燃油溫度對(duì)柴油機(jī)高原起動(dòng)熱負(fù)荷的影響

王 龍，王憲成

(陸軍裝甲兵學(xué)院車(chē)輛工程系，北京 100072)

0 引言

柴油機(jī)在低溫低壓的高原環(huán)境下起動(dòng)時(shí)，較低的燃油溫度導(dǎo)致噴射壓力、噴霧質(zhì)量和壓縮終了時(shí)的缸內(nèi)溫度都比較低[1]；加之缸內(nèi)吸入空氣質(zhì)量減少，較低的過(guò)量空氣系數(shù)導(dǎo)致燃燒惡化，因此高原環(huán)境下的起動(dòng)過(guò)程發(fā)生失火現(xiàn)象的概率增加，甚至導(dǎo)致起動(dòng)失敗[2,3]。因此，需要通過(guò)對(duì)燃油進(jìn)行預(yù)熱，從而改善起動(dòng)性能。

燃燒首循環(huán)指起動(dòng)過(guò)程中缸內(nèi)開(kāi)始燃燒的第一個(gè)循環(huán)，此時(shí)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速低，缸內(nèi)壓力低，燃油霧化質(zhì)量差，可燃混合氣的形成困難；壁面溫度低，缸內(nèi)溫度分布不均勻，燃燒條件差，在此循環(huán)中極易發(fā)生不完全燃燒，甚至失火現(xiàn)象，對(duì)柴油機(jī)的起動(dòng)性能有著重要影響[4]。本文通過(guò)模擬高原環(huán)境柴油機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)確定燃燒首循環(huán)的轉(zhuǎn)速，據(jù)此建立缸內(nèi)噴霧燃燒三維模型，研究該轉(zhuǎn)速下燃油溫度對(duì)缸內(nèi)燃燒的影響。

1 試驗(yàn)條件

在某型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上模擬高原環(huán)境(海拔3700m)下的起動(dòng)過(guò)程試驗(yàn)，測(cè)得的柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和缸壓，如圖1所示。為消除隨機(jī)誤差，起動(dòng)過(guò)程試驗(yàn)進(jìn)行3次，測(cè)得燃燒首循環(huán)的平均轉(zhuǎn)速為164r/min。

圖1 柴油機(jī)高原起動(dòng)過(guò)程

2 燃燒首循環(huán)模型的建立與驗(yàn)證

2.1 模型建立

采用KH-ACT油滴破碎模型、Frossling蒸發(fā)模型、O’rourke碰撞模型、Dynamic Drag阻力模型、Wall Film碰壁模型和SAGE燃燒模型建立缸內(nèi)三維噴霧燃燒模型。由于燃燒室呈對(duì)稱(chēng)狀，因此選取1/8部分作為計(jì)算區(qū)域，并通過(guò)自適應(yīng)方法對(duì)該區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸2mm，初始網(wǎng)格總數(shù)53082個(gè)，網(wǎng)格圖如圖2所示。仿真過(guò)程為進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉(-130°CA)至排氣門(mén)開(kāi)啟(130°CA)。

圖2 燃燒幾何模型網(wǎng)格圖

2.2 模型驗(yàn)證

對(duì)模型在海拔3700m條件下(氣壓67kPa，氣溫10℃)的性能進(jìn)行驗(yàn)證，分別選擇最大扭矩和最大功率2個(gè)外特性工況轉(zhuǎn)速對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖3、圖4所示。其中最大扭矩點(diǎn)缸壓峰值誤差1.53%，相位誤差0.4°CA；最大功率點(diǎn)缸壓峰值誤差1.98%，相位誤差0.7°CA。結(jié)果表明模型的準(zhǔn)確度較高，滿(mǎn)足計(jì)算精度的要求。

圖3 最大扭矩轉(zhuǎn)速的缸壓仿真與試驗(yàn)值

圖4 最大功率轉(zhuǎn)速的缸壓仿真與試驗(yàn)值

3 燃油溫度對(duì)熱負(fù)荷的影響

對(duì)燃燒首循環(huán)轉(zhuǎn)速下不同燃油溫度對(duì)缸內(nèi)燃燒性能進(jìn)行仿真，油溫設(shè)置為273K～313K，活塞頂部、氣缸壁面和底部的初始溫度設(shè)置為323K。

圖5、圖6分別為燃油溫度對(duì)放熱率和缸內(nèi)平均溫度的影響。由圖可知，隨著油溫的升高，放熱率峰值和缸內(nèi)平均溫度峰值大幅升高，峰值相位均前移。較最低油溫相比，放熱率峰值分別升高了40.03%、154.04%、1114.25%、1493.16%和1761.64%，峰值相位分別提前了3.3°CA、7.9°CA、18.3°CA、20.9°CA和21.4°CA；缸內(nèi)平均溫度峰值分別升高了10.21%、23.29%、43.62%、51.38%和57.09%，峰值相位分別提前了5.5°CA、12.5°CA、24°CA、27.1°CA和27.8°CA。

圖5 燃油溫度對(duì)放熱率的影響

圖6 燃油溫度對(duì)缸內(nèi)平均溫度的影響

這是由于噴入燃燒室的燃油溫度升高，燃油粘度、密度和表面張力降低，因而缸內(nèi)噴射油束的霧化質(zhì)量提高，提高了缸內(nèi)燃油顆粒與空氣的混合速率，加快了可燃混合氣的形成，導(dǎo)致速燃期內(nèi)的燃燒速率增加，放熱率峰值增大，缸內(nèi)平均溫度也相應(yīng)升高，且峰值相位前移。

4 結(jié)論

油溫升高后，放熱率峰值和缸內(nèi)平均溫度峰值升高，且峰值相位均前移，燃燒效果大幅提升，有助于柴油機(jī)的順利起動(dòng)。