高原環(huán)境對(duì)缸內(nèi)燃燒及壁面油膜的影響研究

劉永豐, 楊震寰, 成立強(qiáng), 王龍飛, 黃樹和, 鮑通, 薛赪， 高英英

(1. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津), 天津 300400； 2. 柴油機(jī)高增壓技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300400)

高原環(huán)境對(duì)缸內(nèi)燃燒及壁面油膜的影響研究

劉永豐1,2, 楊震寰1, 成立強(qiáng)1, 王龍飛1, 黃樹和1, 鮑通1, 薛赪1， 高英英1

(1. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津), 天津 300400； 2. 柴油機(jī)高增壓技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300400)

為了分析高原環(huán)境下缸內(nèi)燃燒過(guò)程及壁面油膜生成規(guī)律，采用CFD方法對(duì)不同海拔條件下柴油機(jī)燃燒過(guò)程進(jìn)行了三維仿真計(jì)算，著重分析了海拔對(duì)壁面油膜的影響。結(jié)果表明：隨海拔升高，過(guò)量空氣系數(shù)降低，滯燃期延長(zhǎng)，著火推遲，燃燒惡化，柴油機(jī)性能下降；高原條件對(duì)壁面油膜生成有較大影響，壁面累計(jì)油膜質(zhì)量隨海拔升高而增大，4 500 m海拔下壁面油膜累計(jì)質(zhì)量最大可達(dá)19 mg，約占總油量的8%；壁面油膜在燃油噴射彈著點(diǎn)處形成，隨著時(shí)間推移，油膜向活塞邊緣擴(kuò)散，在高海拔條件下，燃燒結(jié)束時(shí)活塞邊緣仍有油膜殘留。

高原； 柴油機(jī)； 燃燒過(guò)程； 油膜

高原環(huán)境下，隨著海拔高度升高，過(guò)量空氣系數(shù)下降，噴入缸內(nèi)的柴油不能及時(shí)著火燃燒，燃燒滯后，使柴油機(jī)在高原地區(qū)運(yùn)行時(shí)性能下降，熱負(fù)荷加劇。由于特種車輛柴油機(jī)本身功率密度高，散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，熱負(fù)荷更加嚴(yán)重，容易出現(xiàn)氣缸墊燒蝕和活塞燒頂現(xiàn)象。高原情況下油膜的附壁燃燒是柴油機(jī)熱負(fù)荷增大的重要因素之一，因此有必要對(duì)高原條件下燃燒過(guò)程及缸內(nèi)附壁油膜的生成規(guī)律進(jìn)行研究。

目前對(duì)柴油機(jī)高原環(huán)境下燃燒傳熱過(guò)程的研究，主要采用柴油機(jī)工作過(guò)程一維或準(zhǔn)維方法進(jìn)行仿真。王憲成[1-2]等采用準(zhǔn)維多區(qū)數(shù)值仿真和環(huán)境模擬試驗(yàn)的方法，研究了不同海拔環(huán)境對(duì)某大功率柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧、燃燒和傳熱的影響。高榮剛、李國(guó)岫等[3]應(yīng)用CFD軟件研究了不同海拔下缸內(nèi)油氣混合過(guò)程，通過(guò)建立油氣混合過(guò)程的中間參數(shù)分析了高原環(huán)境對(duì)缸內(nèi)油氣混合過(guò)程的影響，并著重通過(guò)對(duì)燃燒放熱規(guī)律的分析研究了高原環(huán)境對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的影響。目前對(duì)缸內(nèi)油膜附壁的研究主要集中于汽油機(jī)或起動(dòng)過(guò)程[4-5]，而對(duì)柴油機(jī)研究較少，尤其是對(duì)高原環(huán)境下燃燒過(guò)程壁面油膜形成的研究更少。

本研究采用CFD方法對(duì)不同海拔條件下柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行了三維仿真研究，分析了高原環(huán)境對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的影響，在此基礎(chǔ)上分析了不同海拔條件下壁面油膜的變化規(guī)律，為高原條件下附壁燃燒提供理論支撐。

1 缸內(nèi)模型建立

所選機(jī)型為某四沖程增壓柴油機(jī)，基本參數(shù)見(jiàn)表1，采用Converge軟件對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算時(shí)間從進(jìn)氣門關(guān)(-126°曲軸轉(zhuǎn)角)開始，至排氣門開(120°)結(jié)束，考慮到避閥坑的影響，取整個(gè)氣缸為計(jì)算域。

表1 柴油機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

在本研究的計(jì)算中，湍流模型選用RNG κ-ε 模型，燃油霧化采用KH-RT模型，油滴蒸發(fā)選擇Frrosling模型，油滴碰壁選擇O’Rourke-Amsden模型，燃燒過(guò)程采用簡(jiǎn)化的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)模型，燃燒模型選擇Shell自燃模型+CTC燃燒模型。

O’Rourke-Amsden模型將韋伯?dāng)?shù)較高的液滴碰壁后分為沉積和飛濺兩種方式，飛濺馬赫數(shù)E大于臨界值Ec時(shí)，則發(fā)生飛濺，否則沉積于壁面形成油膜。

(1)

對(duì)于韋伯?dāng)?shù)較低的液滴，當(dāng)We小于5時(shí)發(fā)生反彈。同時(shí)考慮了干濕壁面的影響;對(duì)于干壁面，h0=0;對(duì)于濕壁面，液膜越厚，由于黏性阻尼引起的能量耗散越多，則飛濺的液滴越少。飛濺的液滴質(zhì)量m1與碰壁前的液滴質(zhì)量m0關(guān)系為

(2)

為研究高原環(huán)境對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程及壁面油膜的影響，選取海拔1 000 m,3 000 m,4 500 m 3個(gè)環(huán)境條件進(jìn)行計(jì)算，各海拔條件下對(duì)應(yīng)的計(jì)算始點(diǎn)缸內(nèi)狀態(tài)見(jiàn)表2。通過(guò)進(jìn)氣過(guò)程計(jì)算得到初始湍動(dòng)能和湍流耗散率分別為67 m2/s2和23 000 m2/s3。

表2 計(jì)算初始條件

2 計(jì)算驗(yàn)證及結(jié)果分析

2.1 模型驗(yàn)證

應(yīng)用建立的缸內(nèi)燃燒模型，在海拔為1 000 m條件下對(duì)標(biāo)定工況燃燒過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，并與相同工況下試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖1示出計(jì)算的缸內(nèi)壓力與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，從圖1中可以看出，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，最大誤差不超過(guò)2%，可以認(rèn)為所選噴霧燃燒模型及相應(yīng)模型參數(shù)較為合理，可以進(jìn)行高原環(huán)境下缸內(nèi)燃燒過(guò)程仿真計(jì)算。

圖1 缸內(nèi)壓力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

2.2 缸內(nèi)燃燒過(guò)程分析

圖2示出不同海拔下缸內(nèi)壓力對(duì)比，可以看出，隨著海拔升高，缸壓顯著降低，直接影響柴油機(jī)做功能力，高原環(huán)境下柴油機(jī)性能嚴(yán)重下降。

圖3和圖4分別示出計(jì)算的不同海拔下缸內(nèi)瞬時(shí)放熱率和累計(jì)放熱率，從圖中可以看出，隨著海拔升高，過(guò)量空氣系數(shù)降低，滯燃期延長(zhǎng)，著火推遲；同時(shí)隨著海拔升高，擴(kuò)散燃燒速率降低，燃燒惡化，燃燒重心后移。

圖2 不同海拔下缸壓曲線

圖3 不同海拔下缸內(nèi)放熱率

圖4 不同海拔下缸內(nèi)累計(jì)放熱率

2.3 海拔條件對(duì)壁面油膜的影響

高原條件下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量減少，燃油噴射背壓降低，貫穿能力增強(qiáng)，出現(xiàn)噴霧撞壁和油膜附壁現(xiàn)象。圖5示出不同海拔條件下燃油撞壁的質(zhì)量對(duì)比，可以看出，海拔1 000 m時(shí)燃油撞壁發(fā)生的時(shí)刻為上止點(diǎn)前3.5°曲軸轉(zhuǎn)角左右，最終燃油撞壁質(zhì)量約2.3 mg；在4 500 m時(shí)，撞壁時(shí)刻提前到上止點(diǎn)前7.5°曲軸轉(zhuǎn)角左右，最終撞壁質(zhì)量約21 mg。這說(shuō)明燃油在背壓較高時(shí)霧化較好，絕大部分液滴在近壁區(qū)域還未觸及壁面已經(jīng)被氣流和渦旋卷走，只有很少量的液滴到達(dá)壁面，海拔越高，貫穿動(dòng)量越大，撞壁時(shí)刻越提前，撞壁質(zhì)量越大。

圖5 不同海拔下燃油撞壁質(zhì)量對(duì)比

在燃油撞壁時(shí)伴隨著燃油的反彈和飛濺，剩下附著在壁面上的油膜質(zhì)量與燃油撞壁質(zhì)量的比值為附壁率。圖6示出不同海拔條件下附壁油膜質(zhì)量對(duì)比，可以看出，1 000 m海拔條件下，最終油膜附壁質(zhì)量約1 mg，隨著海拔升高，附壁油膜質(zhì)量增大，在4 500 m時(shí)，最終油膜附壁質(zhì)量約19 mg，約占總油量的8%。海拔1 000 m時(shí)燃油撞壁質(zhì)量較小，反彈和飛濺的質(zhì)量也較小，但是反彈和飛濺所占比重較大，附壁率較小，約為43%。隨著海拔升高，燃油撞壁質(zhì)量越大，反彈和飛濺的質(zhì)量也越大，但所占撞壁質(zhì)量的比重下降，附壁率增大，海拔4 500 m條件下，附壁率約為90%。不同海拔下燃油附壁率見(jiàn)表3。

圖6 不同海拔下附壁油膜質(zhì)量對(duì)比

海拔/m撞壁質(zhì)量/mg附壁質(zhì)量/mg附壁率/%10002．31．04330007．45．2704500211990

從圖7可以看出，到上止點(diǎn)后20°，受缸內(nèi)燃燒溫度的影響，油膜蒸發(fā)速度較快，在1 000 m海拔條件下油膜基本蒸發(fā)完全，在4 500 m海拔條件下壁面油膜質(zhì)量較多，且與氣流接觸面積較大，加上油束貫穿增強(qiáng)引起的壁面氣流速度增大，油膜蒸發(fā)量更大。在上止點(diǎn)后20°后，不同海拔下蒸發(fā)速度均減慢。

圖7 不同海拔下油膜蒸發(fā)質(zhì)量對(duì)比

圖8示出不同海拔下附壁油膜殘留質(zhì)量對(duì)比。油膜殘留質(zhì)量隨時(shí)間推移逐漸減少，在1 000 m海拔下，燃燒結(jié)束時(shí)，油膜基本沒(méi)有殘留，而在4 500 m海拔下，盡管壁面油膜蒸發(fā)速度較快，但其壁面油膜質(zhì)量遠(yuǎn)大于低海拔時(shí)，最終殘留在壁面的油膜質(zhì)量較大，約占總油量的4%。循環(huán)內(nèi)油膜殘留于壁面，會(huì)累積到下一個(gè)循環(huán)，較多的油膜導(dǎo)致附壁燃燒，會(huì)使壁面溫度上升，可能導(dǎo)致局部變軟、熔化或燒損。

圖8 不同海拔下附壁油膜殘留質(zhì)量對(duì)比

油膜分布主要集中于活塞上，圖9示出不同海拔下活塞上壁面油膜的分布，可以看出，油膜主要分布于活塞上燃油噴射的彈著點(diǎn)處，隨著時(shí)間推移，活塞開始下行，受燃燒室內(nèi)逆擠流的作用，油膜越過(guò)活塞凹坑向邊緣擴(kuò)散，導(dǎo)致油膜面積增大，同時(shí)油膜由于蒸發(fā)而厚度逐漸降低。1 000 m海拔下，在上止點(diǎn)時(shí)，壁面油膜厚度及油膜分布面積較小，隨著時(shí)間推移，壁面油膜逐漸蒸發(fā)，到上止點(diǎn)后38°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，油膜基本完全蒸發(fā)。隨著海拔升高，壁面油膜厚度及分布面積均增大，在4 500 m海拔下，上止點(diǎn)時(shí)，壁面油膜厚度較1 000 m海拔下油膜厚度增大4倍，最大油膜厚度達(dá)到0.4 mm，到上止點(diǎn)后38°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)仍然有較多的油膜殘留于活塞邊緣，有可能導(dǎo)致活塞的局部燒損，這與實(shí)際中活塞損壞的部位比較吻合。

圖9 不同海拔下壁面油膜分布

3 結(jié)論

a) 隨海拔升高，過(guò)量空氣系數(shù)降低，滯燃期延長(zhǎng)，著火推遲，燃燒惡化，燃燒重心后移，柴油機(jī)性能下降；

b) 海拔較低時(shí)，缸內(nèi)壓力較高，燃油霧化較好，絕大部分液滴在近壁區(qū)域還未觸及壁面已經(jīng)被氣流和渦旋卷走，只有很少量的液滴到達(dá)壁面，海拔越高，貫穿動(dòng)量越大，撞壁時(shí)刻越提前，撞壁質(zhì)量越大；

c) 壁面累計(jì)油膜質(zhì)量隨海拔升高而增大，在4 500 m海拔下壁面油膜量可達(dá)19 mg，約占總油量的8%，由于壁面油膜形成過(guò)程伴隨著蒸發(fā)和燃燒現(xiàn)象，在燃燒結(jié)束時(shí)，仍有4%的總油量殘留在壁面；

d) 油膜的厚度及面積隨海拔的升高而增大，油膜分布主要位于活塞上燃油噴射的彈著點(diǎn)處，隨著時(shí)間推移，活塞開始下行，受燃燒室內(nèi)逆擠流的作用，油膜越過(guò)活塞凹坑向邊緣擴(kuò)散，在高海拔條件下，燃燒結(jié)束時(shí)活塞邊緣仍有油膜殘留，有可能導(dǎo)致活塞邊緣處燒損。

[1] 王憲成,郭猛超,張晶,等.高原環(huán)境重型車用柴油機(jī)熱負(fù)荷性能分析[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2012，33(1):49-53.

[2] 郭猛超,王憲成,胡俊彪,等.環(huán)境對(duì)大功率柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧、燃燒與傳熱的影響[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2012(5):49-52.

[3] 高榮剛,李國(guó)岫,虞育松，等.高原環(huán)境對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程影響的仿真研究[J].兵工學(xué)報(bào),2012，33(12):1449-1454.

[4] Lindagren R，Denbratt I.Influence of Wall Properties on the Characteristics of a Gasoline Spray After Wall Impingement[C]. SAE Paper 2004-01-1951.

[5] 馬宗正，程勇，紀(jì)少波，等.汽油機(jī)起動(dòng)工況附壁油膜揮發(fā)過(guò)程的計(jì)算分析[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2010，16(6):503-507.

[6] 解茂昭.內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)[M].大連:大連理工出版社，2005.

[7] O’Rourke P J，Amsdena A．A Spray/Wall Interaction Submodel for the KIVA-3 Wall Film Model[C].SAE Paper 2000-0l-0271．

[編輯: 李建新]

Effect of Plateau Environment on In-cylinder Combustion and Wall Fuel Film

LIU Yongfeng1,2, YANG Zhenhuan1, CHENG Liqiang1, WANG Longfei1,HUANG Shuhe1, BAO Tong1, XUE Cheng1， GAO Yingying1

(1. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China;2. National Key Laboratory of Technology on Diesel Engine Turbocharging, Tianjin 300400, China)

In order to analyze in-cylinder combustion process and wall fuel film forming law under plateau environment, three-dimensional simulation and calculation of combustion process for diesel engine were conducted by CFD under different altitudes and the influence of altitude on wall fuel film was mainly analyzed. The results showed that the excess air ratio decreased, the ignition delay period prolonged, the ignition delayed, the combustion deteriorated and the engine performance decreased with the increase of altitude. The plateau environment had a great influence on formation of wall fuel film and the cumulative mass of wall fuel film increased with the increase of altitude. The cumulative mass was up to 19 mg at 4 500 m, which accounted for about 8% of total fuel. The wall fuel film formed at the fuel jet impact point, then diffused toward the edge of piston. There still existed the residual fuel film at the edge of piston at the end of combustion under plateau conditions.

plateau； diesel engine； combustion process； wall fuel film

2016-01-26;

2016-11-02

劉永豐(1982—)，男，副研究員，博士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)熱流匹配技術(shù)；liuyongfeng70@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.011

TK411.2

B

1001-2222(2016)06-0057-04