船用增压柴油机不同负荷下燃烧排放性能研究

陆瑶 王银燕

（哈尔滨工程大学动力与能源工程学院 哈尔滨 150001）

船用增压柴油机不同负荷下燃烧排放性能研究

陆瑶 王银燕

（哈尔滨工程大学动力与能源工程学院 哈尔滨 150001）

柴油机；负荷；燃烧；NO排放；Soot排放

为了研究柴油机在不同运行工况下偏心燃烧室缸内燃烧及排放情况，采用三维流体数值分析软件AVL FIRE建立某型柴油机燃烧及排放的计算模型。通过对不同负荷下柴油机燃烧及排放的模拟，计算该型柴油机缸内压力、温度等参数随曲轴转角的变化及燃烧温度、燃空当量比、NO和Soot的分布情况。研究表明：随着负荷的增加，在高负荷下易出现燃油撞壁现象；NO生成量随着负荷的增大而增加，在负荷增大到一定值时反而减小；NO生成主要分布于燃烧室偏心侧，高工况时NO大量生成在燃烧室边缘；Soot主要集中在油束与缸盖之间的缝隙位置。

0 引言

柴油机以其高效、经济、节能等优点，广泛应用于船舶、电站、工程机械中。随着国民经济的发展，人们对柴油机的燃烧及排放性能要求也越来越高，这就对柴油机研究方法提出了更精细的要求。随着计算机技术的高速发展，仿真技术在柴油机的开发与性能预测方面应用越来越广泛，采用计算流体动力学（CFD）技术在洞察缸内气体流动，燃烧以及排放物生成的有效方法［1］。

本文应用AVL FIRE软件建立了某船用增压柴油机的仿真模型，对从进气门关闭到排气门开启整个喷雾燃烧过程进行了三维仿真计算，分析了该型柴油机不同运转工况下的燃烧及排放性能，得到了一些通过试验无法直接观测的信息，对优化柴油机燃烧与排放性能有一定指导作用。

1 数学模型

1.1 基本控制方程

内燃机缸内燃烧过程是包含化学反应的复杂流动过程，其遵循化学反应流体力学的基本控制方程，即质量、组分、动量和能量守恒方程。在直角坐标系下，方程形式如下［2］（以i方向为例）：

（1）连续方程

（2）动量方程

式中：ρ为流体混合物密度；

p为压力；

ui为i方向速度；

gi为重力；

fi为其他阻力；

τij为黏性应力张量。

（3）能量方程

式中：h0为总焓；

ml为组分m在混合物中的质量分数；

Γl为组分l的输运系数；

Γh为组分h的输运系数；

qR为辐射热。

（4）组分方程

式中：Rl是由于化学反应引起的组分l的产生率。

1.2 燃烧和喷雾模型

燃烧和喷雾模型的选择如表1所示。

2 计算模型的建立和验证

2.1 柴油机的基本参数

本文研究对象是一台12缸V型增压中冷柴油机，其基本参数如表2所示。

表1 计算模型

表2 柴油机基本参数

2.2 几何模型的建立与计算网格的划分

对于柴油机缸内过程的多维数值模拟，因存在活塞的往复运动，应用动网格可以真实地反映柴油机实际工作情况。本研究采用FIRE软件中的ESE模块建立燃烧室的动网格。计算采用六面体网格，下止点处网格数为247 112，上止点处网格数为157 760，网格示意图如图1所示。

图1 计算网格

2.3 计算模型验证

通过计算模型的调试，得出额定工况下的示功图如图2所示。以实测示功图与计算示功图比较，计算值与试验值吻合较好，说明所选模型与参数设置是合理的。

图2 计算结果与实验值对比

3 不同负荷下燃烧特性分析

3.1 计算工况

根据柴油机实测数据，选取了1 800 r/min下4个工况进行计算分析，通过BOOST软件计算得出压缩始点的压力作为计算初始条件［4］，计算工况参数如表3所示。

3.2 计算结果及分析

通过模拟，得到了缸内参数随曲轴转角的变化情况以及三维分布情况。

图3为放热率曲线。由图可知，随着负荷的增加，放热率曲线往前移，燃烧始点越靠前；在高负荷下，扩散燃烧峰值明显，但在低负荷下，尤其在13%负荷下，没有明显的扩散燃烧过程，这表明在低负荷下燃烧过程主要体现为预混合燃烧，这对降低碳烟排放很有利。

图3 不同负荷下放热率

图4 不同负荷下平均温度

图4为缸内温度曲线。由图可知，随着负荷的增加，缸内最高平均温度也逐渐增加，由于高负荷下，滞燃期较短，燃油燃烧时刻较早，致使高负荷时缸内最高温度出现时刻要早于低负荷。不同负荷下的着火始点及滞燃期如图5所示。随着负荷减小，着火时刻逐渐延后，滞燃期逐渐增加。图6为10°CA ATDC不同负荷的温度分布；图7为10°CA ATDC不同负荷的燃空当量比分布。由图6、图7可知，随着滞燃期的延长，油束在缸内涡流的作用下，分布在燃烧室的空间范围增大，而在低负荷下，燃烧室内温度分布及燃油浓度分布比高负荷更加均匀，可认为随柴油机负荷的下降以及着火滞燃期的延长，在着火前燃油已呈接近完全蒸发的预混分布状态，所以其燃烧过程应为接近预混合压燃方式，这也是柴油机在低负荷时碳烟排放较低的原因之一。

表3 计算工况

图5 不同负荷下着火点及滞燃期

图6 10°CA ATDC不同负荷温度分布

图7 10°CA ATDC 不同负荷燃空当量比分布

4 不同工况下排放特性分析

图8为NO生成曲线。由图可知，NO在上止点前5°CA产生（稍晚于着火时间）,随着燃烧的不断进行，NO生成量逐渐增多；高负荷下（89%、100%负荷）于上止点后35°CA左右达到一个较高值，以后几乎不再增加；而在低负荷下（13%、38%负荷），NO在上止点前后就会达到较高值。这与柴油机在低负荷时燃烧温度有关，在低负荷下，燃烧以预混合燃烧为主，而预混合燃烧温度较低，NO生成量较少。

图8 不同负荷NO质量分数

图9 不同负荷Soot质量分数

图9为不同负荷Soot生成质量分数。由图可知，随着负荷的增加，碳烟排放量有明显的上升趋势。因为柴油机随着负荷的增加,每循环的喷油量会急剧增加，过量空气系数减小，使部分燃油在缺氧的条件下燃烧，从而造成碳烟排放的明显上升。在较小负荷时，碳烟排放量并不高，但在超负荷情况下，柴油机出现了非常高碳烟排放。大量试验发现，柴油机在小负荷时碳烟排放极低，仅为全负荷碳烟排放量的3%左右，并且在一定的负荷范围内始终维持较低的水平，仅当负荷超过某一个值后，碳烟排放才开始明显增加。这除了与此时空燃比较大有关外，还与在小负荷下燃烧过程接近预混合压燃方式有关。

图10显示了不同负荷下10°CA ATDC NO浓度场。由图可知，13%负荷和38%负荷下，NO在燃烧室内分布较均匀；而在89%和100%负荷下，NO大量生成于燃烧室的边缘。对比图7燃油浓度场可知，在燃烧室边缘燃空当量比较小，气态燃料浓度小，氧含量较高；对比图6温度场及图4缸内平均温度曲线可知，在89%和100%负荷下，燃烧室内温度较高且高温持续时间高于低负荷时，而高温、富氧和可燃气长时间停留在高温中，满足大量生成NO的条件。

图10 10°CA ATDC不同负荷NO分布

图11为不同负荷下10°CA ATDC Soot分布。由图可知，在13%和38%下，由于喷油量较小，碳烟主要生成去油束的周围，且生成域主要集中在油束与缸盖之间的缝隙位置；在89%和100%负荷下，由于喷油量的增加，燃油碰壁现在也凸显出来，附着在壁面的燃油的周围，此处构成了高温，缺氧等生成碳烟的条件，故在着壁区有大量碳烟生成。

图11 10°CA ATDC不同负荷Soot分布

5 结语

本文模拟了不同工况下柴油机缸内燃烧情况，得出了不同负荷下柴油机缸内压力、温度、放热规律等参数随曲轴转角的变化关系，并分析了不同工况下缸内温度场、浓度场、NO及Soot浓度的分布规律，得出以下结论：

（1）缸内平均压力与平均温度的峰值随着负荷的增大而增加，放热率峰值随着负荷的增加而远离上止点；

（2）随着喷油量的增加，负荷的增大，在高工况下会出现喷雾撞壁的现象；

（3）随着负荷的增加，NO与Soot生成量均增加，但NO生成量在负荷增加到一定值时反而减小。

［1］李云清.CFD在柴油机燃烧系统开发中的应用［R］.AVL用户大会.2008.

［2］CFD-Solver_v2008_05_CFD-Solver［R］.AVL FIRE User Guide.v2008.

［3］CFD-Solver_v2008_04_ICE-Physics&Chemistry［R］.AVL FIREU ser Guide.v2008.

［4］焦运景.车用直喷柴油机燃烧过程的数值模拟［D］.天津.天津大学：2006.

［5］刘永长.内燃机原理作者［R］.武汉.华中科技大学.2001.

［6］蒋德明.内燃机燃烧与排放学［R］.西安.西安交通大学.2001.

Study on diesel combustion and emissions under different load

LU Yao WANG Yin-Yan
（Harbin Engineering University，College of Power and Energy Harbin 150001，China）

diesel；load；combustion；NO emissions；Soote missions

In order to study the combustion and emissions of diesel at different operating conditions，a calculation model of diesel’s combustion and emissions is established by using AVL FIRE，a three-dimensional computational fluid dynamics software.Through the simulation of diesel combustion and emissions at different load，the diesel engine cylinder pressure，temperature and other parameters changing with the crank angle and the distribution of combustion temperature，equivalence ratio and NO are studied.The results show that:With the load increasing，the fuel may hit the wall；the NO formation increases proportionally；but when the load increases to a certain value，the NO formation becomes decrease instead.The NO formation mainly concentrated at the eccentric combustion chamber，while under high load mainly at edge of the combustion chamber.Soot mainly concentrates in the oil gap between the beam and the cylinder head position.

U664.21

A

1001-9855（2011）03-0030-05

2011-01-17

陆瑶（1986-），女，硕士研究生，研究方向：内燃机燃烧、排放性能。

王银燕（1961-），女，教授、博士生导师，研究方向：内燃机燃性能、增压技术及增压系统控制。