基于CFD某增压柴油机不同海拔下的燃烧机理分析

徐华平, 张旭, 王浩东, 刘炳霞, 李 强

(1.江苏科技大学 能源与动力工程学院,江苏 镇江 212003)(2.镇江四洋柴油机制造有限公司,江苏 镇江 212003)

高原地区空气比较稀薄(表1为根据文献[1]插值计算出的平原和海拔2 900,4 250 m的大气参数),高原空气中含氧量比平原地区空气里的含氧量要低的多,工作在高原地区的柴油机难以正常运行,进入缸内的空气量较小,使得缸内进气终点的压力低于设计标准,致使压缩终点压力及温度达不到应有的水平,引起柴油机启动困难,小负荷时工作不稳定,在大负荷时排烟变成浓黑色,柴油机缸内燃烧不完全,最大功率大幅度下降,耗油量上升、排放恶化,热负荷升高和废气涡轮增压器不能正常工作.同时润滑油和冷却水温度偏高、水箱经常开锅,影响了柴油机工作稳定性.海拔越高,空气越稀薄,柴油机的性能随海拔的升高而恶化的影响也就越明显[1],柴油机的可靠性与寿命也会减少.

目前,对柴油机的高原功率恢复、增压研究以及一维计算比较多,但尚未针对柴油机在高原地区缸内的三维模拟以及缸内燃烧情况进行研究.

文中利用流体分析软件包STAR-CD以及ES-ICE模块,在改变大气状况下模拟了高原环境下缸内的燃烧过程,分析了温度场和压力场以及NOx排放,研究燃烧参数随海拔高度变化而变化的规律,研究结果对改善柴油机在高原地区的燃烧有重要意义.

表1 大气参数随海拔高度的变化Table 1 Parameters of atmospheric at different altitude

1 数学模型

1.1 缸内气体湍流扩散模型

选用计算精度高、成本低的重整化群(RNG)的k-ε模型[2-3]来模拟缸内气体流动.方程如下:

(1)

(2)

(3)

式中,k为湍动能,ε为耗散率,ρ为密度,αk和αε分别为k和ε的有效湍流普朗特数的倒数,μeff为有效粘性系数,η=Sk/ε,S=(2sij·sij)1/2,sij为流体变形张量,η0=4.38,β=0.012,Gb为由平均速度梯度引起的湍动能,Gk为由浮力影响引起的湍动能,YM为压速湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响,R为平均应变率对ε的影响,C1ε=1.42,C2ε=1.68,C3ε=1.42,Cμ=0.085.

1.2 喷雾和燃烧模型

文中利用STAR-CD软件中现有的Reitz-Diwakar雾化模型、Reitz破碎模型和Bai碰壁模型.采用ECFM-3Z(3-zones extended coherent flame model)燃烧模型,其基于火焰面密度输运方程上增加了混合模型,并有空气区、混合区和燃油区的区域混合描述,能够描述非均匀湍流预混合和扩散燃烧过程(图1).液滴燃料先在燃料区F中蒸发,蒸发后形成的燃料蒸汽位于燃料区F中,然后一部分燃料蒸汽由燃料区F进入混合区M;同时空气也由空气区A进入混合区M,在混合区实现燃料与空气的混合.此理论假设更接近柴油机的实际燃烧过程[4].

图1 ECFM-3Z火焰模型结构Fig.1 ECFM-3Z flame model

2 几何模型及验证

柴油机的基本参数如下：缸径×行程为114×135 mm,标定功率为264 kW,标定转速为2 430 r/min,压缩比为16∶1，最大功率为290 kW,最大功率转速为2 500 r/min,喷油提前角为12°CA. 图2为所建立的柴油机网格模型.在建立气缸实体模型时，燃烧室的中心线和气缸中心线有偏移,因此不能按照喷嘴数划分扇区计算,必须整体建模计算.在三维CAD软件UG中建立几何模型,然后导入STAR-CD中的内燃机网格生成工具ES-ICE中,建立用于计算的网格模型.燃油喷射温度为313 K,喷油提前角为12°CA,喷油持续期20°CA;柴油机转速为2 500 r/min.设定燃烧壁面温度为550 K,缸盖壁温度520 K,缸套壁温度500 K.

图2 柴油机网格模型Fig.2 Turbocharged diesel grid model

为了验证计算模型的准确性,在平原环境条件下,将计算结果与实验数据进行了对比,如图3.两条曲线吻合良好,计算的最高燃烧压力为14.05 MPa,对应的曲轴转角(θ)为369.5°CA;实验值的最高燃烧压力为13.84 MPa,对应的曲轴转角为369.6°CA.模拟结果比较接近实际,说明建立的计算模型基本合理,精度满足工程实际要求.

图3 示功图的计算值与试验值对比Fig.3 Comparison of pressure′s computed values and experimental values

3 计算结果分析

采用上述柴油机分别在海拔2 900 m和海拔4 250 m下进行三维数值模拟.图4为不同时刻下不同海拔缸内温度场,从上到下3行分别为平原、海拔2 900 m和海拔4 250 m下缸内的剖面温度分布图.从图中可以看出,TDC时刻,海拔2 900 m和海拔4 250 m的火焰传播要比平原的快, 这是由于刚开始燃烧时,放热率增加,燃烧持续期减少,但是平原的缸内最高温度比两个海拔下高;在火焰传播的过程中,由于燃烧小涡流的存在,燃烧膨胀的气体在燃烧室附近形成逆挤流,带动燃烧室内的高温燃气流流向余隙容积,使火焰传到余隙容积[5],10°TDC时刻,海拔2 900 m和海拔4 250 m的燃烧已经充分扩散并向余隙发展,缸内温度高于平原;20°TDC时刻图示平原的缸内温度分布比两个海拔的平均.总体而言平原下的燃烧比海拔2 900 m和海拔4 250 m平稳.

图4 不同海拔缸内温度场Fig.4 Combustion temperature in diesel engine in different altitude

图5为不同海拔下缸内放热率曲线,其中β为放热率.图6为不同海拔下缸内燃烧温度曲线.

图5 不同海拔缸内放热率Fig.5 Heat release rate curve in diesel engine in different altitude

图6 不同海拔缸内燃烧温度Fig.6 Combustion temperature curve in diesel engine in different altitude

对比文献[6]试验结果(其试验在内燃机高原环境模拟试验台上进行,该试验台通过进气节流、排气抽真空方式模拟0～5 km海拔的大气压力).与其标定转速(2 100 r/min)下缸内放热率曲线和缸内燃烧温度曲线在趋向上大体相同,都是随海拔的升高放热率重心前移,峰值下降,缸内温度上升且最高温度出现位置前移.

随海拔的上升,进入气缸的空气量减少,氧含量减少,形成的可燃混合气数量减少,造成放热率峰值减小;喷入缸内的燃油量相等,空燃比减小,因此在放热量不大的情况下,缸内被加热的空气总量减少,在滞燃期内累计的可燃混合气量增加,预混合燃烧的速度和强度均增加,预混燃烧放热速率较快,参与初期燃烧的燃料量增加,于是放热率重心前移.

平原和两个高度下燃烧始点分别为:349.80,349.97,350.08 °CA.高原下燃烧始点比平原下略微延迟,这是由于高原下大气压力低,压缩冲程末期气缸内压力和温度相应降低,使得着火时间推迟,滞燃期增加,从而延长了燃油与空气的预混合时间,所以着火之后快速燃烧,放热率较快到达峰值.高原下缸内混合气的密度比平原下减小,反应物分子之间的碰撞概率和反应概率减小,也导致了滞燃期的增加.

燃烧温度随海拔高度的增加而上升,主要由于高原下单位气缸工作容积内混合气燃烧放出的热量增加,高温气体进一步加快了扩散燃烧阶段燃油蒸发速度,促使缸内燃烧温度升高的速度更快[6-7];另外对于增压柴油机来说,随着海拔的上升,涡轮的转速升高,但仍无法完全弥补由于大气压力的降低而导致进气量的减少,而涡轮转速的提高也会导致压气机后出口温度升高[8],两方面综合原因导致高原下缸内燃烧温度上升.由于滞燃期增加,在这一时期缸内的燃油量增多,这些燃料几乎同时着火,速燃期燃烧速度增加.所以高原下缸内最高燃烧温度出现位置提前于平原地区.430°CA后,平原燃烧基本结束,海拔2 900 m和海拔4 250 m下继续在燃烧,这是由于燃油量相对增加和空燃比的减小,使得不完全燃烧现象增加,放热速率放慢,放热率峰值随海拔的上升而减小,燃烧持续期延长,后燃现象严重.高原下燃烧后期仍然保持较高温度,降低了柴油机的热效率,也加重了柴油机的热负荷.另外高原下柴油机的涡轮前的排气温度也会上升,涡轮增压器长时间工作在较高的排气温度下,其可靠性会受到很大的影响.

图7为平原和两个海拔高度下缸内压力曲线,高海拔下,进气压力降低,增压的压力也下降,燃烧滞燃期增加,压力升高率增加,所以燃烧压力升高比较快,随海拔的升高,缸内最高燃烧压力也随之降低,海拔2 900 m下,最高燃烧压力从14.05 MPa降低到9.15 MPa,降低34.88%,海拔4 250 m下,最高燃烧压力从14.05 MPa降低到8.52 MPa,降低39.36%,同时最高燃烧压力的时间有所推迟.平原进气量多,混合气形成更加均匀,且燃烧更完全,燃烧压力升高比较柔和.表2为不同海拔燃烧参数，可以看出随着海拔的上升,柴油机热负荷加重,柴油机的可靠性降低,燃油在急燃期和缓燃期无法完全燃烧,做功能力下降,动力性变差.

图7 不同海拔缸内燃烧压力Fig.7 Combustion pressure curve in diesel engine in different altitude

表2 不同海拔燃烧参数对比Table 2 Combustion parameter comparison in different altitude

影响NOx的生成因素有很多种[9],NOx的生成依赖于缸内温度,另外缸内的含氧量也有很大关系.图8为海拔高度对NOx排放的影响,从上止点附近开始,NOx急剧上升,几乎所有的NOx都是在这个阶段生成的,随着活塞的下行,缸内温度降低,出现了NOx“冻结”的现象,NOx生成量基本保持恒定[10].随着海拔高度的上升,缸内空燃比下降的较快,是导致缸内NOx的排放下降的直接原因[11].另外从图中也可以看出,海拔高度越高,NOx生成的时间也会越早,这是由于缸内温度随着海拔的上升而上升,这也说明了柴油机NOx生成主要受缸内温度的影响.

图8 海拔高度对NOx排放的影响Fig.8 Comparison of NOx emissions in different altitude

4 结论

1)采用ECFM-3Z燃烧模型的计算结果与平原环境下实验结果吻合良好,可以用于高海拔下的缸内燃烧三维数值模拟.

2)相比平原,高原下燃烧始点略微延迟,燃烧开始时放热率增加,缸内最高温度相对上升,出现位置前移,放热率峰值下降前移,燃烧持续期延长,后燃现象严重,柴油机的热负荷上升.柴油机的缸内燃烧压力下降,缸内最高燃烧压力出现时间稍微后移,做功能力下降.

3)柴油机的NOx排放量随海拔升高而降低.海拔越高,NOx的出现时间越早.

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