基于CFD某增壓柴油機(jī)不同海拔下的燃燒機(jī)理分析

徐華平, 張旭, 王浩東, 劉炳霞, 李 強(qiáng)

(1.江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)(2.鎮(zhèn)江四洋柴油機(jī)制造有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

高原地區(qū)空氣比較稀薄(表1為根據(jù)文獻(xiàn)[1]插值計(jì)算出的平原和海拔2 900,4 250 m的大氣參數(shù)),高原空氣中含氧量比平原地區(qū)空氣里的含氧量要低的多,工作在高原地區(qū)的柴油機(jī)難以正常運(yùn)行,進(jìn)入缸內(nèi)的空氣量較小,使得缸內(nèi)進(jìn)氣終點(diǎn)的壓力低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),致使壓縮終點(diǎn)壓力及溫度達(dá)不到應(yīng)有的水平,引起柴油機(jī)啟動(dòng)困難,小負(fù)荷時(shí)工作不穩(wěn)定,在大負(fù)荷時(shí)排煙變成濃黑色,柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒不完全,最大功率大幅度下降,耗油量上升、排放惡化,熱負(fù)荷升高和廢氣渦輪增壓器不能正常工作.同時(shí)潤(rùn)滑油和冷卻水溫度偏高、水箱經(jīng)常開鍋,影響了柴油機(jī)工作穩(wěn)定性.海拔越高,空氣越稀薄,柴油機(jī)的性能隨海拔的升高而惡化的影響也就越明顯[1],柴油機(jī)的可靠性與壽命也會(huì)減少.

目前,對(duì)柴油機(jī)的高原功率恢復(fù)、增壓研究以及一維計(jì)算比較多,但尚未針對(duì)柴油機(jī)在高原地區(qū)缸內(nèi)的三維模擬以及缸內(nèi)燃燒情況進(jìn)行研究.

文中利用流體分析軟件包STAR-CD以及ES-ICE模塊,在改變大氣狀況下模擬了高原環(huán)境下缸內(nèi)的燃燒過程,分析了溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)以及NOx排放,研究燃燒參數(shù)隨海拔高度變化而變化的規(guī)律,研究結(jié)果對(duì)改善柴油機(jī)在高原地區(qū)的燃燒有重要意義.

表1 大氣參數(shù)隨海拔高度的變化Table 1 Parameters of atmospheric at different altitude

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 缸內(nèi)氣體湍流擴(kuò)散模型

選用計(jì)算精度高、成本低的重整化群(RNG)的k-ε模型[2-3]來模擬缸內(nèi)氣體流動(dòng).方程如下:

(1)

(2)

(3)

式中,k為湍動(dòng)能,ε為耗散率,ρ為密度,αk和αε分別為k和ε的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù),μeff為有效粘性系數(shù),η=Sk/ε,S=(2sij·sij)1/2,sij為流體變形張量,η0=4.38,β=0.012,Gb為由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能,Gk為由浮力影響引起的湍動(dòng)能,YM為壓速湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響,R為平均應(yīng)變率對(duì)ε的影響,C1ε=1.42,C2ε=1.68,C3ε=1.42,Cμ=0.085.

1.2 噴霧和燃燒模型

文中利用STAR-CD軟件中現(xiàn)有的Reitz-Diwakar霧化模型、Reitz破碎模型和Bai碰壁模型.采用ECFM-3Z(3-zones extended coherent flame model)燃燒模型,其基于火焰面密度輸運(yùn)方程上增加了混合模型,并有空氣區(qū)、混合區(qū)和燃油區(qū)的區(qū)域混合描述,能夠描述非均勻湍流預(yù)混合和擴(kuò)散燃燒過程(圖1).液滴燃料先在燃料區(qū)F中蒸發(fā),蒸發(fā)后形成的燃料蒸汽位于燃料區(qū)F中,然后一部分燃料蒸汽由燃料區(qū)F進(jìn)入混合區(qū)M;同時(shí)空氣也由空氣區(qū)A進(jìn)入混合區(qū)M,在混合區(qū)實(shí)現(xiàn)燃料與空氣的混合.此理論假設(shè)更接近柴油機(jī)的實(shí)際燃燒過程[4].

圖1 ECFM-3Z火焰模型結(jié)構(gòu)Fig.1 ECFM-3Z flame model

2 幾何模型及驗(yàn)證

柴油機(jī)的基本參數(shù)如下：缸徑×行程為114×135 mm,標(biāo)定功率為264 kW,標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2 430 r/min,壓縮比為16∶1，最大功率為290 kW,最大功率轉(zhuǎn)速為2 500 r/min,噴油提前角為12°CA. 圖2為所建立的柴油機(jī)網(wǎng)格模型.在建立氣缸實(shí)體模型時(shí)，燃燒室的中心線和氣缸中心線有偏移,因此不能按照噴嘴數(shù)劃分扇區(qū)計(jì)算,必須整體建模計(jì)算.在三維CAD軟件UG中建立幾何模型,然后導(dǎo)入STAR-CD中的內(nèi)燃機(jī)網(wǎng)格生成工具ES-ICE中,建立用于計(jì)算的網(wǎng)格模型.燃油噴射溫度為313 K,噴油提前角為12°CA,噴油持續(xù)期20°CA;柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min.設(shè)定燃燒壁面溫度為550 K,缸蓋壁溫度520 K,缸套壁溫度500 K.

圖2 柴油機(jī)網(wǎng)格模型Fig.2 Turbocharged diesel grid model

為了驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性,在平原環(huán)境條件下,將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,如圖3.兩條曲線吻合良好,計(jì)算的最高燃燒壓力為14.05 MPa,對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角(θ)為369.5°CA;實(shí)驗(yàn)值的最高燃燒壓力為13.84 MPa,對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為369.6°CA.模擬結(jié)果比較接近實(shí)際,說明建立的計(jì)算模型基本合理,精度滿足工程實(shí)際要求.

圖3 示功圖的計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.3 Comparison of pressure′s computed values and experimental values

3 計(jì)算結(jié)果分析

采用上述柴油機(jī)分別在海拔2 900 m和海拔4 250 m下進(jìn)行三維數(shù)值模擬.圖4為不同時(shí)刻下不同海拔缸內(nèi)溫度場(chǎng),從上到下3行分別為平原、海拔2 900 m和海拔4 250 m下缸內(nèi)的剖面溫度分布圖.從圖中可以看出,TDC時(shí)刻,海拔2 900 m和海拔4 250 m的火焰?zhèn)鞑ヒ绕皆目? 這是由于剛開始燃燒時(shí),放熱率增加,燃燒持續(xù)期減少,但是平原的缸內(nèi)最高溫度比兩個(gè)海拔下高;在火焰?zhèn)鞑サ倪^程中,由于燃燒小渦流的存在,燃燒膨脹的氣體在燃燒室附近形成逆擠流,帶動(dòng)燃燒室內(nèi)的高溫燃?xì)饬髁飨蛴嘞度莘e,使火焰?zhèn)鞯接嘞度莘e[5],10°TDC時(shí)刻,海拔2 900 m和海拔4 250 m的燃燒已經(jīng)充分?jǐn)U散并向余隙發(fā)展,缸內(nèi)溫度高于平原;20°TDC時(shí)刻圖示平原的缸內(nèi)溫度分布比兩個(gè)海拔的平均.總體而言平原下的燃燒比海拔2 900 m和海拔4 250 m平穩(wěn).

圖4 不同海拔缸內(nèi)溫度場(chǎng)Fig.4 Combustion temperature in diesel engine in different altitude

圖5為不同海拔下缸內(nèi)放熱率曲線,其中β為放熱率.圖6為不同海拔下缸內(nèi)燃燒溫度曲線.

圖5 不同海拔缸內(nèi)放熱率Fig.5 Heat release rate curve in diesel engine in different altitude

圖6 不同海拔缸內(nèi)燃燒溫度Fig.6 Combustion temperature curve in diesel engine in different altitude

對(duì)比文獻(xiàn)[6]試驗(yàn)結(jié)果(其試驗(yàn)在內(nèi)燃機(jī)高原環(huán)境模擬試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行,該試驗(yàn)臺(tái)通過進(jìn)氣節(jié)流、排氣抽真空方式模擬0～5 km海拔的大氣壓力).與其標(biāo)定轉(zhuǎn)速(2 100 r/min)下缸內(nèi)放熱率曲線和缸內(nèi)燃燒溫度曲線在趨向上大體相同,都是隨海拔的升高放熱率重心前移,峰值下降,缸內(nèi)溫度上升且最高溫度出現(xiàn)位置前移.

隨海拔的上升,進(jìn)入氣缸的空氣量減少,氧含量減少,形成的可燃混合氣數(shù)量減少,造成放熱率峰值減小;噴入缸內(nèi)的燃油量相等,空燃比減小,因此在放熱量不大的情況下,缸內(nèi)被加熱的空氣總量減少,在滯燃期內(nèi)累計(jì)的可燃混合氣量增加,預(yù)混合燃燒的速度和強(qiáng)度均增加,預(yù)混燃燒放熱速率較快,參與初期燃燒的燃料量增加,于是放熱率重心前移.

平原和兩個(gè)高度下燃燒始點(diǎn)分別為:349.80,349.97,350.08 °CA.高原下燃燒始點(diǎn)比平原下略微延遲,這是由于高原下大氣壓力低,壓縮沖程末期氣缸內(nèi)壓力和溫度相應(yīng)降低,使得著火時(shí)間推遲,滯燃期增加,從而延長(zhǎng)了燃油與空氣的預(yù)混合時(shí)間,所以著火之后快速燃燒,放熱率較快到達(dá)峰值.高原下缸內(nèi)混合氣的密度比平原下減小,反應(yīng)物分子之間的碰撞概率和反應(yīng)概率減小,也導(dǎo)致了滯燃期的增加.

燃燒溫度隨海拔高度的增加而上升,主要由于高原下單位氣缸工作容積內(nèi)混合氣燃燒放出的熱量增加,高溫氣體進(jìn)一步加快了擴(kuò)散燃燒階段燃油蒸發(fā)速度,促使缸內(nèi)燃燒溫度升高的速度更快[6-7];另外對(duì)于增壓柴油機(jī)來說,隨著海拔的上升,渦輪的轉(zhuǎn)速升高,但仍無法完全彌補(bǔ)由于大氣壓力的降低而導(dǎo)致進(jìn)氣量的減少,而渦輪轉(zhuǎn)速的提高也會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)后出口溫度升高[8],兩方面綜合原因?qū)е赂咴赂變?nèi)燃燒溫度上升.由于滯燃期增加,在這一時(shí)期缸內(nèi)的燃油量增多,這些燃料幾乎同時(shí)著火,速燃期燃燒速度增加.所以高原下缸內(nèi)最高燃燒溫度出現(xiàn)位置提前于平原地區(qū).430°CA后,平原燃燒基本結(jié)束,海拔2 900 m和海拔4 250 m下繼續(xù)在燃燒,這是由于燃油量相對(duì)增加和空燃比的減小,使得不完全燃燒現(xiàn)象增加,放熱速率放慢,放熱率峰值隨海拔的上升而減小,燃燒持續(xù)期延長(zhǎng),后燃現(xiàn)象嚴(yán)重.高原下燃燒后期仍然保持較高溫度,降低了柴油機(jī)的熱效率,也加重了柴油機(jī)的熱負(fù)荷.另外高原下柴油機(jī)的渦輪前的排氣溫度也會(huì)上升,渦輪增壓器長(zhǎng)時(shí)間工作在較高的排氣溫度下,其可靠性會(huì)受到很大的影響.

圖7為平原和兩個(gè)海拔高度下缸內(nèi)壓力曲線,高海拔下,進(jìn)氣壓力降低,增壓的壓力也下降,燃燒滯燃期增加,壓力升高率增加,所以燃燒壓力升高比較快,隨海拔的升高,缸內(nèi)最高燃燒壓力也隨之降低,海拔2 900 m下,最高燃燒壓力從14.05 MPa降低到9.15 MPa,降低34.88%,海拔4 250 m下,最高燃燒壓力從14.05 MPa降低到8.52 MPa,降低39.36%,同時(shí)最高燃燒壓力的時(shí)間有所推遲.平原進(jìn)氣量多,混合氣形成更加均勻,且燃燒更完全,燃燒壓力升高比較柔和.表2為不同海拔燃燒參數(shù)，可以看出隨著海拔的上升,柴油機(jī)熱負(fù)荷加重,柴油機(jī)的可靠性降低,燃油在急燃期和緩燃期無法完全燃燒,做功能力下降,動(dòng)力性變差.

圖7 不同海拔缸內(nèi)燃燒壓力Fig.7 Combustion pressure curve in diesel engine in different altitude

表2 不同海拔燃燒參數(shù)對(duì)比Table 2 Combustion parameter comparison in different altitude

影響NOx的生成因素有很多種[9],NOx的生成依賴于缸內(nèi)溫度,另外缸內(nèi)的含氧量也有很大關(guān)系.圖8為海拔高度對(duì)NOx排放的影響,從上止點(diǎn)附近開始,NOx急劇上升,幾乎所有的NOx都是在這個(gè)階段生成的,隨著活塞的下行,缸內(nèi)溫度降低,出現(xiàn)了NOx“凍結(jié)”的現(xiàn)象,NOx生成量基本保持恒定[10].隨著海拔高度的上升,缸內(nèi)空燃比下降的較快,是導(dǎo)致缸內(nèi)NOx的排放下降的直接原因[11].另外從圖中也可以看出,海拔高度越高,NOx生成的時(shí)間也會(huì)越早,這是由于缸內(nèi)溫度隨著海拔的上升而上升,這也說明了柴油機(jī)NOx生成主要受缸內(nèi)溫度的影響.

圖8 海拔高度對(duì)NOx排放的影響Fig.8 Comparison of NOx emissions in different altitude

4 結(jié)論

1)采用ECFM-3Z燃燒模型的計(jì)算結(jié)果與平原環(huán)境下實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好,可以用于高海拔下的缸內(nèi)燃燒三維數(shù)值模擬.

2)相比平原,高原下燃燒始點(diǎn)略微延遲,燃燒開始時(shí)放熱率增加,缸內(nèi)最高溫度相對(duì)上升,出現(xiàn)位置前移,放熱率峰值下降前移,燃燒持續(xù)期延長(zhǎng),后燃現(xiàn)象嚴(yán)重,柴油機(jī)的熱負(fù)荷上升.柴油機(jī)的缸內(nèi)燃燒壓力下降,缸內(nèi)最高燃燒壓力出現(xiàn)時(shí)間稍微后移,做功能力下降.

3)柴油機(jī)的NOx排放量隨海拔升高而降低.海拔越高,NOx的出現(xiàn)時(shí)間越早.

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