的形成和燃燒發(fā)生影響，因此通過(guò)對(duì)柴油機(jī)TBD620可控雙進(jìn)氣道進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，探討進(jìn)氣擋板對(duì)TBD620柴油機(jī)燃燒過(guò)程的影響。

1 TBD620柴油機(jī)燃燒放熱率計(jì)算

對(duì)放熱規(guī)律的計(jì)算以零維熱力學(xué)模型(完全燃燒模型)為基礎(chǔ)進(jìn)行。

以實(shí)測(cè)p-φ?qǐng)D計(jì)算放熱率的基礎(chǔ)是熱力學(xué)第一定律。在燃燒過(guò)程中，燃油燃燒釋放出的熱量等于系統(tǒng)工質(zhì)總的內(nèi)能、對(duì)外所作的機(jī)械功和工質(zhì)與系統(tǒng)周壁所交換的熱量的總和。所以要計(jì)算各工況下的放熱率必須先求出等式中其它三項(xiàng)的值。

計(jì)算過(guò)程見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。

2 缸內(nèi)示功圖測(cè)試

為進(jìn)行TBD620柴油機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行工況的測(cè)試分析，建立了TBD620柴油機(jī)測(cè)試臺(tái)架。試驗(yàn)臺(tái)由TBD620V12柴油機(jī)，Y1900-S型水力測(cè)功器組成；臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)由缸內(nèi)壓力傳感器各種常規(guī)溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速傳感器、柴油機(jī)多功能測(cè)試儀和多功能數(shù)據(jù)采集儀組成。試驗(yàn)臺(tái)架和測(cè)試系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 性能測(cè)試臺(tái)架組成示意

TBD620V12型柴油機(jī)為增壓中冷V型12缸機(jī)，其性能參數(shù)見(jiàn)表1[2]。

表1 TBD620V12型柴油機(jī)性能參數(shù)

由于TBD620柴油機(jī)進(jìn)氣渦流調(diào)節(jié)，主要是解決長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行的問(wèn)題，因此測(cè)試工況主要在額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min、負(fù)荷從0至60%、不同進(jìn)氣渦流擋板開(kāi)度下進(jìn)行，并用文獻(xiàn)[3]中的方法對(duì)示功圖進(jìn)行了通道效應(yīng)的消除和上止點(diǎn)的標(biāo)定。

圖2給出了30%負(fù)荷下的示功圖及計(jì)算的放熱規(guī)律。

圖2 30%負(fù)荷下的示功圖及計(jì)算的放熱規(guī)律

3 燃燒放熱率計(jì)算結(jié)果分析

從放熱規(guī)律計(jì)算結(jié)果可以看出，TBD620V12型柴油機(jī)的放熱規(guī)律表現(xiàn)為典型高速大功率船用柴油機(jī)的放熱規(guī)律類型，該放熱規(guī)律具有兩個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)柴油機(jī)燃燒中的預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒兩部分。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)工況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定了不同負(fù)荷下不同進(jìn)氣擋板位置對(duì)燃燒始點(diǎn)、燃燒終點(diǎn)、預(yù)混燃燒峰值位置、預(yù)混燃燒峰值大小、預(yù)混燃燒比例的影響。

3.1 燃燒始點(diǎn)

圖3為不同負(fù)荷的不同進(jìn)氣擋板開(kāi)度下，燃燒始點(diǎn)的變化規(guī)律。

圖3 燃燒始點(diǎn)變化規(guī)

該機(jī)的噴油提前角為上止點(diǎn)前29°CA，由此可以確定其滯燃期的變化規(guī)律見(jiàn)圖4。

圖4 滯燃期變化規(guī)

隨著負(fù)荷的提高，滯燃期相應(yīng)變短，在進(jìn)氣擋板全關(guān)時(shí)，由10%負(fù)荷時(shí)的17.75 °CA縮短為60%負(fù)荷時(shí)的7.34 °CA。這是由于負(fù)荷增加，噴入氣缸的燃油量增加，使得燃油噴射壓力提高，噴油霧化改善，同時(shí)由于柴油機(jī)增壓壓力提高、進(jìn)氣量增加，使得油氣混合改善，相應(yīng)的滯燃期縮短。

在各負(fù)荷下，滯燃期都隨著進(jìn)氣擋板開(kāi)度的減小而變短，在10%負(fù)荷時(shí)，滯燃期由擋板全開(kāi)的18.31 °CA縮短為全關(guān)時(shí)的17.75 °CA；在60%負(fù)荷時(shí)，滯燃期由擋板全開(kāi)的8.28 °CA縮短為全關(guān)時(shí)的7.34 °CA。這是由于隨著進(jìn)氣擋板的關(guān)閉，柴油機(jī)主進(jìn)氣道流通截面積逐漸減小，新鮮空氣由渦流氣道進(jìn)入氣缸，提高了進(jìn)氣渦流比，使柴油機(jī)油氣混合改善，相應(yīng)的滯燃期縮短。

3.2 燃燒持續(xù)期

圖5為不同負(fù)荷的不同進(jìn)氣擋板開(kāi)度下，燃燒持續(xù)期的變化規(guī)律。

圖5 燃燒持續(xù)期變化規(guī)律

隨著負(fù)荷的增加，柴油機(jī)燃燒持續(xù)期相應(yīng)增加，由10%負(fù)荷下的69.4 °CA增加為81.9 °CA。隨著進(jìn)氣擋板位置的關(guān)閉，燃燒持續(xù)期有稍稍的縮短，但并不是特別的明顯，這說(shuō)明進(jìn)氣渦流的增加，可改善燃燒，但對(duì)柴油機(jī)燃燒持續(xù)期的影響并不十分明顯，燃燒持續(xù)期主要與柴油機(jī)負(fù)荷有關(guān)。

3.3 預(yù)混燃燒峰值

圖6為預(yù)混燃燒峰值在不同負(fù)荷不同進(jìn)氣擋板開(kāi)度下的變化規(guī)律。

圖6 預(yù)混燃燒峰值變化規(guī)

隨著負(fù)荷的增加，預(yù)混燃燒峰值迅速增加，在進(jìn)氣擋板關(guān)閉，柴油機(jī)負(fù)荷由10%提高到40%時(shí)，預(yù)混燃燒峰值由50.2 J迅速提高為141.7 J，但增加到一定程度后，預(yù)混燃燒峰值增加則不太明顯，在進(jìn)氣擋板關(guān)閉，柴油機(jī)負(fù)荷由40%提高到60%時(shí)，預(yù)混燃燒峰值由141.7 J只增加為148.1 J。這說(shuō)明隨著柴油機(jī)負(fù)荷的提高，噴油量隨之增加，預(yù)混燃燒量相應(yīng)的增大，但當(dāng)噴油量達(dá)到一定程度，再增加噴油量只是增加擴(kuò)散燃燒比例，預(yù)混燃燒量增加將不太明顯[4]。

隨著進(jìn)氣擋板開(kāi)度變小，預(yù)混燃燒峰值提高，但增長(zhǎng)幅值不是特別明顯，在10%負(fù)荷下，進(jìn)氣擋板由全開(kāi)變?yōu)槿P(guān)時(shí)，預(yù)混燃燒峰值由44.2 J上升為50.2 J。這是因?yàn)殡S著進(jìn)氣擋板的關(guān)閉，進(jìn)氣渦流的加強(qiáng)，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣量增加，從而使預(yù)混燃燒量增大，預(yù)混燃燒峰值升高。

3.4 預(yù)混燃燒持續(xù)期

圖7為預(yù)混燃燒持續(xù)期在不同負(fù)荷不同進(jìn)氣擋板開(kāi)度下的變化規(guī)律。

圖7 預(yù)混燃燒持續(xù)期變化規(guī)

隨著負(fù)荷的增大，預(yù)混燃燒持續(xù)期迅速增長(zhǎng)，在進(jìn)氣擋板關(guān)閉，柴油機(jī)負(fù)荷由10%提高到30%時(shí)，預(yù)混燃燒持續(xù)期由10.2 °CA迅速提高為12.5 °CA，負(fù)荷再進(jìn)一步增大時(shí)，預(yù)混燃燒持續(xù)期變化不太明顯。

在低負(fù)荷時(shí)，隨著進(jìn)氣擋板開(kāi)度變小，預(yù)混燃燒持續(xù)期相應(yīng)增長(zhǎng)，但隨著負(fù)荷的增加，這個(gè)趨勢(shì)逐漸的不再明顯。在10%負(fù)荷下，進(jìn)氣擋板由全開(kāi)變?yōu)槿P(guān)時(shí)，預(yù)混燃燒持續(xù)期由9.74 °CA增長(zhǎng)為10.20 °CA。這同樣是因?yàn)殡S著進(jìn)氣擋板的關(guān)閉，進(jìn)氣渦流的加強(qiáng)，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣量增加，從而使預(yù)混燃燒量增大，預(yù)混燃燒持續(xù)期增長(zhǎng)。小負(fù)荷下進(jìn)氣擋板位置的影響明顯，也說(shuō)明了渦流氣道對(duì)改善低負(fù)荷的有效性。

3.5 預(yù)混燃燒比例

圖8為不同負(fù)荷不同進(jìn)氣擋板開(kāi)度下，預(yù)混燃燒比例的變化規(guī)律。

圖8 預(yù)混燃燒比例變化規(guī)

隨著負(fù)荷的增加，預(yù)混燃燒比例相應(yīng)的降低。在進(jìn)氣擋板全開(kāi)，由20%負(fù)荷增加到60%負(fù)荷時(shí)，相應(yīng)的預(yù)混燃燒比例由0.311減小為0.231。這是由于隨著負(fù)荷的增加，循環(huán)噴油量增加，相應(yīng)的更多燃油不能在滯燃期內(nèi)迅速形成可燃混合氣而進(jìn)行擴(kuò)散燃燒，導(dǎo)致預(yù)混燃燒比例相應(yīng)降低。

隨著進(jìn)氣渦流擋板的關(guān)閉，預(yù)混燃燒比例相應(yīng)增大。在40%負(fù)荷下，進(jìn)氣擋板由完全打開(kāi)到完全關(guān)閉，預(yù)混燃燒比例由0.285 相應(yīng)提高到0.322。這是由于渦流擋板的關(guān)閉，提高了進(jìn)氣的渦流強(qiáng)度，加速了氣缸內(nèi)的油氣混合，形成了更多的可燃混合氣，使得預(yù)混燃燒比例增加。這明顯的說(shuō)明了渦流進(jìn)氣道對(duì)改善燃燒的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

在低負(fù)荷下，關(guān)閉進(jìn)氣渦流擋板，可提高進(jìn)氣渦流比，有效改善缸內(nèi)可燃混合氣形成質(zhì)量，縮短滯燃期、增強(qiáng)預(yù)混燃燒比例，從而改進(jìn)柴油機(jī)的燃燒過(guò)程，結(jié)合其它的改善低負(fù)荷手段，可保證TBD620型柴油機(jī)在低負(fù)荷下可靠長(zhǎng)期運(yùn)行。

[1] 周俊杰，邱 東，解茂昭，等.柴油機(jī)工作過(guò)程數(shù)值計(jì)算[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，1990.

[2] 張煜盛，常漢寶.可控進(jìn)氣渦流對(duì)柴油機(jī)低負(fù)荷性能影響的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2004，22(5):419-424.

[3] 王艷武.柴油機(jī)示功圖實(shí)時(shí)修正方法研究[D].武漢：海軍工程大學(xué),2003.

[4] Edwin Knobbe, Phd, Douwe Stapersma, et al.Some New Ideas for Performing Heat Release Analysis[C].Hamburg： CIMAC, 2001.