劉 瑞,黃 立,呂興才,馮明志,李紅梅
(1. 上海交通大學(xué) 動(dòng)力機(jī)械及工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240;2. 船舶與海洋工程動(dòng)力系統(tǒng)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,上海 201108;3. 中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所,上海 201108)
船舶航行于世界各海域,不同地理位置及氣候條件下,環(huán)境溫度差異極大,對(duì)航行于無(wú)限航區(qū)的船舶而言,其環(huán)境溫度的波動(dòng)范圍達(dá)40 ℃以上[1].受環(huán)境溫度變化的影響,柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)也會(huì)發(fā)生較大的變化,一般環(huán)境溫度每升高10 ℃,增壓壓力降低2%~4%,進(jìn)氣流量降低4.1% ,排氣溫度升高16 ℃[2].不同環(huán)境溫度下,增壓壓力的隨動(dòng)變化會(huì)導(dǎo)致高環(huán)境溫度時(shí),柴油機(jī)排氣溫度大幅升高,低環(huán)境溫度時(shí),最高燃燒壓力又面臨超限風(fēng)險(xiǎn).為確保柴油機(jī)在不同環(huán)境溫度下安全、穩(wěn)定地運(yùn)行,柴油機(jī)需具有優(yōu)良的環(huán)境溫度適應(yīng)性.尤其是隨著柴油機(jī)技術(shù)水平的不斷提升,先進(jìn)的船舶柴油機(jī)缸內(nèi)最大平均有效壓力已達(dá)3 MPa 以上[3-4],高平均有效壓力下,柴油機(jī)缸內(nèi)機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷裕度進(jìn)一步降低,需提高其環(huán)境溫度適應(yīng)性.
為提高船舶柴油機(jī)環(huán)境溫度適應(yīng)性,首先需明確不同環(huán)境溫度下增壓壓力的隨動(dòng)變化對(duì)柴油機(jī)燃燒特性及各主要性能參數(shù)的影響.Krishnan 等[5]研究發(fā)現(xiàn),增壓壓力由10 kPa(相對(duì)壓力)增加為80 kPa 時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率由43.7%增加為48.7%.Han 等[6]研究發(fā)現(xiàn),增壓壓力由80 kPa 增加為150 kPa 時(shí),滯燃期縮短3°CA.黃開(kāi)勝等[7]研究了增壓壓力對(duì)柴油機(jī)主要性能參數(shù)的影響,結(jié)果表明:在排氣壓力不變的條件下,增壓壓力每增加100 kPa,最高燃燒壓力增加約4.8~7.0 MPa.張全長(zhǎng)等[8]在某增壓中冷柴油機(jī)上研究了增壓壓力對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒特性的影響,發(fā)現(xiàn)隨著增壓壓力的增加,缸內(nèi)平均溫度降低,傳熱損失減少,指示熱效率升高,增壓壓力由50 kPa 增加至140 kPa 時(shí),燃油消耗率(BSFC)降低12 g/(kW·h).
目前,針對(duì)不同環(huán)境溫度下增壓壓力的隨動(dòng)變化對(duì)柴油機(jī)工作特性影響的研究較少,有關(guān)增壓壓力對(duì)柴油機(jī)工作特性影響的研究也主要集中在車(chē)用領(lǐng)域,對(duì)船舶柴油機(jī)的研究則鮮見(jiàn)報(bào)道.車(chē)用柴油機(jī)與船舶柴油機(jī)所采用的材料及結(jié)構(gòu)形式相似,二者所能承受的缸內(nèi)最高燃燒壓力限值基本相當(dāng),但車(chē)用柴油機(jī)最大平均有效壓力一般不超過(guò)2 MPa[9],而先進(jìn)的船舶柴油機(jī)最大平均有效壓力達(dá)3 MPa.高平均有效壓力下,柴油機(jī)增壓壓力較高,燃油噴射量較大,提升其機(jī)械負(fù)荷裕度是改善高強(qiáng)化船舶柴油機(jī)環(huán)境溫度適應(yīng)性的關(guān)鍵[2,10].
筆者以某最大平均有效壓力為3 MPa 的高強(qiáng)化自主品牌船用柴油機(jī)為研究對(duì)象,分析了環(huán)境溫度為10~50 ℃時(shí),增壓壓力的隨動(dòng)變化對(duì)柴油機(jī)燃燒特性及各主要參數(shù)的影響,并對(duì)降低壓縮比后柴油機(jī)的工作特性變化進(jìn)行分析,以期為提升高強(qiáng)化船舶柴油機(jī)環(huán)境溫度適應(yīng)性提供參考.
研究對(duì)象為某自主品牌單缸柴油機(jī),表1 為柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù).
表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of diesel engine
為研究不同環(huán)境溫度下增壓壓力的隨動(dòng)變化對(duì)柴油機(jī)各主要性能參數(shù)的影響,筆者按各環(huán)境溫度下目標(biāo)柴油機(jī)標(biāo)定工況的進(jìn)/排氣條件確定試驗(yàn)工況,環(huán)境溫度與增壓壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2 所示,工況2~工況6 由整機(jī)在不同環(huán)境溫度下的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果確定,工況1 為標(biāo)定后一維仿真模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果.各工況下柴油機(jī)增壓空氣溫度恒為48 ℃.
表2 試驗(yàn)工況測(cè)試方案Tab.2 Scheme of test conditions
為探究降低壓縮比對(duì)改善高強(qiáng)化船舶柴油機(jī)環(huán)境溫度適應(yīng)性的有效性,筆者改變?nèi)紵倚途€(xiàn),將原柴油機(jī)壓縮比由16(高壓縮比方案)降低為15(低壓縮比方案),如圖1 所示.
圖1 不同壓縮比配置下燃燒室型線(xiàn)對(duì)比Fig.1 Comparison of combustion chamber shapes with different compression ratios
試驗(yàn)中,通過(guò)調(diào)整噴油正時(shí),各進(jìn)/排氣壓力條件下,柴油機(jī)最高燃燒壓力維持在相當(dāng)水平.相同進(jìn)/排氣壓力條件下,重復(fù)試驗(yàn)3 次,每次試驗(yàn)記錄100 個(gè)循環(huán)的平均結(jié)果,文中各試驗(yàn)數(shù)值為3 次試驗(yàn)結(jié)果的平均值.定義CA 5 為5%累積放熱量對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角;CA 50 為 50% 累積放熱量對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角;CA 90 為90%累積放熱量對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角;從CA 5到CA 90 的持續(xù)時(shí)間為燃燒持續(xù)期.
圖2 為不同環(huán)境溫度下增壓壓力的隨動(dòng)變化對(duì)噴油正時(shí)、CA 5 和滯燃期的影響.可知,等最高燃燒壓力條件下,環(huán)境溫度降低后,隨著增壓壓力升高,柴油機(jī)各壓縮比配置下噴油正時(shí)的推遲量基本相當(dāng),增壓壓力每增加10 kPa,噴油正時(shí)推遲約0.5°CA.不同壓縮比配置下,增壓壓力升高后,隨著噴油正時(shí)的推遲,CA 5 呈推遲趨勢(shì),但由于低壓縮比配置下滯燃期較高壓縮比配置延長(zhǎng)約0.5°CA,其推遲量有一定差異.
圖2 增壓壓力對(duì)噴油正時(shí)、CA 5和滯燃期的影響Fig.2 Effects of intake pressure on injection timing,CA 5 and ignition delay
不同環(huán)境溫度下,隨著增壓壓力的增加,滯燃期呈先縮短后延長(zhǎng)的趨勢(shì),這主要是因?yàn)槿剂系臏计陔S壓縮溫度和壓力的升高而縮短,將壓縮過(guò)程近似為多變過(guò)程,柴油機(jī)壓縮溫度、壓縮壓力分別為
式中:TTDC為壓縮溫度;TBDC為下止點(diǎn)處缸內(nèi)氣體溫度;ε為有效壓縮比;γ為多變指數(shù);pTDC為壓縮壓力;pBDC為下止點(diǎn)處的缸內(nèi)氣體壓力.
試驗(yàn)過(guò)程中,柴油機(jī)增壓空氣溫度相同,且相同工況下,柴油機(jī)缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)基本相當(dāng),因而可認(rèn)為各增壓壓力下,柴油機(jī)下止點(diǎn)處缸內(nèi)氣體溫度相當(dāng)、壓縮過(guò)程多變指數(shù)相當(dāng),由式(1)、式(2)可知,相同壓縮比配置及增壓壓力下,柴油機(jī)壓縮溫度基本相當(dāng),但增壓壓力升高后,柴油機(jī)壓縮壓力呈γε倍顯著升高,滯燃期縮短;同時(shí),等最高燃燒壓力條件下,增壓壓力升高后,噴油正時(shí)推遲,燃料噴射時(shí)刻柴油機(jī)缸內(nèi)壓力、溫度升高,所以初期隨著增壓壓力的升高,柴油滯燃期縮短.增壓壓力進(jìn)一步升高后,雖然燃料噴入缸內(nèi)的初始?jí)毫?、溫度升高,但由于噴油正時(shí)逐漸靠近著火上止點(diǎn),燃料著火前活塞已經(jīng)開(kāi)始下行,缸內(nèi)氣體溫度、壓力迅速降低,燃料受高溫、高壓空氣影響的作用時(shí)間縮短,因而增壓壓力增加至390 kPa 后,滯燃期反而進(jìn)一步增加.
低壓縮比配置下,柴油機(jī)滯燃期更長(zhǎng),這是由于壓縮溫度、壓縮壓力與壓縮比呈指數(shù)關(guān)系,低壓縮比配置下柴油機(jī)缸內(nèi)壓縮壓力、壓縮溫度更低.
圖3 為不同環(huán)境溫度下最大壓力升高率隨增壓壓力的變化.可以看出,與滯燃期對(duì)應(yīng),低壓縮比配置時(shí),柴油機(jī)最大壓力升高率更大,但隨著增壓壓力的升高,柴油機(jī)缸內(nèi)壓力升高率逐漸降低,其變化趨勢(shì)與滯燃期的變化不完全對(duì)應(yīng).這是因?yàn)榄h(huán)境溫度小于30 ℃時(shí),目標(biāo)柴油機(jī)增壓壓力達(dá)370 kPa 以上,柴油機(jī)CA 5 位置已位于著火上止點(diǎn)后,此時(shí)如果進(jìn)一步降低環(huán)境溫度,柴油機(jī)滯燃期雖然變長(zhǎng),但由于著火過(guò)程中活塞快速下行,柴油機(jī)缸內(nèi)容積急劇增加,最大壓力升高率呈下降趨勢(shì).高壓縮比配置下,當(dāng)環(huán)境溫度大于30 ℃時(shí),增壓壓力小于370 kPa,最大壓力升高率隨增壓壓力的變化趨勢(shì)與采用低壓縮比配置時(shí)基本相當(dāng),但當(dāng)環(huán)境溫度小于30 ℃后,隨著增壓壓力的升高,最大壓力升高率呈微上升趨勢(shì),這是因?yàn)楦邏嚎s比配置下,柴油機(jī)噴油正時(shí)進(jìn)一步推遲,增壓壓力大于370 kPa 后,柴油機(jī)最大壓力升高率位于壓縮過(guò)程后期,而非燃燒過(guò)程,因而隨著增壓壓力的增加,其最大壓力升高率呈增加趨勢(shì).
圖3 增壓壓力對(duì)最大壓力升高率的影響Fig.3 Effects of intake pressure on maximum pressure rise rate
圖4、圖5 為不同環(huán)境溫度下增壓壓力的隨動(dòng)變化對(duì)CA 50、CA 90、燃燒持續(xù)期及柴油機(jī)放熱率的影響.圖4 中,相同壓縮比下,增壓壓力升高后,CA 50位置隨噴油正時(shí)的推遲而推遲,但CA 90 呈現(xiàn)出與CA 5、CA50 不同的變化趨勢(shì),柴油機(jī)燃燒持續(xù)期隨著增壓壓力的升高先明顯下降后總體平穩(wěn),環(huán)境溫度為30~50 ℃時(shí),增壓壓力小于370 kPa,此時(shí)增壓壓力每增加10 kPa,柴油機(jī)燃燒持續(xù)期縮短約3°CA,但隨著環(huán)境溫度的進(jìn)一步降低,增壓壓力大于370 kPa 后,燃燒持續(xù)期略有降低,同時(shí)圖5 中,增壓壓力隨動(dòng)升高后,柴油機(jī)著火時(shí)刻的缸內(nèi)壓力顯著上升,放熱率形狀、放熱率峰值未見(jiàn)明顯變化,但增壓壓力為350 kPa 時(shí),柴油機(jī)累積放熱量在達(dá)到0.7后,其燃燒速率明顯低于高增壓壓力各工況.擴(kuò)散燃燒的燃燒速率主要取決于燃料與O2相互混合的速率[11],雖然高環(huán)境溫度下增壓壓力較低,柴油機(jī)缸內(nèi)充量較小,但燃燒初期、中期缸內(nèi)空氣仍較充分,油、氣混合速率未受明顯影響,因而燃燒初期放熱率、放熱率峰值未見(jiàn)明顯變化,而燃燒后期,隨著缸內(nèi)新鮮空氣量的不斷消耗,燃油與新鮮空氣的有效碰撞頻率降低[12],放熱率降低,持續(xù)期延長(zhǎng);提高增壓壓力后,柴油機(jī)燃燒后期缸內(nèi)新鮮空氣量得到有效補(bǔ)償,缸內(nèi)油、氣混合速率加快,燃燒持續(xù)期縮短.增壓壓力大于370 kPa 后,進(jìn)一步降低環(huán)境溫度,柴油機(jī)燃燒持續(xù)期降低量顯著減小,這是因?yàn)楦咴鰤簤毫ο拢裼蜋C(jī)缸內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)φa已達(dá)到較高水平,燃燒后期缸內(nèi)新鮮空氣量已非限制油、氣混合的主要因素,環(huán)境溫度降低后,增壓壓力的提升并不能顯著改善燃燒后期柴油機(jī)缸內(nèi)油、氣的混合速率,增壓壓力的進(jìn)一步升高,反而會(huì)縮短柴油噴霧貫穿距離,燃燒室空間利用率降低,燃燒速率也略有降低.
圖4 增壓壓力對(duì)CA 50、CA 90和燃燒持續(xù)期的影響Fig.4 Effects of intake pressure on CA 50,CA 90 and combustion duration
圖5 高壓縮比配置下增壓壓力的隨動(dòng)變化對(duì)缸內(nèi)壓力、放熱率和累積放熱量的影響Fig.5 Effects of intake pressure on cylinder pressure ,heat release rate and cumulative heat release with high compression ratios
圖6 為不同環(huán)境溫度下增壓壓力的隨動(dòng)變化對(duì)柴油機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)、燃油消耗率的影響.可以看出,低壓縮比配置下,柴油機(jī)燃油消耗率較高壓縮比低,這是因?yàn)槟繕?biāo)柴油機(jī)采用低壓縮比配置時(shí),壓縮負(fù)功更小,且如圖4 所示,等最高燃燒壓力、低壓縮比配置下,柴油機(jī)噴油正時(shí)更靠前,相同環(huán)境溫度下,CA 50、CA 90 分別較高壓縮比配置提前約3°CA、5°CA,其燃燒過(guò)程更接近上止點(diǎn),相同放熱量下,柴油機(jī)缸內(nèi)氣體壓力升高量更明顯,膨脹功更大.因而柴油機(jī)燃燒位置較靠后時(shí),降低壓縮比反而有利于降低柴油機(jī)燃油消耗率.
圖6 增壓壓力的隨動(dòng)變化對(duì)燃油消耗率和過(guò)量空氣系數(shù)的影響Fig.6 Effects of intake pressure on BSFC and excess air coefficient
各壓縮比配置下,柴油機(jī)缸內(nèi)φa變化趨勢(shì)相同,即環(huán)境溫度降低后,隨著增壓壓力的升高,缸內(nèi)充量增加,φa增加.低壓縮比配置下,由于柴油機(jī)燃燒位置更靠近上止點(diǎn),熱效率更高,因而其φa較高壓縮比配置高.
環(huán)境溫度降低后,隨著增壓壓力的升高,不同壓縮比配置下,燃油消耗率呈相反的變化趨勢(shì),高壓縮比配置下,隨著增壓壓力的升高,燃油消耗率升高,但低壓縮比配置下,隨著增壓壓力的升高,燃油消耗率呈下降趨勢(shì).增壓壓力升高后,燃燒持續(xù)期縮短,熱效率增加,且缸內(nèi)充量增加后,相同放熱量下,缸內(nèi)工質(zhì)溫升降低,散熱量減小,因而低壓縮比配置下,環(huán)境溫度降低后,隨著增壓壓力的升高,燃油消耗率降低.高壓縮比配置下,燃油消耗率隨增壓壓力的升高而升高,這是因?yàn)楦邏嚎s比配置下,柴油機(jī)噴油正時(shí)整體更靠后,增壓壓力為350 kPa 時(shí),CA 5 已位于著火上止點(diǎn)之后,環(huán)境溫度降低后,隨著增壓壓力的升高,柴油機(jī)燃燒重心進(jìn)一步推遲,由于活塞下行初期,其運(yùn)動(dòng)速率隨曲軸轉(zhuǎn)角的增加而迅速加快,相同放熱量下,柴油機(jī)缸內(nèi)壓力升高量降低,膨脹功降低,同時(shí)增壓壓力升高后柴油機(jī)壓縮負(fù)功增加,增壓壓力升高對(duì)燃燒速率、傳熱的影響難以彌補(bǔ)膨脹功的降低及壓縮負(fù)功的增加,因而高壓縮配置下,柴油機(jī)燃油消耗率呈升高趨勢(shì).
圖7 為增壓壓力的隨動(dòng)變化對(duì)柴油機(jī)支管排氣溫度、缸套平均溫度的影響,其中缸套平均溫度為活塞在上止點(diǎn)位置時(shí),其第一道活塞環(huán)所對(duì)應(yīng)缸套位置均勻布置的4 個(gè)熱電偶溫度傳感器測(cè)量值的平均值.可以看出,各壓縮比配置下,在15~50 ℃范圍內(nèi),環(huán)境溫度降低后,柴油機(jī)支管排氣溫度隨增壓壓力的升高而降低,這是由增壓壓力升高后,柴油機(jī)缸內(nèi)空氣量增加,相同放熱量下柴油機(jī)缸內(nèi)氣體溫度升高量降低造成的.環(huán)境溫度由15 ℃進(jìn)一步降低為10℃時(shí),增壓壓力由405 kPa 提升為420 kPa,柴油機(jī)支管排氣溫度升高,這主要是由于等最高燃燒壓力條件下,增壓壓力升高為420 kPa 時(shí),柴油機(jī)燃燒位置進(jìn)一步推遲,熱效率顯著降低,相同增壓壓力升高量下,柴油機(jī)缸內(nèi)φa升高量降低,此時(shí)φa的增加量已難以彌補(bǔ)燃燒位置后移造成的影響,因而柴油機(jī)支管排氣溫度呈升高趨勢(shì).
圖7 增壓壓力的隨動(dòng)變化對(duì)支管排氣溫度和缸套平均溫度的影響Fig.7 Effects of intake pressure on the temperature of exhaust manifold and the average temperature of cylinder liner
不同環(huán)境溫度、各壓縮比配置下,柴油機(jī)缸套平均溫度隨增壓壓力的升高呈不同的變化趨勢(shì),高壓縮比配置下,柴油機(jī)缸套平均溫度隨增壓壓力的升高而增加,這是因?yàn)榄h(huán)境溫度降低后,隨著增壓壓力的升高,噴油正時(shí)推遲,活塞下行過(guò)程中,活塞碗壁對(duì)油束發(fā)展的阻礙作用降低,大量燃油沿噴射方向向缸套壁面附近集結(jié)、燃燒,缸套近壁面處氣體溫度升高,吸熱量增加,溫度升高.低壓縮比配置下,柴油機(jī)缸套平均溫度較高壓縮比配置低,且隨增壓壓力的升高,缸套溫度降低,這是因?yàn)榻档蛪嚎s比后,柴油機(jī)噴油正時(shí)總體較高壓縮比配置提前,油束與活塞碗壁的相互作用增強(qiáng),缸套近壁面燃油量減小,近壁燃燒不明顯,缸套吸熱量降低,溫度降低.另外,環(huán)境溫度降低后,隨著增壓壓力的升高,φa升高,熱效率升高,相同工況下,柴油機(jī)缸內(nèi)總放熱量降低,同時(shí)隨著缸內(nèi)進(jìn)氣量的增加,一定放熱量下,柴油機(jī)缸內(nèi)氣體平均溫度升高量降低,因而隨著環(huán)境溫度的降低,缸內(nèi)氣體平均溫度降低,高溫燃?xì)庀蚋滋妆诿娴膫鳠崃拷档停滋灼骄鶞囟冉档?
圖8 增壓壓力的隨動(dòng)變化對(duì)柴油機(jī)NOx排放的影響.可知,各壓縮比配置下,隨著增壓壓力的升高,NOx排放均呈降低趨勢(shì),增壓壓力每升高10 kPa,NOx排放降低約30×10-6.這是由于增壓壓力升高后,φa增加,柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度降低,NOx排放降低.降低壓縮比后,柴油機(jī)NOx排放較高壓縮比配置高,這是因?yàn)榈茸罡呷紵龎毫l件下,降低壓縮比后,柴油機(jī)噴油正時(shí)靠前,滯燃期較長(zhǎng),滯燃期內(nèi)噴入缸內(nèi)的柴油較多,預(yù)混燃燒量更大,缸內(nèi)氣體溫度更高;同時(shí),低壓縮比配置下柴油機(jī)燃燒位置靠近上止點(diǎn),缸內(nèi)容積變化較小,相同放熱量下,柴油機(jī)缸內(nèi)溫度更高,NOx排放同樣呈升高趨勢(shì).
圖8 增壓壓力對(duì)NOx 排放的影響Fig.8 Effects of intake pressure on NOx emissions
(1) 等最高燃燒壓力條件下,環(huán)境溫度降低后,CA 5 均隨增壓壓力的升高而推遲,滯燃期隨增壓壓力的增加呈先縮短后延長(zhǎng)的趨勢(shì);相同增壓壓力下,低壓縮比配置柴油機(jī)的滯燃期較高壓縮比延長(zhǎng)約0.5°CA.
(2) 環(huán)境溫度由50 ℃降為30 ℃時(shí),增壓壓力的升高可有效加快柴油機(jī)燃燒后期的燃燒速率,該區(qū)間內(nèi)增壓壓力每升高 10 kPa,燃燒持續(xù)期縮短約3°CA,但環(huán)境溫度低于30 ℃后,增壓壓力的升高對(duì)柴油機(jī)燃燒持續(xù)期的影響程度迅速降低.
(3) 等最高燃燒壓力條件下,低壓縮比配置柴油機(jī)的燃油消耗率更低,且環(huán)境溫度降低后,隨著增壓壓力的升高,燃油消耗率進(jìn)一步降低,但高壓縮比配置下,由于其燃燒位置推遲,環(huán)境溫度降低后,柴油機(jī)燃油消耗率反而呈升高趨勢(shì).
(4) 高壓縮比配置下,受燃油噴射等因素的影響,缸套溫度隨增壓壓力的隨動(dòng)升高而升高,低壓縮比配置下,缸套溫度隨增壓壓力的隨動(dòng)升高而降低,但相同環(huán)境溫度下,采用低壓縮比配置時(shí),柴油機(jī)缸套平均溫度更低.