柴油機高原燃燒特性研究進展

周廣猛，劉瑞林，焦宇飛，楊春浩,2，張眾杰，李浩

(1.陸軍軍事交通學(xué)院軍用車輛工程系，天津 300161；2.海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

我國擁有世界上典型的高原地域，僅青藏高原面積就達(dá)230萬km2[1]。海拔每升高1 km，大氣壓力平均下降約10%，氣溫下降約4 ℃，水沸點降2.7 ℃[2-3]。特殊的高原環(huán)境使柴油機燃燒惡化，造成柴油機動力性和經(jīng)濟性下降、炭煙排放增加[4-6]、熱負(fù)荷增大[7-8]、冷卻性能降低[9]、低溫起動性能下降等問題。通過對柴油機高原燃燒過程進行研究，可以揭示高海拔(低氣壓)環(huán)境對柴油機工作過程的影響機理，進一步探明諸如增壓、增壓中冷、高壓共軌燃油噴射、可變截面渦輪增壓、二級可調(diào)增壓等先進增壓技術(shù)的運用對柴油機性能的影響，具有重要的意義，已廣泛用于柴油機高原環(huán)境匹配、標(biāo)定和關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，對未來在高原環(huán)境條件下實現(xiàn)柴油機的燃燒閉環(huán)控制具有直接的參考。

1 柴油機高原燃燒特性研究概況

技術(shù)的進步和國家的發(fā)展戰(zhàn)略不斷推動著柴油機高原環(huán)境適應(yīng)性研究的深入，從20世紀(jì)的“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略到現(xiàn)在的“一帶一路”倡議，在節(jié)能減排和軍民融合發(fā)展國策的激勵下，柴油機環(huán)境適應(yīng)性研究不斷深入，推動了柴油機燃燒過程研究的進一步發(fā)展。柴油機燃燒過程的研究，以提升柴油機高原動力性和燃油經(jīng)濟性，降低發(fā)動機的排放為綜合目標(biāo)，關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展推動了燃燒特性研究的深入，燃燒特性的研究又進一步推動了關(guān)鍵技術(shù)在高原應(yīng)用的進步和發(fā)展?？偟膩碚f，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要集中于海拔對發(fā)動機性能的影響規(guī)律研究、增壓器優(yōu)化匹配研究等內(nèi)容，而不同海拔下燃燒過程研究相對較少[10]。由于歐美國家海拔普遍較低，多低于海拔2 000 m，柴油機高海拔適應(yīng)性研究較少，已有研究也主要集中于高原排放和替代燃料等技術(shù)。哥倫比亞的J. Agudelo[10]，P. Benjumea[11]，美國賓夕法尼亞大學(xué)P. L. Perez[12]針對柴油機高原環(huán)境下熱力參數(shù)變化及高原富氧燃燒等燃燒過程開展了研究。

早在1989年，上海交通大學(xué)的李照東[13]就針對柴油機開展了高原放熱規(guī)律模擬研究，此后直到2010年，研究一直比較平穩(wěn)，年均1～2篇研究成果見諸期刊。進入2011年，柴油機燃燒過程研究得到了爆發(fā)式增長，以柴油機、高原、燃燒為主要內(nèi)容的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量大大增加，柴油機高原燃燒過程研究已經(jīng)成為柴油機高原環(huán)境適應(yīng)性研究的熱點問題。相關(guān)研究以柴油機關(guān)鍵技術(shù)的運用對柴油機燃燒過程的影響及柴油機優(yōu)化為邏輯主線，從自然吸氣柴油機[14-17]，向增壓及增壓中冷柴油機[15,18-25]、高壓共軌柴油機[26-30]、替代燃料柴油機[31-33]、二級可調(diào)增壓柴油機[34]等方向逐漸拓展。不僅包括燃燒特征參數(shù)隨海拔的變化規(guī)律，還進行了噴油、增壓等參數(shù)的燃燒優(yōu)化研究[8,22,24-25,30,34]。當(dāng)前，企業(yè)對新發(fā)動機的開發(fā)必須進行三高標(biāo)定，在進行高原標(biāo)定時，對缸內(nèi)燃燒壓力進行監(jiān)控即可。國內(nèi)柴油機高原燃燒特性的研究主要集中在相關(guān)的科研院所。

2 柴油機高原燃燒特性研究基本規(guī)律

2.1 高海拔(低氣壓)環(huán)境條件對柴油機燃燒過程的影響規(guī)律

柴油機高海拔(低氣壓)燃燒特性研究最早針對自然吸氣柴油機，早在1989年李照東[13]就采用了等腰三角形加韋伯函數(shù)模型擬合高速直噴式柴油機的放熱規(guī)律，建立了高原模擬放熱規(guī)律關(guān)系式。研究發(fā)現(xiàn)：在等負(fù)荷工況下，由于高原環(huán)境下柴油機進氣壓縮壓力降低，在不改變供油提前角的前提下，柴油機滯燃期增長，燃燒推遲，預(yù)混合燃燒所占的比例增大，擴散燃燒比例減小，燃燒開始后壓力、溫度上升得很快，缸內(nèi)燃燒溫度升高，速燃期縮短。申立中[14]對自然吸氣柴油機的研究結(jié)果也進一步驗證了上述結(jié)論，但對渦輪增壓柴油機在等負(fù)荷工況下的研究結(jié)果表明，柴油機的滯燃期、缸內(nèi)最高燃燒壓力及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均變化不大，但后燃仍然明顯增加，排溫升高[15]。2016年，劉勝吉[16]進一步通過數(shù)值模擬研究給出了自然吸氣柴油機在高原環(huán)境下油氣混合過程的變化。結(jié)果表明，隨海拔的增加，噴油油束貫穿距變長，油束破碎和蒸發(fā)過程減緩，由于燃燒室近壁面處的油氣堆積，不完全燃燒加劇。海拔的升高產(chǎn)生兩方面影響：一是燃燒推遲造成壓力升高比降低，而初始膨脹比跟隨增大；二是缸內(nèi)氣體溫度增加，使得等熵指數(shù)減小。二者均使簡化后的理論循環(huán)熱效率下降。此外，隨海拔的升高，缸內(nèi)溫度和排溫增大，傳熱、排氣等不可逆損失隨之增大，實際循環(huán)熱效率也跟隨進一步下降。燃燒的變化對排放也造成了影響，HC，PM明顯增大，CO，NOx變化較小[17]。

通過三維數(shù)值模擬能夠進一步發(fā)現(xiàn)渦輪增壓柴油機高原環(huán)境下燃燒過程的微觀機理。李華瑩[37]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：與平原相比，柴油機在高海拔(3 700 m)下，柴油機噴嘴內(nèi)空穴現(xiàn)象加劇，燃油流動速度增加，噴孔出口燃油分布不均勻度增加；缸內(nèi)燃燒溫度分布不均勻性增大，燃燒室局部熱負(fù)荷偏高。劉永豐[21]研究表明：高原條件壁面累積油膜質(zhì)量隨海拔的升高而增大；壁面油膜在燃油噴射彈著點處形成，隨著時間推移，油膜向活塞邊緣擴散，在高海拔條件下，燃燒結(jié)束時活塞邊緣仍有殘留。高榮剛[20]建立了描述缸內(nèi)油氣混合過程的中間參數(shù)，定量給出了燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)均方差和不同當(dāng)量比區(qū)間混合氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨海拔的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)高原環(huán)境下較濃混合氣易堆積于燃燒室近壁面處，并形成燃油附壁，從而造成燃燒室中心區(qū)空氣利用不足。針對柴油機高原應(yīng)用出現(xiàn)的缸蓋局部燒蝕問題，張博文[23]研究發(fā)現(xiàn)，缸內(nèi)對流傳熱量隨海拔的上升逐漸下降，缸內(nèi)輻射和對流的傳熱總量隨海拔的上升而上升，說明了缸內(nèi)輻射對換熱產(chǎn)生了影響。

采用高壓共軌燃油噴射技術(shù)后，在高原環(huán)境條件下能夠靈活地實現(xiàn)循環(huán)噴油量、共軌壓力和噴油定時的調(diào)整，從而改善柴油機的高原燃燒。周廣猛[26]進行了高壓共軌柴油機不同海拔全負(fù)荷工況下燃燒特性模擬試驗，研究發(fā)現(xiàn)，工況對柴油機燃燒特性隨海拔變化規(guī)律具有直接影響，在低速和標(biāo)定轉(zhuǎn)速兩個工況下具有代表性。在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下，由于高原預(yù)混合燃燒階段放熱增加，此時放熱率峰值隨海拔的增加而增大。同時缸內(nèi)燃燒壓力作為標(biāo)定限制條件，其峰值在高海拔下保持不變。受進氣壓力和噴油參數(shù)的雙重影響，隨海拔的升高，低速下最高燃燒壓力點、放熱率重心、峰值放熱率點基本一致，壓力升高率最大點后移，高速下最高燃燒壓力點、最高燃燒溫度點和放熱率峰值點提前。進一步研究[28]發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化噴油參數(shù)能改善部分負(fù)荷工況燃燒相位，補償因氣壓降低造成的缸內(nèi)燃燒壓力下降，提升熱效率，同時能夠縮小高溫溫度場的范圍，減少后燃，改善柴油機的高原燃燒[29]。通過研究發(fā)現(xiàn)：高原環(huán)境下，柴油機缸內(nèi)燃燒溫度升高主要是由于缸內(nèi)熱容物質(zhì)減少，缸內(nèi)累積放熱量的減小對溫度升高具有抑制作用[29]。董素榮[27]通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，隨著海拔的升高，燃燒后期濃混合氣分布區(qū)域、燃燒高溫區(qū)域以及炭煙形成區(qū)域明顯增大。

2.2 柴油機高原燃燒優(yōu)化基本規(guī)律

對柴油機進行高原燃燒優(yōu)化能夠獲得使柴油機正常工作的最佳噴油結(jié)構(gòu)參數(shù)、最佳噴油控制參數(shù)、最佳增壓控制參數(shù)，從而改善柴油機的燃燒過程，提高高原環(huán)境條件下的空氣利用率，提升柴油機的有效熱效率，改善柴油機的動力性和燃油經(jīng)濟性。

a) 噴油結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

任兆欣等[22]針對傳統(tǒng)機械泵柴油機，開展了針對高原條件下柴油機氣缸蓋易燒蝕等問題的研究，通過仿真和模擬試驗，提出了適當(dāng)減小噴油泵最大供油量及采用增大噴孔數(shù)、減小孔徑和減小噴霧錐角的噴油器的燃油系統(tǒng)優(yōu)化方案，4 500 m海拔下，柴油機標(biāo)定功率降低27%，熱負(fù)荷等其他控制參數(shù)能夠滿足要求，提高了柴油機高原工作可靠性。合理的噴孔夾角有利于提高缸內(nèi)空氣與燃料的混合質(zhì)量，從而改善缸內(nèi)燃燒。徐華平[24]通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)：噴孔夾角增大后，缸內(nèi)壓力和溫度上升，功率得到一定恢復(fù)，柴油機的排放隨之上升。在平原工況的基礎(chǔ)上，增大噴孔夾角有利于提升發(fā)動機的動力性和燃油經(jīng)濟性。

b) 噴油控制參數(shù)優(yōu)化

通過對高原環(huán)境下柴油機噴油參數(shù)進行優(yōu)化，能夠改善柴油機缸內(nèi)燃燒，提升其高原性能。針對機械泵柴油機，徐華平[25]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在高海拔下(4 550 m)噴油提前，缸內(nèi)燃燒壓力和溫度峰值點增大，燃燒始點和燃燒重心均提前，功率得到恢復(fù)，NOx排放上升；缸內(nèi)預(yù)混合燃燒加強，后燃期縮短，燃燒室中心區(qū)域空氣也得到更有效利用，發(fā)動機動力性提升，燃油經(jīng)濟性下降。王憲成[8]通過仿真發(fā)現(xiàn)，在高海拔下(4 000 m)適當(dāng)減少供油，提前噴油能夠降低缸內(nèi)溫度峰值和渦前排溫，在柴油機功率滿足要求的前提下，降低重載柴油機的熱負(fù)荷。

由于高壓共軌柴油機能夠?qū)娪蛥?shù)進行“柔性控制”，能夠隨海拔環(huán)境條件對循環(huán)噴油量、噴油定時和共軌壓力進行修正，有助于改善柴油機高原燃燒。劉瑞林[30]通過燃油系統(tǒng)高海拔模擬試驗標(biāo)定，提出了高壓共軌柴油機高海拔噴油參數(shù)標(biāo)定策略，即以循環(huán)噴油量的調(diào)整為主，輔以噴油定時和共軌壓力的調(diào)整。隨海拔的增加，在中高轉(zhuǎn)速下降低循環(huán)噴油量，提前噴油，適量增大共軌壓力。在低轉(zhuǎn)速下大幅降低循環(huán)噴油量，推遲噴油，基本保持共軌壓力不變，在高海拔下適量減小共軌壓力。

c) 進氣參數(shù)優(yōu)化

柴油機高原變海拔增壓技術(shù)的應(yīng)用，通過對變海拔全工況下柴油機進氣參數(shù)優(yōu)化，有望從根本上改變柴油機高海拔(低氣壓)運行問題。董素榮[34]開展了不同海拔條件下VGT葉片開度對兩級增壓柴油機燃燒特性影響的模擬試驗研究，結(jié)果表明：不同海拔、最大扭矩全負(fù)荷工況下，隨著VGT葉片開度的增大，柴油機最高燃燒壓力、平均指示壓力以及瞬時放熱率均降低，滯燃期、速燃期、緩燃期增長，柴油機動力性與經(jīng)濟性下降；隨著海拔的升高，VGT葉片最佳開度減小。

3 柴油機高原燃燒特性研究的未來方向

a) 研究目標(biāo)從單工況下功率恢復(fù)向變海拔全工況綜合性能提升發(fā)展

傳統(tǒng)柴油機高原環(huán)境燃燒過程研究，最初是驗證性研究，主要表現(xiàn)為通過在用發(fā)動機的高原環(huán)境研究，揭示柴油機在高原工作的規(guī)律特點，進一步由驗證性研究向以技術(shù)應(yīng)用為主要特征的探索性研究轉(zhuǎn)變。但無論如何發(fā)展，其研究目標(biāo)主要圍繞諸如標(biāo)定工況等少量工況下的功率恢復(fù)進行，隨著技術(shù)的不斷進步和國家節(jié)能減排要求的不斷提高，在國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿中已將測試環(huán)境條件擴展到海拔2 400 m，未來甚至能達(dá)到更高海拔，柴油機燃燒過程研究勢必向變海拔全工況下動力性、經(jīng)濟性、排放性等綜合性能提升方向發(fā)展。

b) 研究內(nèi)容從宏觀規(guī)律到微觀過程發(fā)展

柴油機高原燃燒特性研究，是探索柴油機燃燒機理，評價關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用效果，優(yōu)化柴油機性能的重要手段。傳統(tǒng)的柴油機高原燃燒特性研究內(nèi)容主要以開展柴油機缸內(nèi)燃燒壓力、燃燒溫度、累計放熱率等特征參數(shù)隨海拔的變化規(guī)律為主要特征，進行宏觀集總參數(shù)的變化規(guī)律研究。隨著新技術(shù)的不斷應(yīng)用，特別是柴油機排放法規(guī)的不斷嚴(yán)格，研究內(nèi)容從宏觀規(guī)律的研究向展示燃燒過程噴注的破碎、彌散、蒸發(fā)、霧化和燃燒等微觀過程發(fā)展，重在揭示柴油機在低密度環(huán)境下工作過程及排放物的生成機理。

c) 研究方向向變海拔增壓先進技術(shù)應(yīng)用側(cè)重

柴油機變海拔增壓技術(shù)的應(yīng)用，有助于增加變海拔全工況下柴油機的進氣充量，從而全面改善柴油機的缸內(nèi)燃燒，為柴油機高原功率恢復(fù)、經(jīng)濟性提升等柴油機高原環(huán)境適應(yīng)性研究目標(biāo)的達(dá)成提供了條件。董素榮等[34]已經(jīng)開展了不同海拔條件下VGT葉片開度對兩級增壓柴油機燃燒特性影響的模擬試驗研究，進行了VGT最佳開度的燃燒優(yōu)化。而近幾年，劉瑞林[38-39]、李華雷[40]等對二級可調(diào)增壓柴油機開展的優(yōu)化匹配等研究，為未來柴油機高原燃燒特性研究的開展提供了基礎(chǔ)，有望通過進一步研究從根本上解決柴油機高原燃燒問題。