超高壓噴射條件下非常態(tài)燃油的缸內(nèi)燃燒排放特性研究

楊 昆，歐陽(yáng)光耀，安士杰，劉 琦

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

超高壓噴射條件下非常態(tài)燃油的缸內(nèi)燃燒排放特性研究

楊 昆，歐陽(yáng)光耀，安士杰，劉 琦

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

以改善大功率柴油機(jī)的燃燒與排放性能為目標(biāo)，創(chuàng)新性地提出 180 MPa 以上的超高燃油噴射壓力。建立包括進(jìn)氣道和燃燒室在內(nèi)的三維幾何模型，利用 AVL FIRE 軟件對(duì)仿真模型進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格劃分，將燃油噴射系統(tǒng)的噴嘴內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果作為邊界條件對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，分析燃油物性參數(shù)的變化以及噴嘴參數(shù)對(duì)柴油機(jī)燃燒排放性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)燃油的物性參數(shù)發(fā)生變化之后，噴孔內(nèi)部空化效應(yīng)的增強(qiáng)有助于油束獲得良好的初始破碎狀態(tài)，霧化效果好，缸內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行得更加充分；當(dāng)噴孔直徑增大時(shí)，油滴初始湍動(dòng)能增強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)發(fā)展范圍較大，噴油持續(xù)期短，后期排放物濃度??；隨著噴射夾角增大，缸內(nèi)燃油與空氣混合得更加均勻，燃燒性能進(jìn)一步提高。

超高壓噴射；燃燒排放特性；FIRE；非常態(tài)燃油

0 引 言

燃燒與排放特性是柴油機(jī)整機(jī)經(jīng)濟(jì)性能和動(dòng)力性能的最直接體現(xiàn)，是前期燃油噴射過(guò)程和缸內(nèi)燃油霧化過(guò)程的綜合結(jié)果，是內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)術(shù)者們開展相關(guān)研究的理想切入點(diǎn)[1]。在超高的燃油噴射壓力條件下，燃油的物性參數(shù)發(fā)生了很大變化，不能再以常態(tài)燃油作為計(jì)算介質(zhì)。同時(shí)噴孔內(nèi)部的空化流動(dòng)特性

以及缸內(nèi)油束的運(yùn)動(dòng)發(fā)展都與傳統(tǒng)的工作過(guò)程有巨大的差異[2]，對(duì)燃燒與排放特性產(chǎn)生了較大的影響。所以，基于超過(guò)的燃油噴射壓力開展缸內(nèi)燃燒排放特性的研究十分必要。

本文利用 FIRE 軟件建立包括進(jìn)氣道和燃燒室在內(nèi)的三維燃燒模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)仿真模型驗(yàn)證之后，將前期的噴嘴內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果作為邊界條件對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，分析燃油物性參數(shù)的變化以及噴嘴參數(shù)對(duì)柴油機(jī)燃燒排放特性的影響，以尋求改善柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的有效途徑。

1 燃油物性參數(shù)的變化

柴油機(jī)在運(yùn)行時(shí)，其每一次工作循環(huán)的噴油持續(xù)期都非常短，燃油的溫度可基本假定不發(fā)生變化。但燃油自共軌軌腔流經(jīng)噴油器直至噴孔出口處，其壓力發(fā)生了很大變化[3]。為研究燃油各個(gè)物性參數(shù)的變化趨勢(shì)同時(shí)減少變量之間的影響，將密度、音速和彈性模量同時(shí)表示成壓力和溫度的函數(shù)來(lái)研究它們之間的關(guān)系。

1.1 密度

對(duì)于礦物油，Donson D 和 Higginson G R 經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)量綱密度 ρ 與壓力 p 存在如下關(guān)系[4]：

式中：ρ 為柴油在壓力 p 下的密度值；ρ0為柴油在常壓下的密度值。

把溫度對(duì)密度的影響作為修正因素，則密度的表達(dá)式為：

式中：t 為燃油系統(tǒng)工作時(shí)柴油溫度，測(cè)定為 60 ℃；t0為常壓下柴油溫度；λT為熱膨脹系數(shù)；λT的取值參見文獻(xiàn)[4]。

密度與壓力的變化關(guān)系如圖 1 所示。當(dāng)溫度一定時(shí)，密度隨著壓力的變大而變大，近似呈現(xiàn)出正比例的線性變化關(guān)系。

1.2 音速

根據(jù)流體力學(xué)理論，音速的計(jì)算公式[5]為：

圖1 密度隨壓力的變化Fig.1 The density variation with pressure

式中：a 為燃油的音速；ζ 為粘壓系數(shù)；d 為粘溫系數(shù)。

音速與壓力的變化關(guān)系如圖 2 所示。音速受到溫度的影響較小，而對(duì)壓力的變化較為敏感，壓力增大時(shí)音速大幅提高。

圖2 音速隨壓力的變化Fig.2 The speed of sound variation with pressure

1.3 彈性模量

彈性模量表征的是燃油在受力壓縮時(shí)其自身抵抗彈性變形的能力大小[6]。彈性模量為：

彈性模量與壓力的變化關(guān)系如圖 3 所示。彈性模量隨著壓力的增大而增大，并且增速越來(lái)越大。

2 計(jì)算模型及驗(yàn)證

利用 AVL FIRE 軟件建立三維燃燒模型，模型包括進(jìn)氣道和燃燒室。初始時(shí)假設(shè)缸內(nèi)氣體均勻，具有相同的壓力和溫度。噴霧階段使用 0.4° 的計(jì)算步長(zhǎng)，

燃燒階段時(shí)間步長(zhǎng)增大為 1°。計(jì)算角度為 360° CA～838° CA，計(jì)算網(wǎng)格如圖 4 所示。進(jìn)行計(jì)算時(shí)要將前期的噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)果作為邊界條件導(dǎo)入，以實(shí)現(xiàn)精確的數(shù)值模擬[7]。

圖3 彈性模量隨壓力的變化Fig.3 The bulk modulus variation with pressure

圖4 計(jì)算網(wǎng)格Fig.4 Calculation grid

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，將傳統(tǒng)高壓共軌系統(tǒng)所得的矩形噴油規(guī)律的燃燒排放試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。由圖 5 可知，仿真與試驗(yàn)所得缸內(nèi)壓力結(jié)果基本一致。表明所選的計(jì)算模型及初始邊界條件的設(shè)置較為合理，可以模擬實(shí)際情況。

圖5 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比Fig.5 Contrast of experimental and simulation results

3 結(jié)果分析

3.1 常態(tài)燃油和非常態(tài)燃油的燃燒排放特性比較

如圖 6 中（a）和（b）所示為常態(tài)燃油和非常態(tài)燃油的燃燒排放性能對(duì)比。非常態(tài)燃油的缸內(nèi)壓力峰值比常態(tài)燃油的要高，燃燒過(guò)程進(jìn)行得更加充分。從排放結(jié)果來(lái)看，非常態(tài)燃油燃燒過(guò)程中所產(chǎn)生的碳煙的濃度更小，分布范圍并不僅僅局限于噴孔附近和油束射流的軌跡上，而是均勻地?cái)U(kuò)散在燃燒室空間內(nèi)，高濃度區(qū)域范圍小。究其原因，非常態(tài)燃油的密度、音速和彈性模量等物性參數(shù)隨著壓力的增大而不同程度地變大，促進(jìn)了噴孔內(nèi)部的空化流動(dòng)，改善了燃油的霧化效果，使燃油與空氣混合得更加均勻，這對(duì)燃燒過(guò)程能夠高效地進(jìn)行都起到了積極的作用。同時(shí)由于燃油的霧化效果后，分布范圍更廣，殘余的液態(tài)油束少，故排放物的濃度小[8]。

圖6 常態(tài)燃油和非常態(tài)燃油的燃燒排放性能對(duì)比Fig.6 The contrast of combustion and emission performance of normal fuel and non-normal fuel

3.2 噴孔直徑對(duì)非常態(tài)燃油燃燒排放特性的影響

如圖 7 中（a）和（b）所示為不同噴孔直徑的燃燒排放性能對(duì)比。隨著噴孔直徑的增大，缸內(nèi)壓力峰值增大。同時(shí)燃燒過(guò)程所產(chǎn)生的碳煙的濃度減小，高濃度集中區(qū)域的范圍變小，低濃度區(qū)域更加均勻地?cái)U(kuò)散于燃燒室中。由于噴孔直徑增大時(shí)，噴油速率變大，燃油自噴孔噴出后的噴霧動(dòng)量較大，油束在向前運(yùn)動(dòng)發(fā)展的過(guò)程中與空氣之間的相互作用變得更加劇烈，增強(qiáng)了油氣混合得效果，從而導(dǎo)致燃燒時(shí)缸壓峰

值上升，動(dòng)力性變強(qiáng)。同理由于增大噴孔直徑后燃油霧化效果得到改善，后期殘余油束較少，燃燒時(shí)產(chǎn)生的碳煙的濃度減小。

圖7 不同噴孔直徑的燃燒排放性能對(duì)比Fig.7 The contrast of combustion and emission performance under different nozzle diameters

3.3 噴射夾角對(duì)非常態(tài)燃油燃燒排放特性的影響

如圖 8（a）和圖 8（b）所示為不同噴射夾角的燃燒排放性能對(duì)比?？梢钥闯觯S著噴射夾角的增大，缸內(nèi)壓力峰值增大，且后期排放碳煙的濃度減小，變化趨勢(shì)與噴孔直徑對(duì)燃燒排放性能的影響類似。由前文可知，噴射夾角的增大有利于增強(qiáng)孔內(nèi)的空化效應(yīng)，改善噴孔出口處的初始射流狀態(tài)，可以得到更好的燃油霧化效果，從而優(yōu)化了燃燒過(guò)程。但由于噴射夾角的改變受限于噴嘴的結(jié)構(gòu)形式，故其對(duì)燃燒排放性能的影響不像噴孔直徑那樣明顯。

圖8 不同噴射夾角的燃燒排放性能對(duì)比Fig.8 The contrast of combustion and emission performance under different injection angles

4 結(jié) 語(yǔ)

1）在超高壓噴射條件下當(dāng)燃油的物性參數(shù)變化時(shí)，燃油在噴孔出口處具有良好的初始破碎狀態(tài)，在向前射流發(fā)展時(shí)霧化效果較好，促進(jìn)了缸內(nèi)燃燒的充分進(jìn)行，顯示出了較好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。

2）當(dāng)噴孔直徑增大時(shí)噴油速率變大，燃油與空氣之間的相互作用變得更加劇烈，油氣混合效果改善，提高了整機(jī)的燃燒排放性能。

3）隨著噴射夾角的增大，噴孔內(nèi)部空化效應(yīng)增強(qiáng)，燃油與空氣混合得更加均勻，促進(jìn)了燃燒過(guò)程的高效進(jìn)行。但由于噴射夾角的改變受限于噴嘴的結(jié)構(gòu)形式，故影響效果并不明顯。

[1]許建昌, 李孟良, 李錦, 等. 滿足歐Ⅳ/Ⅴ排放法規(guī)的柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)[J]. 現(xiàn)代車用動(dòng)力, 2006(2): 12–16.

[2]SU W H, LIU B, WANG H, et al. Effects of multi-injection mode on diesel homogeneous charge compression ignition combustion[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2006, 129(1): 230–238.

[3]唐開元, 歐陽(yáng)光耀. 艦船大功率柴油機(jī)可控低溫高強(qiáng)度燃燒技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)[J]. 柴油機(jī), 2006, 28(S): 29–32, 43.

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[7]GRAZ. AVL-fire reference manual, version 8.5[EB/OL]. (2006-12)[2011-09-20]. http://www.avl.com.

[8]PAYRI R, GARCíA J M, SALVADOR F J, et al. Using spray momentum flux measurements to understand the influence of diesel nozzle geometry on spray characteristics[J]. Fuel, 2005, 84(5): 551–561.

Research on combustion and emission characteristics of non-normal fuel under super-high pressure injection condition

YANG Kun, OUYANG Guang-yao, AN Shi-jie, LIU Qi
(Navy University of Engineering, Academy of Power Engineering, Wuhan 430033, China)

In order to improve the combustion and emission performance of high power diesel engine, the super-high fuel injection pressure more than 180MPa was proposed. The three-dimensional geometric model including combustion chamber and intake duct was established. The dynamic grid division of the simulation model was completed on the FIRE software. The calculation results of the internal flow field of the nozzle were used as the boundary to simulate the combustion process. The effects of the physical parameters of fuel and nozzle parameters on the combustion and emission characteristics of diesel engine were analyzed. The results show that when the physical parameters change, the cavitation effect of nozzle is enhanced, which is helpful to the oil beam to obtain good initial broken state. The atomization effect is improved, and the combustion process in the cylinder become more fully; When the nozzle diameter increases, the initial turbulent kinetic energy increases, the range of fuel becomes larger. The fuel injection duration is shorter, and the later emission concentration is small; With the fuel injection angle increases, the fuel and air mixture in the cylinder becomes more uniform, and the combustion performance is further enhanced.

super-high pressure injection；combustion and emission characteristics；FIRE；non-normal fuel

TK421

A

1672 – 7619(2016)11 – 0080 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.11.016

2016 – 03 – 22；

2016 – 05 – 31

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379212)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51409254)

楊昆(1981 – )，男，副教授，研究方向?yàn)閯?dòng)力機(jī)械及熱力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化。