雙對置二沖程柴油機高原環(huán)境燃燒過程的模擬研究

張磊，蘇鐵熊,，馮云鵬，馬富康，張艷崗，曹斯琦

(1.中北大學機電工程學院，山西 太原 030051；2.中北大學能源動力學院，山西 太原 030051；3.北京特種車輛研究所，北京 100072；4.中國北方發(fā)動機研究所(天津)，天津 300400)

對置氣缸對置活塞(OPOC)二沖程柴油機在結(jié)構(gòu)上采用對置活塞和對置氣缸結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，OPOC發(fā)動機在結(jié)構(gòu)上有體積小、質(zhì)量輕、零件少的特點，在性能上具有功率密度高、熱效率高以及燃油消耗率低的特點[1-3]，可以作為車輛、船舶、航空、農(nóng)業(yè)機械等領(lǐng)域的動力源[4]。同時其在排放上可以滿足國Ⅵ法規(guī)[1,5]，在能源與環(huán)境危機的背景下引起了廣泛的關(guān)注[6-8]。

我國具有海拔高和面積廣的特點[9]，高原地域占全國陸地總面積的58%，其中海拔1 000～2 000 m的高原面積約占全國面積的25%，海拔2 000～3 000 m的高原占7%，海拔3 000～4 000 m的高原占1%，海拔在4 000 m以上的高原占25%。隨著海拔的升高，大氣壓力、大氣溫度、空氣密度、空氣含氧量明顯下降，傳統(tǒng)柴油機在高原環(huán)境下運行時會出現(xiàn)燃燒惡化、炭煙排放增加、動力性能下降和燃油消耗增加等一系列問題[10-13]。與傳統(tǒng)柴油發(fā)動機相同，海拔對OPOC二沖程發(fā)動機的性能與排放有著重要的影響。目前，針對傳統(tǒng)柴油機在不同海拔下性能、燃燒、排放已有大量的研究[10,12,14-15]。OPOC二沖程柴油機活塞相向運動，燃油從氣缸壁兩側(cè)噴入氣缸，油氣混合方式異于傳統(tǒng)柴油機，在高原條件下其缸內(nèi)油氣混合、燃燒過程以及排放鮮有研究。因此，本研究采用數(shù)值模擬的方法研究海拔對OPOC二沖程柴油機缸內(nèi)工作過程的影響，并進一步分析高原環(huán)境下OPOC二沖程柴油機缸內(nèi)油氣混合及燃燒過程的變化。

1 仿真方案設(shè)計

1.1 研究對象及計算模型

試驗用機為OPOC二沖程柴油機，其通過布置在發(fā)動機中間的曲軸驅(qū)動相應(yīng)的曲柄連桿機構(gòu)實現(xiàn)對進排氣兩次活塞運動的控制，活塞運動過程中氣缸容積最小時對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角稱為內(nèi)容積止點(180°，TDC)，氣缸容積最大時對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角稱為外容積止點(BDC)(見圖1)。OPOC二沖程柴油機采用雙噴油器呈180°布置在氣缸側(cè)壁的方式，每個噴油器上有3個噴孔，呈扇形分布(見圖2)。OPOC二沖程柴油機參數(shù)見表1。

圖1 OPOC柴油發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意

圖2 OPOC柴油發(fā)動機燃燒室與噴嘴位置示意

標定轉(zhuǎn)速/r·min-13 600缸徑/mm100幾何行程/mm160有效壓縮比21噴孔個數(shù)3噴孔直徑/mm0.22噴油量/mg90

本研究采用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)軟件AVL-Fire對OPOC二沖程柴油機右側(cè)氣缸的缸內(nèi)工作過程進行建模，仿真模型見圖3。模型由進氣道、排氣道和氣缸組成，采用六面體網(wǎng)格，通過網(wǎng)格獨立性校驗(見圖4)，確定主要網(wǎng)格尺寸為1 mm，進、排氣道和氣缸網(wǎng)格分別為52 936，56 655，357 404。采用的數(shù)值模型見表2。

圖3 CFD網(wǎng)格模型

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性分析

湍流模型κ-ε模型噴霧模型液滴破碎模型KH-RT模型液滴碰壁模型Walljet1模型燃油蒸發(fā)模型Dukowicz模型燃燒模型shell自燃模型ECFM-3Z模型NOx排放預(yù)測模型thermal NO和prompt NO原理炭煙排放預(yù)測模型Hiroyasu模型

1.2 計算模型的驗證

圖5示出在轉(zhuǎn)速2 500 r/min，80%負荷工況下仿真計算的缸內(nèi)壓力和放熱率與試驗值的對比。從圖中可以看出缸內(nèi)平均壓力的仿真值與試驗值能夠較好地吻合，而放熱率的仿真值與試驗值略有不同，這是由仿真模型在計算的過程中忽略傳熱損失和漏氣損失所致。最大誤差不大于5%，因此，所建仿真模型可以用于高原環(huán)境下OPOC二沖程柴油機缸內(nèi)工作過程數(shù)值模擬。

圖5 缸內(nèi)壓力和放熱率仿真值與試驗值對比

2 計算方案

為研究海拔對OPOC二沖程柴油機缸內(nèi)工作過程的影響，分別在0，1 000，2 000，3 000，4 000 m共5種海拔環(huán)境條件下對OPOC二沖程柴油機進行仿真，各海拔條件下對應(yīng)的仿真初始狀態(tài)見表3。整個仿真研究過程保證噴油參數(shù)不變。

表3 不同海拔條件下仿真初始狀態(tài)

3 計算結(jié)果與分析

3.1 海拔對OPOC二沖程柴機油燃燒過程的影響

3.1.1海拔對缸內(nèi)油氣混合的影響

OPOC二沖程柴油機缸內(nèi)燃燒組織直接受到缸內(nèi)混合氣質(zhì)量的影響，因此高效地形成高質(zhì)量的混合氣成為合理組織缸內(nèi)燃燒過程的必備條件之一[10]。為了研究不同海拔條件下OPOC二沖程柴油缸內(nèi)混合氣濃度的變化，將當量比劃分為4個區(qū)間，引入混合氣體積比Fv來表征缸內(nèi)混合氣的濃度差異情況，研究海拔對這4個區(qū)間混合氣體積的影響。

不同當量比(φ)區(qū)間混合氣體積比為

(1)

式中：∑Vi為某一當量比區(qū)間的混合氣體積； ∑Vtotal為混合氣總體積。

圖6示出不同當量比區(qū)間混合氣體積比受海拔變化的影響。如圖6a所示，隨著噴油器開始噴油，區(qū)間0<φ≤0.5內(nèi)的混合氣體積在各個當量比區(qū)間中最大，隨著燃燒過程的進行，該區(qū)間混合氣體積呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。該當量比區(qū)間的混合氣影響到缸內(nèi)的預(yù)混燃燒過程，對隨后的缸內(nèi)油氣混合及燃燒過程起著關(guān)鍵作用。隨著海拔的升高，由于缸內(nèi)氧氣含量降低，該稀混合氣的體積呈降低的趨勢，并且這一現(xiàn)象在燃燒后期尤為顯著。

隨著燃燒過程的進行(見圖6b)，0.5<φ≤1.5為最佳混合氣濃度范圍[17]，在缸內(nèi)氣流運動和燃燒過程雙重作用下，該當量比范圍內(nèi)的混合氣體積呈增大趨勢。但在高海拔環(huán)境下，其體積比呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢，說明在高海拔地區(qū)，缸內(nèi)油氣二次混合，加重了后燃現(xiàn)象。

1.5<φ≤3，φ>3為濃混合區(qū)間，其對提高缸內(nèi)油氣質(zhì)量和燃燒組織質(zhì)量有顯著影響。該區(qū)間內(nèi)混合氣所占體積比變化規(guī)律相似(見圖6c、圖6d)，均呈現(xiàn)出隨海拔升高先增大后減小的趨勢。在當量比濃度區(qū)間[1.5,3]的范圍內(nèi)，隨著海拔升高，其體積比增大，表明缸內(nèi)油氣混合質(zhì)量下降，影響缸內(nèi)燃燒組織。雖然φ>3區(qū)域混合氣體積比較小，但隨海拔的升高，該區(qū)域混合氣存續(xù)時間增長，會影響缸內(nèi)油氣混合和燃燒過程。

圖6 不同海拔條件下各當量比區(qū)間混合氣體積比

為了進一步分析不同海拔條件對OPOC二沖程柴油機缸內(nèi)混合氣的影響，分別選取了-6°ATDC，TDC，15°ATDC，30°ATDC共4個時刻，對比軸向和橫向當量比分布情況(見圖7)。在-6°ATDC時刻，隨著海拔上升，高當量比所占區(qū)域有所增加，這是因為在高海拔條件下缸內(nèi)噴油背壓減小，引起噴霧貫穿距增加。且在高海拔條件下，噴嘴附近存在混合氣濃度較高的區(qū)域，這是由于隨著海拔上升，缸內(nèi)空氣密度減小，形成較高當量比混合氣(見圖6d)。

圖7 不同海拔下缸內(nèi)燃空當量比分布

在TDC時刻，隨著海拔上升，缸內(nèi)壓力降低，環(huán)境氣體分子動能較低，會形成較高當量比混合氣(見圖6b)，同時由于海拔升高，缸內(nèi)空氣質(zhì)量、含氧量下降，混合氣中心區(qū)域濃度進一步升高，當量比3以上的區(qū)域明顯增大，對燃燒不利。

在15°ATDC時刻，隨著海拔的升高，易在排氣側(cè)燃燒室壁面處形成濃度較高的混合氣，抑制燃燒過程進行。在30°ATDC時刻，混合氣沿燃燒室壁面向缸壁擴展，且隨著海拔的升高，混合氣均勻性變差，在高海拔條件下仍存在高濃度區(qū)域，這是因為高海拔條件下油氣混合質(zhì)量差，燃燒速率較低，有大量燃油剩余。

3.1.2海拔對缸壓、放熱率、溫度的影響

圖8示出海拔對OPOC二沖程柴油機缸內(nèi)平均壓力的影響。從圖中可以看出，隨海拔升高，缸內(nèi)平均最大燃燒壓力明顯減小。海拔每升高1 000 m，缸內(nèi)最高燃燒壓力平均降幅為6%左右。

圖8 海拔對缸內(nèi)平均壓力的影響

圖9示出海拔變化對OPOC二沖程柴油機放熱率的影響。OPOC二沖柴油機放熱率曲線均呈現(xiàn)“雙峰”形狀：“第1 峰”為預(yù)混燃燒階段，其放熱率由滯燃期中燃油與空氣混合數(shù)量控制；“第 2 峰”代表擴散燃燒階段，此時放熱速率由空氣與燃料相互擴散形成可燃混合氣的速率控制[18]。隨著海拔上升，放熱率下降。在海拔為4 000 m條件下，只有較明顯的“第1峰”，“第2峰”明顯降低。這是因為隨著海拔的升高，空氣含氧量減少，發(fā)動機進氣壓力下降，進入氣缸的空氣量減少，滯燃期延長(見表4)，引起預(yù)混燃燒峰值向右移動，預(yù)混放熱量呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。隨著燃燒的進行，擴散燃燒階段放熱量呈現(xiàn)降低的趨勢，缸內(nèi)氧氣含量降低，海拔對缸內(nèi)燃燒過程的影響更加顯著，燃燒重心C50時刻之后，同時在燃燒中后期缸內(nèi)混合氣濃度明顯升高，高濃度混合氣體積增大(見圖6c)，燃燒持續(xù)期延長，后燃現(xiàn)象嚴重，燃燒惡化。

圖9 海拔對缸內(nèi)放熱率的影響

海拔/m滯燃期/(°)燃燒重心C50/(°)燃燒持續(xù)期/(°)010.76.542.11 00010.97.143.42 00011.27.444.73 00011.67.648.64 00012.27.949.3

圖10示出海拔對缸內(nèi)平均溫度的影響。隨海拔升高，缸內(nèi)平均溫度呈上升的趨勢。海拔每升高1 000 m，缸內(nèi)燃燒平均溫度升高30～70 K。在2 000 m以內(nèi)增幅較小，平均每升高1 000 m，缸內(nèi)燃燒溫度的增幅在30 K以內(nèi)；海拔2 000～4 000 m溫度增幅加大，平均每升高1 000 m，缸內(nèi)燃燒溫度增加66～70 K。

圖10 海拔對缸內(nèi)溫度的影響

為了進一步研究海拔對缸內(nèi)溫度場的影響，分別選取了TDC，15°ATDC，60°ATDC和80°ATDC共4個時刻的缸內(nèi)分布情況進行研究，結(jié)果見圖11。在TDC時刻，隨著海拔的升高，缸內(nèi)高溫區(qū)域逐漸增大，且最高溫度逐漸增大。這是因為濃度合適的混合氣較多(見圖6b)，促進缸內(nèi)燃燒過程的進行，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度升高。

圖11 不同海拔下缸內(nèi)溫度分布

在15°ATDC 時刻，此時缸內(nèi)燃燒已經(jīng)進入擴散燃燒階段，缸內(nèi)高溫區(qū)域最大；隨著海拔的升高，在排氣側(cè)燃燒室壁面凹坑處出現(xiàn)溫度較低的區(qū)域，該區(qū)域逐漸增大。這是因為凹坑處局部當量比較高(見圖7)，抑制缸內(nèi)燃燒，導(dǎo)致缸內(nèi)局部區(qū)域溫度降低。

在60°ATDC時刻，缸內(nèi)燃燒已進入燃燒后期，缸內(nèi)高溫區(qū)域隨著海拔的升高而減小，但是缸內(nèi)燃燒區(qū)域增大。這是因為在低海拔條件下，空氣中含氧量高，且缸內(nèi)進氣量大，在燃燒后期，缸內(nèi)不完全氧化產(chǎn)物及少量燃油進一步燃燒，導(dǎo)致缸內(nèi)高溫區(qū)域增大。與之相比，高海拔條件下，空氣含氧量低且缸內(nèi)進氣量少，在油氣預(yù)混階段混合氣質(zhì)量較差，進而導(dǎo)致燃燒過程受到影響；在燃燒中期排氣側(cè)燃燒室壁面出現(xiàn)燃油堆積現(xiàn)象；而在燃燒后期缸內(nèi)較多的未燃燃油及不完全氧化產(chǎn)物繼續(xù)燃燒，混合氣與空氣二次混合，造成缸內(nèi)燃燒區(qū)域增大，但由于此時缸內(nèi)氧氣含量較低，混合氣質(zhì)量差，燃燒惡化，高溫區(qū)域反而減小。在80°ATDC，隨著海拔升高，缸內(nèi)燃燒區(qū)域進一步增大，后燃現(xiàn)象嚴重。

3.2 海拔對經(jīng)濟性的影響

圖12示出在2 500 r/min工況下海拔對OPOC二沖程柴油機燃油消耗率的影響。從圖中可以看出，隨著海拔上升，燃油消耗率呈現(xiàn)增加趨勢。當海拔從0 m上升到1 000 m，燃油消耗率上升了3.02%；而當海拔超過2 000 m時，每升高1 000 m，燃油消耗率上升8.27%。這是因為海拔升高使得缸內(nèi)進氣量減小，缸內(nèi)過量空氣系數(shù)降低，造成可燃混合氣濃度升高，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒效率下降，引起燃油消耗的增長，因此，燃油消耗率上升速度加快。

圖12 海拔對燃油消耗率的影響

3.3 海拔對排放的影響

圖13示出海拔對OPOC二沖程柴油機排放的影響。從圖中可以看出，隨著海拔升高，Soot排放量迅速增加，海拔愈高其增加速率愈快，而NOx排放量緩慢減少。海拔4 000 m條件下Soot排放量相對于海拔0 m增加了552%，而NOx排放量僅降低了18%。造成這個現(xiàn)象的主要原因是海拔增加致使缸內(nèi)氧氣含量減少，過濃可燃混合氣區(qū)域增加(見圖6c)，導(dǎo)致在擴散燃燒階段高溫裂解生成的Soot增加，且由于缸內(nèi)含氧量減少，使Soot氧化過程受阻；NOx生成的重要條件是高溫富氧和高溫持續(xù)時間，而在高海拔條件下，雖然缸內(nèi)處于高溫狀態(tài)，但缺氧環(huán)境致使缸內(nèi)NOx的生成受到抑制。這些因素疊加，最終導(dǎo)致OPOC二沖程柴油機Soot排放隨海拔升高而快速增加，而NOx排放緩慢降低。

圖13 海拔對排放的影響

4 結(jié)論

a) 隨著海拔的升高，OPOC二沖程柴油機缸內(nèi)環(huán)境密度下降，噴霧貫穿距較平原地區(qū)有所增加；近排氣側(cè)活塞壁面處氣流運動較弱，易形成油氣堆積，同時燃油附壁減緩了油氣混合速度，導(dǎo)致在燃燒中后期，燃燒室中心區(qū)域混合氣濃度增大，促使燃燒惡化；

b) 隨著海拔升高，OPOC二沖程柴油機缸內(nèi)當量比在0<φ≤0.5區(qū)間的稀混合氣體積比逐漸降低，0.5<φ≤3區(qū)間的混合氣體積比逐漸增加，且在燃燒后期其體積比明顯增大，后燃現(xiàn)象加重；

c) 高原環(huán)境對OPOC二沖程柴油機燃燒過程有明顯的影響，隨著海拔的升高，預(yù)混燃燒峰值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且在擴散燃燒階段放熱率明顯下降；

d) 隨著海拔的升高，缸內(nèi)最大燃燒壓力減小，平均溫度升高，滯燃期延長，燃燒重心滯后，燃油消耗率明顯增加；

e) 在高原環(huán)境下，OPOC二沖程柴油機Soot 排放量顯著增加，但NOx排放下降不明顯。