基于标量场协同的柴油机油气混合特性研究

徐春龙

基于标量场协同的柴油机油气混合特性研究

徐春龙

（中国北方发动机研究所，天津 300400）

研究过量空气系数对柴油机缸内油气混合特性的影响情况。基于柴油机缸内燃油混合气浓度和湍流混合速率两个微观物理场的耦合作用，定义混合协同效率和混合协同度对缸内混合特性进行定量描述。随着过量空气系数的升高，燃油混合气浓度场和湍流混合场相互作用的持续时间增长。在过量空气系数1.3~1.6范围内，随着过量空气系数的增加，混合协同效率的峰值逐渐降低。在过量空气系数1.6~2.2范围内，随着过量空气系数的增加，混合协同效率的峰值整体呈上升趋势。过量空气系数1.7前后混合协同度的变化规律不同。过量空气系数达到1.7后，随着进气量的增加油气混合质量改善的空间减小。

柴油机；标量场；混合特性；混合协同效率；混合协同度

柴油机扩散燃烧的特点使得缸内的油气混合质量对燃烧起着至关重要的作用。因此对缸内混合过程进行研究有助于分析和改善实机的性能，具有非常重要的工程应用价值。

为了理解缸内的油气混合过程，众多的学者从传热[1]、燃油的属性[2]及燃烧系统参数[3-4]等对油气混合的影响的角度进行了大量的研究，但大都是从定性的角度进行研究。为了定量地了解油气混合过程，部分学者结合数值模拟进行研究。大致分为三种方法：第一种是基于统计学的角度对此展开研究，从浓度方差[5]等数学概念或者对缸内的混合气进行分区段研究[6]；第二种是基于相关的燃烧模型从混合的时间尺度[7-8]对此展开研究；第三种是基于柴油机内不同场之间的耦合作用对柴油机混合特性进行研究。多场的耦合作用[9]在强化传热方面研究比较多。刘福水等[10]率先将场协同的理念应用于发动机缸内的油气混合，从微观的角度揭示了缸内的油气混合过程。

文中基于场协同的理念，从宏观物理场的耦合作用出发，通过建立混合协同效率和混合协同度两个参数对过量空气系数1.3~2.2范围内的混合特性进行量化研究。对合理组织缸内气流形成均匀的混合气具有重要的指导意义。

1 多场耦合作用及相关的计算设置

1.1 多场耦合作用

柴油机缸内存在复杂的气流运动。随着活塞的上行，在燃烧室狭小空间内形成的挤流增强了缸内的空气的扰动。此外在燃油喷射过程中，由于燃油高速喷入气缸与周围空气发生动量交换而引起的空气卷吸运动进一步增强了缸内空气的扰动。这使得燃烧室内存在不同尺度的湍流，进而影响到缸内的油气混合，并最终体现在缸内的燃烧状况上。缸内混合气的燃烧引起缸内局部温度的急剧升高，温度梯度的存在引起了缸内的密度分布不均匀，继而又促进了对流扩散的进行。

可以看出，柴油机的油气混合过程涉及多个物理场的相互作用，各个物理场相互耦合，造成燃油混合气分布的差异。所涉及到的物理量可划分为矢量和标量两类。柴油机缸内涉及到的矢量包括速度、温度梯度、浓度梯度等；标量包括传统的标量（浓度、温度、压力等）及燃烧和流动延伸产生的物理量（湍流混合速率、长度尺度等）。为了定性及定量地研究柴油机缸内的油气混合作用，基于强化传热中的场协同理论，选取燃油混合气的浓度和湍流混合速率两个标量，研究不同的物理场的耦合作用对油气混合的影响。

定义燃油混合气浓度场的空间体积为1；湍流混合场的空间体积为2；混合协同场的空间体积为3；则混合协同效率e=3/1。

其中湍流混合速率是基于对EBU模型的理解，和湍流输运过程相比，化学反应的时间尺度很小，认为化学反应在瞬间即可完成，所以燃烧速率是由湍流涡旋相互混合的速率决定的，即正比于湍流混合时间的倒数/。构建描述燃烧室内湍流动能变化快慢的标量——湍流混合速率：

式中：m为单元格中气体的质量；ε为单元格中气体的湍能耗散率；k为单元格中气体的湍动能。

图1为混合协同效率的示意图。燃油混合气浓度场的空间分布体积1与湍流混合场2的交集越大，即两标量场协同作用的空间体积3就越大，则表明湍流混合场对混合气的影响越大。当1全部处于湍流混合场时，混合协同效率为1，此时湍流混合场对油气混合的影响最大。

图1 混合协同效率示意

混合协同度d定义为混合协同效率的时间积分，混合协同度的值越大则表征油气混合的越好，越有利于燃烧的进行。

1.2 计算设置

文中采用AVL Fire针对四冲程单缸高速柴油机进行研究。在仿真过程中选取-模型对缸内的湍流进行模拟，燃烧模型采用EBU模型，破碎模型采用WAVE模型，自燃模型采用Shell模型。壁面边界包含气缸盖底面、活塞顶面及气缸壁面，壁面温度分别为550，520，470K。

所研究的柴油机缸径和行程为107 mm×107 mm，发动机转速为4250 r/min，压缩比为14.3，喷孔结构为10 mm×0.22 mm，喷油压力为150 MPa。仿真计算从压缩下止点（180° CA）到膨胀下止点（540° CA），为了减少计算量，选取1/10柴油机作为计算区域。在上止点时刻，计算网格的总数为7440，网格见图2。

图2 上止点时刻燃烧室的网格

图3为过量空气系数为1.7时，实验与仿真的缸内平均压力的对比图，可以看出，实验与仿真的缸内平均压力结果具有较好的一致性，验证了仿真模型的准确性。基于基准模型，通过调节进气压力实现不同的过量空气系数，研究过量空气系数对柴油机缸内燃烧特性的影响机制。

图3 实验与仿真的缸内平均压力对比

2 结果分析

由图4可知，在燃油喷射初始阶段，不同过量空气系数下湍流混合速率基本相同。在353°CA之后湍流混合速率快速上升，且过量空气系数越低，湍流混合速流的升高率越大。在370°CA附近时达到最大值，过量空气系数越低湍流混合速率越大，过量空气系数为1.3时的湍流混合速率是过量空气系数为2.2时的1.26倍。这是因为湍流混合速率主要受油束的影响，燃油喷射开始之后，过量空气系数越低，油束卷吸作用越强烈，湍流混合速率越大。

图4 过量空气系数对缸内湍流混合速率的影响

随着燃油喷射的进行以及活塞的上行，缸内燃油混合气浓度方差迅速升高，混合均匀性变差。燃烧开始后，缸内燃油混合气迅速消耗，导致燃油混合气浓度方差上升速率降低。在喷油结束之后，随着燃油的进一步蒸发，燃油混合气与空气混合越来越充分，混合气的分布也越来越均匀。过量空气系数越低，燃油混合气浓度方差增长速率越快，且出现峰值的时刻推迟。过量空气系数为1.3时的燃油混合气浓度方差是过量空气系数为2.2时的2.34倍，见图5。

图5 过量空气系数对缸内燃油混合气浓度方差的影响

为了从微观的角度研究过量空气系数对燃油混合气的分布的影响，将燃油混合气按当量比划分为0

由上述结果可以看出，在扩散燃烧阶段，低过量空气系数下缸内稀混合气的比例较少，浓混合气的比例较多。一方面是由于缸内初始空气量的不足使得整体的混合气趋于更浓，另一方面是由于前期形成了更多的稀混合气在扩散燃烧阶段被大量消耗，从而使得更多的过浓混合气参与到扩散燃烧中。

过量空气系数对柴油机缸内燃油混合气分布影响明显。首先，同一时刻过量空气系数越低，燃油喷雾的贯穿距离更大，燃油液滴更靠近于凹坑壁面。其次，燃油混合气更靠近凹坑壁面，在360°CA时刻，随着过量空气系数的增大，燃油混合气距凹坑壁面的距离越远。最后，不同的过量空气系数下燃油混合气的空间分布差别较大。经对比可以看出，在360°CA时刻，过量空气系数越小，燃油混合气的空间分布越大。在370°CA时刻，过量空气系数较小时，燃油混合气主要集中在燃烧室凹坑、喉口处，并逐渐开始向侧隙运动。过量空气系数较大时，燃油混合气的触壁面积减少，向侧隙运动的趋势减弱，见图7。

图6 过量空气系数对不同浓度混合气质量分数的影响

图7 过量空气系数对燃油混合气轴向分布的影响

由图8可以看出，过量空气系数对混合协同效率有较大的影响，主要体现在混合协同效率峰值、峰值出现的时刻及标量场交互作用持续的时间三个方面。在燃油喷射初期，由于低过量空气系数下燃烧滞燃期较长，形成较多的混合气，燃油混合气浓度场和湍流混合场的混合协同场的体积较大，随着过量空气系数的升高混合协同效率逐渐降低。随着喷雾的发展及燃烧的进行，低过量系数下燃烧初期形成的大量混合气迅速消耗，混合协同场的体积减小，混合协同效率降低。对比不同过量空气系数下的混合协同效率分布的形状曲线可知，混合协同效率的分布重心出现的时刻逐渐推迟。

图8 过量空气系数对混合协同效率的影响

不同过量空气系数下混合协同效率的峰值存在较大的差异，见图9。在过量空气系数1.3~1.6范围内，随着过量空气系数的增加，混合协同效率的峰值逐渐降低。在过量空气系数1.6~2.2范围内，随着过量空气系数的增加，混合协同效率的峰值整体呈上升趋势。

在上止点时刻，高混合协同效率区主要分布在油束末端区域，随着过量空气系数的增加，混合协同效率的空间分布距燃烧室凹坑壁面的距离逐渐增大，油束末端的混合协同效率的空间分布逐渐封闭。过量空气系数为1.3~1.6时，混合协同效率的分布较广，油束末端区域不连通，且部分区域与缸壁重合。在过量空气系数1.7~2.2范围内，随着过量空气系数的增大，混合协同效率的空间分布逐渐与壁面分离，在油束末端附近形成封闭区域，总体的空间分布体积增大，见图10。

为了更直观地研究缸内的油气混合特性，对不同过量空气系数下的混合协同度进行了研究。由图11可知，随着过量空气系数的增大，混合协同度增大。说明过量空气系数的增加，促进了燃油混合气浓度场和湍流混合场的协同作用，有利于混合的进行。过量空气系数1.7前后，混合协同度的变化规律发生了明显的变化。这说明过量空气系数达到1.7之前，随着进气量的降低，缸内油气混合质量迅速恶化；过量空气系数达到1.7后，随着进气量的增加，缸内的油气混合质量改善的空间减小。

图9 过量空气系数对混合协同效率峰值的影响

图10 上止点时刻混合协同效率场的空间分布

图11 过量空气系数对混合协同度的影响

3 结论

文中基于场协同的理念，选取瞬时放热场和湍流混合场两个标量场，建立混合协同效率和混合协同度两个参数对过量空气系数1.3~2.2的柴油机缸内混合特性进行量化，研究过量空气系数对缸内混合特性的影响。

1）在燃油喷射初期，过量空气系数越低混合协同效率越高。随着喷雾和燃烧的进行，在上止点之后，过量空气系数越低，混合协同效率越低。随着过量空气系数的增大，燃油混合气浓度场和湍流混合场的相互作用时间增长。

2）在过量空气系数1.3~1.6范围内，随着过量空气系数的增加，混合协同效率的峰值逐渐降低。在过量空气系数1.6~2.2范围内，随着过量空气系数的增加，混合协同效率的峰值整体呈上升趋势。

3）随着过量空气系数的增大，混合协同度增大，缸内的混合质量变好。过量空气系数1.7前后混合协同度的变化规律发生明显的变化。过量空气系数达到1.7之前，随着进气量的降低，缸内油气混合质量迅速恶化；过量空气系数达到1.7后，随着进气量的增加，缸内的油气混合质量改善的空间减小。

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Mixing Characteristics of Diesel Engine Based on the Coupling Effect of Scalar Field

XU Chun-long

(1.China North Engine Research Institution, Tianjin, 300400)

To study effects of excess air ratio on mixing characteristics in cylinder.Mixing synergistic efficiency and mixing synergistic degree were defined to quantitatively investigate the mixing characteristics in cylinder based on the coupling effect of scalar physical fields of fuel mixture concentration and turbulent mixing rate.With the increase of excess air coefficient, the interaction duration of fuel mixture concentration field and turbulent mixing field also increased. When the excess air coefficient ranged from 1.3 to 1.6, the peak values of mixing synergistic efficiency decreased with the increase of excess air coefficient. In the range from 1.6 to 2.2, the peak value of mixing synergistic efficiency tended to be on the rise with the increase of excess air coefficient.The mixing synergistic is different before and after excess air coefficient of 1.7. When the excess air coefficient reaches 1.7, with the increase of excess air coefficient, the improvement space of mixing quality decreases.

diesel engine; scalar field; mixing characteristics; mixing synergistic efficiency; mixing synergistic degree

10.7643/ issn.1672-9242.2017.10.007

TK421.2

A

1672-9242(2017)10-0035-06

2017-06-27；

2017-08-02

徐春龙（1972-），男，研究员，主要从事内燃机供油及燃烧系统研究。