某柴油機(jī)炭煙排放改善研究

趙春生，劉艷利，丁技峰

（中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，山西大同037036）

實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的排放更加清潔是發(fā)動(dòng)機(jī)研制、生產(chǎn)廠商孜孜以求的目標(biāo)。就減少柴油機(jī)的炭煙而言，由于其形成過(guò)程比較復(fù)雜，影響其生成的因素相對(duì)繁多，消除炭煙仍有大量工作要做，減小柴油機(jī)炭煙的工作仍在積極進(jìn)行之中。

1 炭煙的形成與氧化

在柴油機(jī)燃燒室中，炭煙的形成和燃燒是在主燃燒期內(nèi)同時(shí)進(jìn)行的，而部分炭煙在作功行程開始時(shí)即燒掉了。在一個(gè)循環(huán)中炭煙的生成比其被燒掉更重要。燃燒室中炭煙形成的變化總的來(lái)說(shuō)反映出了發(fā)動(dòng)機(jī)排煙水平的變化［1］。

圖1 柴油機(jī)燃燒過(guò)程炭煙的形成和氧化

炭煙排放有一個(gè)基本的生成源，那就是主噴油部分的溫度和當(dāng)量比隨時(shí)間的變化關(guān)系，圖1示出了炭煙的生成和氧化過(guò)程。炭煙的形成強(qiáng)烈地依賴于溫度以及缺氧，而炭煙的氧化強(qiáng)烈地依賴于溫度，并且需要過(guò)量氧。炭煙的最大生成率發(fā)生在富油側(cè)，炭煙的最大氧化率發(fā)生在貧油側(cè)的高溫理想混合區(qū)。同時(shí)可見(jiàn)，影響炭煙排放的主要參數(shù)為局部溫度和當(dāng)量比。一般來(lái)說(shuō)，將溫度曲線向B向移動(dòng)或?qū)?dāng)量比曲線向A向移動(dòng)均會(huì)減小炭煙排放。例如，在燃油中摻水，降低了燃燒初期的火焰溫度，延長(zhǎng)了滯燃期，增加在預(yù)混合火焰中燃燒的燃油比例，因而減少在擴(kuò)散火焰中生成炭煙量［2］。但是柴油摻水技術(shù)因?yàn)槭褂蒙系穆闊┥形磸V泛應(yīng)用。

柴油機(jī)本身的特征參數(shù)對(duì)柴油、空氣的混合和燃燒過(guò)程有著重要影響，從而對(duì)炭煙的生成和氧化產(chǎn)生決定性影響。由于這些參數(shù)的相互制約，從而對(duì)炭煙的影響有時(shí)是此消彼長(zhǎng)，這就給研究工作帶來(lái)了很大困難。研究人員經(jīng)過(guò)多年的試驗(yàn)研究，對(duì)柴油機(jī)的各參數(shù)以及各參數(shù)間對(duì)炭煙的形成和氧化過(guò)程的影響有了較為全面的了解，其中高壓噴油和空氣渦流作為敏感參數(shù)改善了燃油霧化及混合物的形成，增加了空氣攜帶量，這將減小燃燒室中富油區(qū)的當(dāng)量比，從根本上減少了炭煙生成量。

2 某柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)分析

某柴油機(jī)為淺ω燃燒室、供油壓力80MPa、無(wú)渦流、4氣門、增壓中冷柴油機(jī)。整機(jī)性能存在主要問(wèn)題是油耗較高、排氣煙度較大，全負(fù)荷最大煙度接近4Bosch煙度值。為了能直觀、深入地理解該柴油機(jī)氣缸內(nèi)工作過(guò)程，利用CFD仿真軟件FIRE進(jìn)行了氣缸內(nèi)過(guò)程分析，可更好的觀測(cè)和分析燃燒過(guò)程中的微小變化。內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)流動(dòng)是強(qiáng)瞬變、不定常的湍流流動(dòng)。燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)情況對(duì)噴束的霧化及油氣混合有著強(qiáng)烈的作用和影響。

圖2 不同時(shí)刻氣缸內(nèi)流場(chǎng)與燃油分布

圖2給出了10°CA ATDC、20°CA ATDC和25°CA ATDC氣缸內(nèi)流場(chǎng)與燃油分布情況，從圖中可以看出，隨著噴霧和燃燒過(guò)程的進(jìn)行，逆擠流的作用使得油束兩側(cè)的渦團(tuán)逐漸消失，高溫高壓氣體攜帶未燃燃油以及中間產(chǎn)物沖出燃燒室尋找新鮮空氣，以促使發(fā)生二次氧化反應(yīng)，但由于沒(méi)有渦流的作用，燃燒室為淺盆形對(duì)擠流的保持性較差，氣流運(yùn)動(dòng)只能靠油束慣性作用，從圖2左側(cè)流場(chǎng)軸向分布可以看出，慣性作用下燃油的主要運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榘伎颖诿婧晚敳坑嘞?，由于大量燃油向凹坑壁面發(fā)展，必然會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域燃油堆積；向頂部余隙發(fā)展的燃油，由于燃燒室上方區(qū)域空間太小，而且溫度較低，與氣缸壁面接觸的面積增大，從而增加了發(fā)生火焰淬熄的幾率。

通過(guò)對(duì)三維結(jié)果的分析可以發(fā)現(xiàn)，該型機(jī)燃燒系統(tǒng)存在著不足，由于噴油壓力低、無(wú)空氣渦流，使得燃油霧化不好，油氣混合不均勻，造成燃燒過(guò)程炭煙的大量生成。

3 燃燒系統(tǒng)改進(jìn)方案分析研究

針對(duì)影響柴油機(jī)炭煙生成的敏感參數(shù)——噴油壓力、空氣渦流對(duì)燃燒室進(jìn)行了三種不同匹配方案的研究（表1）。噴油壓力與原型機(jī)相比均提高至100MPa，考慮了噴孔數(shù)和噴孔直徑這兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化引起貫穿距的相應(yīng)變化，并針對(duì)不同的噴孔數(shù)匹配了相應(yīng)的渦流比，旨在加強(qiáng)油氣混合，使燃燒盡可能充分。圖3～圖7為不同方案與原型機(jī)壓力、溫度、放熱率、剩余燃油量和擠流強(qiáng)度結(jié)果對(duì)比。

從壓力和溫度曲線對(duì)比情況可以看出，方案A1與A2比較接近，方案A3介于A1、A2和原型機(jī)之間，從圖6可以發(fā)現(xiàn)，原型機(jī)與方案A相比，燃燒終了時(shí)剩余燃油量很大，燃燒持續(xù)期最長(zhǎng)，導(dǎo)致了最終燃燒效果比較差。改進(jìn)后方案A1、A2與A3相比，方案A1無(wú)論是在急燃期還是在燃燒后期，燃油剩余均是最少的，燃燒最完全，持續(xù)時(shí)間最短，效率最高，A2次之，A3最差。

表1 計(jì)算方案

圖3 計(jì)算方案與原型機(jī)壓力對(duì)比圖

圖4 計(jì)算方案與原型機(jī)溫度對(duì)比圖

圖6 計(jì)算方案與原型機(jī)剩余燃油對(duì)比圖

圖7 計(jì)算方案與原型機(jī)擠流強(qiáng)度對(duì)比圖

圖7為方案A與原型機(jī)擠流強(qiáng)度對(duì)比情況，從圖中可以分析出擠流強(qiáng)度峰值高于原型機(jī)，噴油系統(tǒng)參數(shù)對(duì)燃燒室內(nèi)擠流強(qiáng)度的峰值影響并不大。

由于氣缸內(nèi)擠流強(qiáng)度的大小直接影響著混合氣的形成以及燃燒過(guò)程的改善，而方案A所對(duì)應(yīng)的燃燒室擠流強(qiáng)度較150原型機(jī)有明顯提高，因此，更有利于促進(jìn)氣缸內(nèi)油氣混合，這也從一個(gè)側(cè)面解釋了方案A優(yōu)于原型機(jī)的原因。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)原型機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證整機(jī)性能及全負(fù)荷煙度的改善情況。保持功率不變，柴油機(jī)外特性排溫、燃油消耗率、煙度對(duì)比見(jiàn)圖8～圖10。

試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)提高噴油壓力、增加空氣渦流，改善了燃油霧化與混合氣的形成，空氣利用率得以提高。相同功率下整機(jī)的排溫、燃油消耗率、煙度較大幅度的得到改善。

圖8 原機(jī)與改進(jìn)后排溫比圖

圖9 原機(jī)與改進(jìn)后燃油消耗率對(duì)比

圖10 原機(jī)與改進(jìn)后煙度對(duì)比

高壓噴油改善了非蒸發(fā)油束的霧化和空氣攜帶量，縮短滯燃期和燃燒持續(xù)期，從根本上抑制了炭煙的生成。

5 結(jié)論

（1）利用CFD技術(shù)分析了某柴油機(jī)氣缸內(nèi)過(guò)程，指出炭煙較大的原因。

（2）高壓噴油改善了非蒸發(fā)油束的霧化及混合物的形成，使燃燒持續(xù)期縮短，從根本上降低了火焰中炭煙濃度。

（3）提高空氣渦流比提高了空氣的攜帶量，從而減少了油束中富油區(qū)的當(dāng)量比，降低了炭煙生成幾率。

（4）通過(guò)多方案分析計(jì)算，確定了較優(yōu)方案進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

（5）通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，整機(jī)性能指標(biāo)得到明顯改善。

［1］鄭 昕.柴油機(jī)排煙的形成及其控制［J］.內(nèi)燃機(jī)，1989，（5）：18－19.

［2］劉巽俊.內(nèi)燃機(jī)排放與控制［M］.西安：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.