柴油微尺度燃燒模型構(gòu)建及燃燒特性影響規(guī)律研究

韓 愷，劉超凡，魏石磊，梁永森

（1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.北京理工大學(xué) 重慶創(chuàng)新中心，重慶 401133；3.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，天津 300400）

0 概述

內(nèi)燃機(jī)活塞嚴(yán)重?zé)g會(huì)影響到整機(jī)的安全運(yùn)行［1］?；钊麄?cè)面燒蝕可能是由活塞與氣缸間隙柴油在近壁面處燃燒所導(dǎo)致［2］。目前很多光學(xué)診斷研究中測(cè)量了近壁面附近的流動(dòng)與燃燒。文獻(xiàn)［3］中通過平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)研究了火焰壁面之間的相互作用對(duì)局部放熱率及燃燒火焰結(jié)構(gòu)的影響。文獻(xiàn)［4］中研究了定容燃燒彈內(nèi)不同撞壁距離、噴射壓力、環(huán)境溫度、環(huán)境壓力對(duì)近壁面區(qū)域柴油噴霧特性的影響。文獻(xiàn)［5］中研究了壁面高度及溫度對(duì)T20 燃料燃燒時(shí)近壁面區(qū)域火焰溫度場(chǎng)和甲醛分布的影響。

對(duì)于活塞側(cè)面燒蝕，由于活塞側(cè)面與缸套之間的間隙通常小于1 mm，在該尺寸間隙內(nèi)燃燒屬于微尺度狹縫燃燒［6］，而目前微尺度燃燒的研究多針對(duì)氫氣、甲烷等氣體燃料。文獻(xiàn)［7］中通過數(shù)值計(jì)算對(duì)平板型燃燒室內(nèi)氫氣與空氣的混合燃燒特性進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［8］中構(gòu)建了二維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)甲烷-空氣混合物和丙烷-空氣混合物燃燒過程中的熱傳遞和質(zhì)量傳遞進(jìn)行了分析。為了研究微尺度狹縫內(nèi)柴油燃燒過程，擬采用類似定容燃燒彈的孤立系統(tǒng)展開相關(guān)研究。該尺寸的狹縫燃燒較難通過試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，因此構(gòu)建柴油微尺度狹縫燃燒模型研究狹縫柴油燃燒的參數(shù)影響規(guī)律可為后續(xù)試驗(yàn)提供理論指導(dǎo)。

1 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理構(gòu)建

針對(duì)某柴油機(jī)在低溫環(huán)境工作時(shí)活塞頂部和活塞側(cè)面發(fā)生的燒蝕現(xiàn)象（如圖1 所示），通過構(gòu)建正庚烷簡(jiǎn)化機(jī)理耦合CONVERGE 三維燃燒室模型，建立柴油微尺度燃燒模型，建模思路如圖2 所示。正庚烷十六烷值與柴油接近，是柴油常用的替代燃料［9］，其化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)詳細(xì)機(jī)理研究非常豐富且經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證。本文中采用勞倫斯國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出并于2013年更新的正庚烷詳細(xì)機(jī)理［10］，該機(jī)理適用范圍為：初始?jí)毫?.30 MPa～5.0 MPa，溫度為650 K～1 200 K，當(dāng)量比為0.3～1.0?？紤]各簡(jiǎn)化方法的優(yōu)點(diǎn)［11-12］，先后使用考慮誤差傳遞的直接關(guān)系圖（direct relation graph with error propagation，DRGEP）法與奇異攝動(dòng)（computational singular perturbation，CSP）法進(jìn)行機(jī)理簡(jiǎn)化。

圖1 活塞側(cè)面燒蝕現(xiàn)象

圖2 柴油微尺度燃燒模型建模思路

1.1 DRGEP 簡(jiǎn)化過程與結(jié)果分析

首先利用ReaxRed 程序在定壓條件下通過考慮誤差傳遞的直接關(guān)系圖法對(duì)詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的邊界條件如表1 所示，簡(jiǎn)化結(jié)果見圖3。

表1 DRGEP 簡(jiǎn)化邊界條件

圖3 中，最大相對(duì)點(diǎn)火誤差和平均相對(duì)點(diǎn)火誤差分別為9 個(gè)工況點(diǎn)的點(diǎn)火誤差的最大值和平均值。由圖3 可知，基元反應(yīng)數(shù)量隨著閾值增加近似線性減少。在閾值小于等于0.017 時(shí)，最大相對(duì)點(diǎn)火誤差和平均相對(duì)點(diǎn)火誤差均在30% 以內(nèi)；在閾值為0.018 時(shí)，最大相對(duì)點(diǎn)火誤差迅速增加至53%，平均相對(duì)點(diǎn)火誤差也急劇上升。

圖3 基元反應(yīng)數(shù)量與相對(duì)點(diǎn)火誤差隨閾值的變化

不同工況的點(diǎn)火誤差如圖4 所示。結(jié)合表1 可知，在0.017 閾值的相對(duì)點(diǎn)火誤差結(jié)果中，壓力和溫度的影響規(guī)律都不明顯。即簡(jiǎn)化機(jī)理的相對(duì)誤差與工況的壓力、溫度無(wú)關(guān)，無(wú)法定向優(yōu)化簡(jiǎn)化機(jī)理文件從而減少相對(duì)誤差，不能繼續(xù)用DRGEP 法簡(jiǎn)化該機(jī)理。

圖4 閾值為0.017 時(shí)的不同壓力下的相對(duì)點(diǎn)火誤差

閾值為0.017 時(shí)，包含了160 個(gè)物種和740 個(gè)基元反應(yīng)的簡(jiǎn)化機(jī)理（中間簡(jiǎn)化機(jī)理）與詳細(xì)機(jī)理的最大相對(duì)點(diǎn)火誤差為10.23%，平均相對(duì)點(diǎn)火誤差為5.37%，滿足簡(jiǎn)化原則，可以作為下一步使用的機(jī)理。

1.2 CSP 簡(jiǎn)化過程及結(jié)果分析

對(duì)于直接關(guān)系圖法的簡(jiǎn)化結(jié)果，可通過CSP 進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化，以得到基元反應(yīng)數(shù)量更少的簡(jiǎn)化機(jī)理。CSP 的簡(jiǎn)化邊界條件如表2 所示。

表2 CSP 簡(jiǎn)化邊界條件

通過CSP 法簡(jiǎn)化的基元反應(yīng)數(shù)量及相對(duì)誤差結(jié)果見圖5。在閾值為0.076 時(shí)最大點(diǎn)火誤差與平均點(diǎn)火誤差均小于10%；但在閾值為0.077 時(shí)，最大相對(duì)點(diǎn)火誤差上升至約26%。因此最終選擇了閾值為0.076 時(shí)CSP 簡(jiǎn)化的機(jī)理。

圖5 CSP 簡(jiǎn)化后的基元反應(yīng)數(shù)量和相對(duì)誤差

1.3 簡(jiǎn)化機(jī)理與詳細(xì)機(jī)理誤差對(duì)比

詳細(xì)機(jī)理在簡(jiǎn)化過程中關(guān)鍵參數(shù)如表3 所示。基于CHEMKIN 軟件分別對(duì)正庚烷的詳細(xì)機(jī)理與經(jīng)過兩次簡(jiǎn)化所得到的160 個(gè)物種和492 個(gè)基元反應(yīng)簡(jiǎn)化機(jī)理（最終簡(jiǎn)化機(jī)理）進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算不同條件下的著火延遲期，設(shè)置的邊界條件如表4 所示。

表3 簡(jiǎn)化過程關(guān)鍵參數(shù)

表4 最終簡(jiǎn)化機(jī)理驗(yàn)證邊界條件

定義α=1 000/T，其中T為溫度。圖6 為初始?jí)毫?.4 MPa、0.7 MPa、1.0 MPa 時(shí)，不同溫度下正庚烷詳細(xì)機(jī)理與最終簡(jiǎn)化機(jī)理的著火延遲期的對(duì)比。由圖6 可知，在高溫階段（α＜1 K-1）最終簡(jiǎn)化機(jī)理的著火延遲期誤差較?。辉诘蜏仉A段，最終簡(jiǎn)化機(jī)理的著火延遲期存在一定偏差，最大相對(duì)點(diǎn)火誤差為21.12%，滿足最大著火誤差低于30% 的簡(jiǎn)化要求［13］，可以用于后續(xù)仿真計(jì)算。

圖6 最終簡(jiǎn)化機(jī)理與詳細(xì)機(jī)理結(jié)果對(duì)比

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 燃燒室模型

在柴油機(jī)低溫環(huán)境下冷起動(dòng)過程中，柴油蒸發(fā)效果差，部分柴油附著在缸套和活塞頂部形成附壁油膜，少量附壁油膜落入活塞與氣缸的間隙［14］。圖7 為附壁油膜空間分布示意圖。將圖7 的局部細(xì)節(jié)展開可以得到狹縫空間結(jié)構(gòu)示意圖，如圖8 所示?；钊麄?cè)壁面的柴油受慣性、重力及毛細(xì)作用力作用，形成如圖8 所示的附壁油膜。

圖7 附壁油膜空間分布示意圖

圖8 狹縫空間結(jié)構(gòu)示意圖

本研究中的燃燒場(chǎng)所是活塞與氣缸的間隙狹縫，活塞與氣缸間隙從空間來(lái)看是一個(gè)環(huán)狀空間。為減小計(jì)算量，取環(huán)狀空間的1/8 進(jìn)行計(jì)算，且燃燒室外緣弧形曲率較小，可進(jìn)一步將弧線轉(zhuǎn)化為直線，最終得到長(zhǎng)方體燃燒室，簡(jiǎn)化過程如圖9 所示。圖中L為1/8 燃燒室簡(jiǎn)化長(zhǎng)度。

圖9 燃燒室簡(jiǎn)化過程

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，活塞間隙取1 mm，第一道氣環(huán)到活塞頂面高度為10 mm，即燃燒室高10 mm，L通過附壁油膜質(zhì)量和厚度計(jì)算得到，微尺度狹縫燃燒室尺寸如圖10 所示。

圖10 燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸

2.2 仿真計(jì)算邊界條件

2.2.1 燃燒室初始環(huán)境壓力、溫度

微尺度狹縫燃燒室與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室空間相連，混合氣的壓力溫度基本一致，則燃燒室的初始環(huán)境壓力溫度可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況進(jìn)行設(shè)定，選取發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷起動(dòng)過程中800 r/min、100% 油門開度工況，為微尺度狹縫燃燒提供相應(yīng)的邊界條件。

缸壓曲線如圖11 所示。曲軸轉(zhuǎn)角-30°開始噴油，上止點(diǎn)前缸壓劇烈上升?；钊g隙狹縫的燃油不一定與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的燃油同步著火，狹縫內(nèi)燃油著火時(shí)間難以確定，無(wú)法給出準(zhǔn)確的微尺度狹縫燃燒室的初始?jí)毫?，從開始噴油到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室缸壓激增前，缸內(nèi)壓力在0.8 MPa～2.0 MPa 之間。綜合考慮設(shè)定微尺度狹縫燃燒室的初始?jí)毫?.0 MPa，初始?jí)嚎s混合氣溫度按照經(jīng)驗(yàn)設(shè)定為1 000 K。

圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)工況缸壓曲線

2.2.2 燃燒室初始壁面溫度場(chǎng)

微尺度狹縫燃燒室Y方向上的壁面分別對(duì)應(yīng)氣缸壁面和活塞壁面，氣缸壁面經(jīng)過冷卻水冷卻，溫度按照經(jīng)驗(yàn)設(shè)定為550 K，活塞壁面溫度按照經(jīng)驗(yàn)設(shè)定為750 K。燃燒室的下壁面為第一道氣環(huán)，活塞壁面與氣環(huán)緊密連接，故壁面溫度設(shè)定與活塞壁面溫度相同，均為750 K。上壁面本質(zhì)是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的壓縮混合氣，溫度設(shè)定同燃燒室內(nèi)的初始環(huán)境溫度1 000 K。最終，燃燒室壁面溫度如圖12所示。

圖12 燃燒室壁面溫度示意圖

2.2.3 燃燒室初始柴油分布

燃燒室體積確定時(shí)，燃燒室內(nèi)空氣質(zhì)量取決于壓力、溫度。在初始溫度1 000 K、壓力1.0 MPa 的初始狀態(tài)下，空氣質(zhì)量為1.15 mg，結(jié)合空燃比確定燃燒室內(nèi)柴油質(zhì)量。將空燃比設(shè)置為理想空燃比，柴油的質(zhì)量取為0.08 mg，假設(shè)所有柴油均布在燃燒室底部，結(jié)合柴油密度（830 mg/mL）可計(jì)算出柴油體積，再結(jié)合覆蓋面積（30.00 mm2）可計(jì)算得到油膜厚度為3.21 μm。文獻(xiàn)［15］中的測(cè)量柴油附壁油膜厚度下限為2.00 μm，據(jù)此可認(rèn)為本文中柴油微尺度狹縫燃燒室的燃油質(zhì)量與均布在燃燒室底部設(shè)置合理。

2.2.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

CONVERGE 軟件采用笛卡爾網(wǎng)格，提供基礎(chǔ)網(wǎng)格、自適應(yīng)加密和固定加密3 種網(wǎng)格尺寸控制方法?；A(chǔ)網(wǎng)格尺寸長(zhǎng)和高均設(shè)置為1.0 mm，寬設(shè)置為0.1 mm，自適應(yīng)加密開啟溫度加密。

不同網(wǎng)格數(shù)量下的平均燃燒溫度、燃燒室內(nèi)壓力計(jì)算結(jié)果如圖13 所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量在200 000 以上時(shí)，仿真模型的燃燒開始時(shí)刻、最高燃燒溫度、燃燒室壓力變化等結(jié)果非常接近，可以消除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，最終網(wǎng)格數(shù)量設(shè)置為200 000。

圖13 不同網(wǎng)格數(shù)量下燃燒室平均溫度及壓力對(duì)比

根據(jù)上述內(nèi)容設(shè)定燃燒室的初始及邊界條件如表5 所示。

3 結(jié)果與分析

微尺度狹縫燃燒過程受多參數(shù)影響，根據(jù)參考文獻(xiàn)［16-18］，狹縫間距、初始空氣溫度、壓力等參數(shù)對(duì)燃燒過程影響較大，因此基于所構(gòu)建的微尺度狹縫柴油燃燒模型分別開展了上述參數(shù)對(duì)燃燒過程的影響規(guī)律研究。參考工況下的初始及邊界條件見表5。

表5 模型初始及邊界條件設(shè)置

3.1 初始環(huán)境壓力對(duì)燃燒的影響

初始環(huán)境壓力變化時(shí)，保持空燃比不變計(jì)算附壁油膜質(zhì)量，進(jìn)而獲取初始環(huán)境壓力對(duì)微尺度柴油燃燒特性的影響規(guī)律。該工況的初始條件如表6 所示。不同初始環(huán)境壓力下的壓力、最高溫度及瞬時(shí)放熱率結(jié)果如圖14 所示。

圖14 不同初始?jí)毫ο碌膲毫?、最高燃燒溫度和瞬時(shí)放熱率

表6 不同初始環(huán)境壓力初始條件

由圖14 可知，初始環(huán)境壓力為0.6 MPa 時(shí)未能實(shí)現(xiàn)燃燒，而初始環(huán)境壓力為1.0 MPa～3.4 MPa 時(shí)燃燒室內(nèi)最高溫度超過2 000 K，即在微尺度狹縫內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃燒。

初始環(huán)境壓力越高，瞬時(shí)放熱率峰值越大，燃燒最高溫度越高。這是由于初始環(huán)境壓力越高，附壁油膜質(zhì)量越大，燃燒時(shí)可燃混合氣質(zhì)量越多，釋放熱量越多。而隨著初始環(huán)境壓力的升高，燃燒室內(nèi)工質(zhì)密度增大，瞬時(shí)放熱率峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻逐漸提前，3.4 MPa 條件下瞬時(shí)放熱率峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻較參考工況（1.0 MPa）提前了22.3 ms。

不同初始環(huán)境壓力下的壓力曲線相似，燃燒過程壓力增長(zhǎng)量近似相等。在燃燒前工質(zhì)向壁面散熱從而溫度下降，進(jìn)而造成壓力隨溫度的線性下降，在穩(wěn)態(tài)壓力大于0.69 MPa 時(shí)柴油方可實(shí)現(xiàn)燃燒。圖15 為不同初始環(huán)境壓力下最高燃燒溫度時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布。通過對(duì)比圖15 可以發(fā)現(xiàn)，初始環(huán)境壓力越高，燃燒高溫區(qū)域位置越靠近底部。這是由于初始環(huán)境壓力越大，工質(zhì)密度越大，滯燃期短，燃燒時(shí)刻早，蒸發(fā)的燃油向上擴(kuò)散距離短，在靠近底部附近就能實(shí)現(xiàn)燃燒。

圖15 不同初始?jí)毫ο伦罡呷紵郎囟葧r(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布

3.2 初始環(huán)境溫度對(duì)燃燒的影響

初始環(huán)境溫度變化時(shí)，保持空燃比不變，計(jì)算附壁油膜質(zhì)量，研究工況的初始條件如表7 所示。圖16 展示了不同初始環(huán)境溫度下壓力、最高溫度及瞬時(shí)放熱率的變化規(guī)律。

表7 不同初始環(huán)境溫度初始條件

由圖16 可知，初始環(huán)境溫度高于1 100 K 時(shí)未能實(shí)現(xiàn)燃燒，而初始環(huán)境溫度在700K～1 000 K 范圍內(nèi)時(shí)，燃料在微尺度狹縫內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃燒。隨著初始環(huán)境溫度降低，燃燒室內(nèi)附壁油膜質(zhì)量增加，瞬時(shí)放熱率峰值增大，放熱率峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻提前，700 K 條件下瞬時(shí)放熱率峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻較參考工況（1 000 K）提前了15.3 ms。

圖16 不同初始溫度下的壓力、最高燃燒溫度和瞬時(shí)放熱率

圖17 為不同初始溫度下最高燃燒溫度時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布。由圖17 可知，隨著初始環(huán)境溫度的升高，燃燒高溫區(qū)域位置上移。這是由于環(huán)境溫度高，燃料滯燃期長(zhǎng)，蒸發(fā)的燃油向上擴(kuò)散距離長(zhǎng)，燃燒高溫區(qū)域位置上移。而該結(jié)論與文獻(xiàn)［18］中環(huán)境溫度越高則滯燃期越短的結(jié)果矛盾。這是由于本研究的燃燒室空間小，散熱能力較強(qiáng)，初始溫度越高則燃燒前環(huán)境壓力越低，使燃燒室內(nèi)密度下降，滯燃期增加。

圖17 不同初始溫度下最高燃燒溫度時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布

3.3 狹縫間距對(duì)燃燒的影響

保持空燃比不變計(jì)算不同狹縫間距附壁油膜質(zhì)量，研究狹縫間距對(duì)微尺度柴油燃燒的影響規(guī)律。不同狹縫間距初始條件如表8 所示。不同狹縫間距下的溫度、壓力及瞬時(shí)放熱率結(jié)果如圖18 所示。

表8 不同狹縫間距初始條件

由圖18 可知，當(dāng)狹縫間距小于1.0 mm 時(shí)，微尺度狹縫柴油無(wú)法燃燒；當(dāng)狹縫間距大于1.0 mm 時(shí)，間距越大，瞬時(shí)放熱率越大，燃燒最高燃燒溫度越高，瞬時(shí)放熱率對(duì)應(yīng)時(shí)刻越早，狹縫間距1.5 mm 條件下放熱率峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻較參考工況（1.0 mm）提前了11.7 ms。

圖18 不同狹縫間距下的壓力、最高燃燒溫度和瞬時(shí)放熱率

圖19 為不同狹縫間距下最高燃燒溫度時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布。由圖19 可知，不同狹縫間距下最高溫度時(shí)刻的溫度場(chǎng)輪廓相似。隨著狹縫間距變大，最高溫度時(shí)刻高溫區(qū)域面積變大，一方面是由于間距越大附壁油膜質(zhì)量越大，另一方面是由于間距越大，工質(zhì)溫度下降越慢。當(dāng)狹縫間距小于1.0 mm時(shí)，燃燒室內(nèi)壓力先因散熱而下降，后因中低溫反應(yīng)放熱而輕微上升；當(dāng)狹縫間距大于1.0 mm 時(shí)，燃燒室內(nèi)壓力同樣先下降，隨后隨著燃燒大量放熱而壓力激增，不同間距下的壓力曲線相似；當(dāng)狹縫間距為0.9 mm 時(shí)，燃燒前環(huán)境壓力下降到0.68 MPa，低于著火壓力邊界下限0.69 MPa，所以在其他條件不變的情況下燃燒室內(nèi)未實(shí)現(xiàn)燃燒。

圖19 不同狹縫間距下的最高燃燒溫度時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布

4 結(jié)論

（1）初始環(huán)境溫度在700 K～1 000 K 范圍內(nèi)時(shí)，柴油機(jī)活塞與氣缸間隙內(nèi)的燃料在微尺度狹縫內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃燒。隨著初始環(huán)境溫度升高，瞬時(shí)放熱率峰值降低，燃燒的最高溫度降低，燃燒高溫區(qū)域位置上移。

（2）當(dāng)狹縫間距小于1.0 mm 時(shí)，微尺度狹縫柴油無(wú)法燃燒；當(dāng)狹縫間距大于1.0 mm 時(shí)，間距越大，瞬時(shí)放熱率越大，最高燃燒溫度越高。

（3）不同初始環(huán)境溫度、狹縫間距會(huì)影響燃燒前近穩(wěn)態(tài)壓力，燃燒前近穩(wěn)態(tài)壓力決定是否可以實(shí)現(xiàn)微尺度燃燒，近穩(wěn)態(tài)壓力高于0.69 MPa 時(shí)方可實(shí)現(xiàn)燃燒。