燃燒室對4190船用柴油機燃燒及排放性能的影響

黃加亮， 溫 朋， 尹自斌， 朱 鈺(1.集美大學(xué) a. 輪機工程學(xué)院；b. 誠毅學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021)

燃燒室對4190船用柴油機燃燒及排放性能的影響

黃加亮1a,2， 溫 朋1b， 尹自斌1a,2， 朱 鈺1a,2
(1.集美大學(xué) a. 輪機工程學(xué)院；b. 誠毅學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021)

結(jié)合4190ZLC-2型船用柴油機電控化改造項目，應(yīng)用AVL_FIRE專業(yè)軟件，建立柴油機缸內(nèi)高壓循環(huán)的仿真模型，通過臺架試驗獲得缸壓曲線，驗證模型的正確性。利用該模型研究燃燒室型式、結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃燒過程和排放濃度等的影響。結(jié)果表明：縮口燃燒室的排放性能最好；喉口直徑較小時，NOx排放濃度低，但是碳煙排放濃度較高；凸臺高度增大使得缸內(nèi)高溫區(qū)面積減小，缸內(nèi)最高溫度增大，凸臺高度越小，NOx排放濃度越高，但碳煙排放濃度較低；隨著凹坑半徑增大，缸內(nèi)最高溫度和壓力逐漸增大，排放濃度也會受到很大影響。

船舶工程；4190ZLC-2型柴油機；喉口直徑；凸臺高度；凹坑半徑；燃燒室；排放濃度

燃燒室承擔(dān)著油氣混合與燃燒的功能，燃燒過程的好壞對柴油機的動力性、經(jīng)濟性和排放特性有著重要影響，因此研究燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)對燃燒過程的影響具有深遠(yuǎn)意義。[1]RISI等[2]研究了不同燃燒室形狀對缸內(nèi)流場、溫度場、NOx和碳煙排放的影響。ZHU等[3]研究了3種不同燃燒室唇部形狀和凹坑半徑對柴油機缸內(nèi)混合及燃燒過程的影響。王錫斌等[4]研究了燃燒室縮口、底部凸臺和燃燒室偏心對缸內(nèi)流場的影響，并通過發(fā)動機試驗研究了燃燒室?guī)缀涡螤顚Πl(fā)動機性能的影響。郭曉平等[5]在不改變?nèi)紵殷w積的情況下，通過改變?nèi)紵业目趶奖群蛷缴畋?，對柴油機的工作過程進行了仿真計算。尚勇等[6]通過對ω型燃燒室進行參數(shù)化設(shè)計思想的分析，得到了影響燃燒室形狀的3個獨立參數(shù)，并在定容的情況下對各獨立變量進行了改變，設(shè)計出了變參數(shù)系列的燃燒室。這里主要從燃燒室型式、燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃燒及排放性能的影響等方面入手，對傳統(tǒng)ω型燃燒室進行深入研究。

1 研究對象及仿真模型的建立

研究對象為4190ZLC-2型船用四沖程渦輪增壓柴油機[7]，其主要參數(shù)見表1。

表1 4190ZLC-2型船用四沖程渦輪增壓柴油機主要參數(shù)

利用AVL_FIRE軟件建立柴油機燃燒系統(tǒng)的仿真模型，對缸內(nèi)燃燒過程進行仿真計算。由于利用AVL_FIRE軟件中的柴油機高壓燃燒模塊ESE(Easy Simulation Environment)可方便快捷地建立不帶氣道的部分模型，因此僅用一個扇區(qū)對噴霧和燃燒進行模擬計算。建立的1/8燃燒室模型見圖1。

圖1 1/8燃燒室模型

模型構(gòu)建及驗證：湍流流動模型選用K-ε模型；噴霧破碎模型選用WAVE模型；液滴蒸發(fā)模型選用Dukowicz模型；碰壁模型選用Walljet1模型；湍流擴散模型選用Enable模型；燃燒模型選用渦耗散模型；NOx排放物生成模型選用Zwldovich模型；碳煙模型選用Kennedy Hiroyasu Magnussen模型。

仿真計算結(jié)果和試驗測得結(jié)果對比見圖2，仿真所得示功圖與試驗測得的示功圖趨勢一致且吻合良好，表明高壓循環(huán)模型準(zhǔn)確，并可利用該模型對柴油機燃燒室的工作過程和燃燒產(chǎn)物進行仿真分析。

圖2 仿真計算結(jié)果和試驗測得結(jié)果對比

2 燃燒室型式對燃燒和排放的影響

4190ZLC-2型柴油機燃燒室為半開式結(jié)構(gòu)，燃燒室內(nèi)的霧化以空間混合為主，因此其形狀對霧化有著重要影響。為對燃燒室結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，在保證壓縮比不變的前提下，首先設(shè)計一個縮口燃燒室和一個開口燃燒室的模型(見圖3)，并將其與原機燃燒室進行對比分析。仿真計算得到噴油時不同燃燒室、不同時刻速度場的形成過程(見圖4)。

a)縮口燃燒室b)開口燃燒室

圖3 縮口、開口燃燒室模型

由圖4可知，噴射油束對缸內(nèi)氣流運動有非常重要的影響，會形成高速的氣流。在燃油噴射過程中可看出：縮口燃燒室和開口燃燒室內(nèi)氣體的流動速度高于原機，特別是縮口燃燒室；此外，由于油束的存在，在縮口燃燒室中形成與噴霧方向成90°的氣流，有利于氣體混合。各個燃燒室在上止點(Top Dead Centre, TDC)后20°CA(After TDC, ATDC)都有旋轉(zhuǎn)氣流生成：原機燃燒室的回流出現(xiàn)在中下部，且方向向上，能很好地將混合氣體擴散到整個中部；縮口燃燒室的回流出現(xiàn)在喉口部位，能將混合氣體擴散到上部和中部；開口燃燒室的回流出現(xiàn)在中上部，能將混合氣體集中到燃燒室右部。

圖5為各燃燒室型式對柴油機缸內(nèi)平均壓力和溫度的影響。由圖5a可知：原機燃燒室的最高爆發(fā)壓力出現(xiàn)較早；縮口燃燒室的最高壓力出現(xiàn)最晚，著火點相對靠后，有利于柴油機有效功率的增加。由圖5b可知：開口燃燒室內(nèi)的溫度比縮口燃燒室低，對碳煙在缸內(nèi)后期氧化有一定的影響；原機燃燒室的最高溫度最高，會影響缸內(nèi)NOx的生成。

圖6為各燃燒室型式對NOx和碳煙生成的影響。從圖中可看出，縮口燃燒室的NOx生成量和碳煙生成量都低于另外2種燃燒室，特別是開口燃燒室。原因是縮口燃燒室擠流強度大，氣缸內(nèi)湍流動能較大，擴散燃燒加強，有利于抑制碳煙的生成；而開口燃燒室的溫度高，符合NOx生成的高溫富氧條件。原機燃燒室的碳煙生成量最大值與開口燃燒室相同，但是原機燃燒室中后期湍流能量耗損大，氣體流動性較好，使得碳煙的氧化量大、排氣中含量少；而開口燃燒室最終的排放量最大，這與其溫度在后期降低過快、碳煙氧化過程的時間較短使得氧化量減少有關(guān)。考慮到原機燃燒室電控化改造對排放性能的要求，縮口燃燒室的排放特性最好。

10°CA(BTDC)

TDC

20°CA(ATDC)

a)對缸內(nèi)壓力的影響b)對缸內(nèi)溫度的影響

圖5 各燃燒室型式對缸內(nèi)平均壓力和溫度的影響

a) 對NOx生成的影響

b) 對碳煙排放的影響

3 燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃燒和排放性能的影響

傳統(tǒng)的ω型燃燒室的形狀由喉口直徑(d)、出口角度、凹坑半徑(R2)、凸臺高度(h)和凸臺半徑(R1)等變量決定(見圖7a)。這里主要研究喉口直徑、凸臺高度及凹坑半徑對燃燒和排放性能的影響。設(shè)計考慮的燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)變化情況見表2。

表2 燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)變化情況

3.1喉口直徑對柴油機燃燒和排放性能的影響分析

保持燃燒室體積固定不變，喉口直徑d變化，凸臺傾角和燃燒室最大深度隨之變化。d的變化系列見圖7b。

圖8為喉口直徑對放熱率和缸壓的影響。通過分析可知，燃燒室喉口直徑d對放熱率的影響較大，由于d對滯燃期φi的影響不大，且噴油和進氣系統(tǒng)等參數(shù)均保持不變，因此可認(rèn)為放熱率出現(xiàn)差異的原因是d的不同導(dǎo)致φi內(nèi)油氣混合過程不同。放熱率的第二峰值隨d的增大而增大。TDC前d變化對缸壓的影響很小，其后逐漸增大；TDC后隨著d增大，壓力峰值逐漸增大。

a)ω型燃燒室廓形b)燃燒室喉口直徑變化c)燃燒室凸臺高度變化d)燃燒室凹坑半徑變化

圖7 燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)及變化系列

圖8 喉口直徑對放熱率和缸壓的影響

圖9為不同喉口直徑、不同時刻缸內(nèi)燃空當(dāng)量比的分布。通過對比分析可知，TDC時刻喉口直徑d越大的燃燒室，混合氣濃區(qū)越接近中央凸臺。油束著壁后，沿燃燒室壁面繼續(xù)向擠流區(qū)發(fā)展，d較小的燃燒室由于撞壁時刻較早，進入擠流區(qū)的混合氣較多，且著壁點靠近喉口唇部，因此濃混合氣區(qū)是由唇口處分別向擠流區(qū)和凹坑擴展的；而d較大的燃燒室，油束在10°CA (ATDC)時刻己撞擊中央凸臺，因此后期濃混合氣區(qū)是沿中央凸臺依次向凹坑和擠流區(qū)擴展的，這就造成了在20°CA (ATDC)時刻混合氣濃區(qū)分布的差異。d較小的燃燒室，混合氣濃區(qū)分布在擠流區(qū)和凹坑處；d較大的燃燒室混合氣濃區(qū)分布在燃燒室側(cè)壁和擠流區(qū)。d過大或過小都不利于油氣混合過程的進行，因此應(yīng)選取合適的d，使油束著壁點位于喉口唇部附近，這樣既可充分利用燃油撞壁的動能，增加燃油的分布范圍，又可避免油束因撞擊中央凸臺而在壁面堆積。

TDC

10°ATDC

20°ATDC

圖10為d對NOx和碳煙排放的影響。通過分析可知：隨著d的增大，NOx生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先減小后增大，d=135 mm時，NOx生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低；而碳煙生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則剛好相反，d增大時，碳煙生成量先增大后減小，這與缸內(nèi)溫度水平直接相關(guān)。

3.2凸臺高度對燃燒和排放性能的影響分析

保持燃燒室體積固定不變，凸臺高度h變化，凸臺傾角和燃燒室最大深度隨之變化。h的變化系列如圖7c所示。

a) 對NOx的影響

b) 對碳煙排放的影響

圖11為不同凸臺高度h在不同時刻缸內(nèi)溫度場分布。通過對比分析可知：在TDC時刻，h為2.6 mm時最高溫度達(dá)到了2 211.2 K，預(yù)混燃燒階段的放熱率最大；在10°CA(ATDC)時刻，h越大，油束下側(cè)的高溫區(qū)越靠近凹坑底部，使得高溫區(qū)面積越小，但是缸內(nèi)最高溫度越大；在20°CA(ATDC)之后，高溫區(qū)面積隨著h的增加而減小，當(dāng)h較小時，油束下側(cè)高溫區(qū)主要集中在凹坑處，隨著h增加，位于凹坑處的高溫區(qū)逐漸向擠流區(qū)擴展。

圖12為凸臺高度h對NOx與碳煙排放影響。分析可知：h=2.6 mm時NOx生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于h=4.6 mm和h=6.6 mm時的，碳煙生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與之相反。這是因為h越小，高溫區(qū)面積越大，越符合NOx生成的高溫富氧的條件。

3.3凹坑半徑對燃燒和排放性能的影響分析

保持燃燒室體積固定不變，凹坑半徑R2變化，凸臺傾角和燃燒室最大深度隨之變化。R2的變化系列如圖7d所示。

TDC

10°ATDC

20°ATDC

圖13為R2對缸內(nèi)壓力和溫度的影響。由該圖可知：隨著R2的增大，缸內(nèi)壓力峰值由9.866 8 MPa增加到10.148 3 MPa，這有利于柴油機有效功率的增加；同時，缸內(nèi)溫度峰值也由1 657.56 K增加到1 722.25 K。由此可見，隨著R2增大，缸內(nèi)溫度和壓力均增大。

圖14為R2對NOx和碳煙排放的影響。隨著燃燒過程持續(xù)進行，缸內(nèi)溫度迅速增高，NOx生成量也迅速增加，缸內(nèi)NOx的生成趨勢與溫度的變化趨勢是一致的。隨著R2增大，NOx生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，碳煙生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小。這是因為R2越小的燃燒室，后燃現(xiàn)象越嚴(yán)重，這可以解釋R2=14 mm時，碳煙生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在后期仍維持較高水平的現(xiàn)象。

a) 對NOx生成的影響

b) 對碳煙排放的影響

a)對缸內(nèi)壓力的影響b)對缸內(nèi)溫度的影響

圖13 凹坑半徑對缸內(nèi)壓力和溫度的影響

a) 對NOx生成的影響

b) 對碳煙排放的影響

4 結(jié)束語

借助AVL_FIRE仿真軟件對4190ZLC-2型船用中速柴油機進行了仿真計算，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果能較好地吻合，驗證了模型的正確性。針對不同燃燒室型式以及燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)中喉口直徑、凸臺高度、凹坑半徑對燃燒過程和排放濃度的影響進行了研究，總結(jié)出以下結(jié)論。

1) 燃燒室型式對柴油機燃燒過程和排放濃度有一定影響，以排放特性為目的的電控化改造中采用縮口燃燒室時NOx和碳煙生成的影響最小。

2) 喉口直徑d對滯燃期φi內(nèi)油氣混合過程有顯著影響，進而影響缸內(nèi)放熱率，d增大使NOx生成的濃度增大，但是減少了碳煙的生成量。

3) 凸臺高度h的變化對缸內(nèi)溫度場的分布有顯著影響：h增大使缸內(nèi)高溫區(qū)面積減小，但缸內(nèi)最高溫度增大；h越小，NOx濃度越大，碳煙的生成量卻越小。

4) 凹坑半徑R2對柴油機排放濃度也有很大影響，R2過大或過小都會導(dǎo)致NOx濃度增加。

下一步方案還要考慮更多可能涉及的因素，如噴油系統(tǒng)參數(shù)、進氣參數(shù)部分以及上述因素之間相互匹配作用的影響。

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ImpactofCombustionChamberonCombustionProcessandEmissionsin4190TypeMarineDieselEngine

HUANGJialiang1a,2,WENPeng1b,YINZibin1a,2,ZHUYu1a,2
(1a. Marine Engineering Institute; 1b. Chenyi College, Jimei University, Xiamen 361021, China; 2. Key Laboratory of Ship and Marine Engineering, Xiamen 361021, China)

The Influence of the combustion chamber parameters on the combustion process and emission concentrations in the 4190ZLC-2 marine diesel engine are studied with an AVL_FIRE in-cylinder high-pressure cycle model, which has been verified through bench testing experiment. The simulation shows that the combustion chamber with reduced throat performs best. The simulation tells the following facts: With smaller throat diameter, NOxemission concentration is lower while the soot concentration is higher; the increase of center-crown height reduces the high temperature area in cylinder but increase the highest temperature in it; the smaller center-crown height, the higher NOxemission concentration and the lower soot concentration; With increase of bowl bottom radius, the maximum temperature and the pressure in cylinder increases gradually; bowl bottom radius also has great influence on the emission of diesel engine.

ship engineering; 4190ZLC-2 type diesel engine; throat diameter; center-crown height; bowl bottom radius; combustion chamber; emission concentration

2015-04-20

福建省自然科學(xué)基金(2012J01230)；福建省科技廳資助省屬高校專項基金(JK2013025)

黃加亮(1963—)，男，福建泉州人，教授，主要從事船舶柴油機性能優(yōu)化與排放研究。E-mail: jlhuang@jmu.edu.cn

溫 朋(1989—)，男，河南許昌人，碩士，主要從事船舶柴油機性能優(yōu)化與排放研究。E-mail: 294681517@qq.com

1000-4653(2015)03-0023-06

U664.1；TK423.5

A