噴霧錐角對船用低速柴油機(jī)性能影響仿真研究

任貴龍, 王筱蓉, 金張良, 羅會利

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

隨著航運業(yè)的快速發(fā)展,船舶制造商和船用柴油機(jī)的消費者對動力性和可靠性給予了相當(dāng)?shù)年P(guān)注.低速二沖程船用柴油機(jī)由于功率大,效率高,可靠性好,安全耐用,熱效率接近或超過50%,對各類船舶具有很強(qiáng)的適應(yīng)性等特性,成為大型海洋機(jī)械和貨船的主要驅(qū)動裝置[1-4]. 但是,隨著國際海事組織(IMO)Ⅲ級限制的實施,即從2016年1月1日起,低速船用柴油發(fā)動機(jī)的NOX排放[5]在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低于130 r·min-1時不得超過3.4 g · (kWh )-1,進(jìn)一步要求發(fā)動機(jī)要減少NOX、SOX和顆粒物的排放,并提高其發(fā)動機(jī)的效率[6-8].SCR(選擇性催化還原技術(shù))雖然可以有效地降低排放,但是隨著更加嚴(yán)苛排放法規(guī)的實施,SCR面臨了越來越多的困境[9-13].因此改善缸內(nèi)燃燒技術(shù),進(jìn)一步提高燃燒效率和降低排放成為首要任務(wù).與其他小型柴油發(fā)動機(jī)相比,船用柴油發(fā)動機(jī)具有巨大的外部尺寸、高輸出功率和高油耗,需要昂貴的實驗成本[14-15].因此,三維模擬仿真技術(shù)在輔助先進(jìn)燃燒系統(tǒng)的設(shè)計中發(fā)揮了重要作用[16].在模擬過程中,可以使用三維計算流體動力學(xué)軟件(如STAR-CD,KIVA,FIRE和CONVERGE 2.3)模擬不同的燃燒模型,預(yù)測并分析柴油機(jī)噴霧燃燒過程,模擬數(shù)據(jù)能很好地與實驗數(shù)據(jù)相吻合.李云清等[17]用FIRE軟件對柴油機(jī)噴霧錐角進(jìn)行了數(shù)值研究,結(jié)果表明較小的噴霧錐角可以提高氣缸內(nèi)噴霧霧化的質(zhì)量.Benajes等[18]將CFD建模與實驗驗證相結(jié)合, 發(fā)現(xiàn)燃燒特性的模型分析與實驗驗證一致,在調(diào)整煙灰形成模型常數(shù)后,最終排放含量接近實驗數(shù)據(jù).Sun等[19]在相同的操作條件下,利用CFD模擬不同的燃燒模型和替代燃料,以研究其對船用柴油機(jī)性能的影響,仿真模型用實驗數(shù)據(jù)驗證后發(fā)現(xiàn),其缸內(nèi)壓力和排放的誤差也在可接受的范圍內(nèi).Lechner等[20]研究了在四缸柴油發(fā)動機(jī)上不同預(yù)噴射時刻的115°、80°和60°噴霧錐角的燃燒和排放,并進(jìn)行了數(shù)值模擬研究.結(jié)果表明,隨著預(yù)噴射時間的逐步推進(jìn),需要使用小錐角減少排放.

模型仿真預(yù)測已得到大量運用[21-22],本文用流體軟件STAR-CD研究船用低速二沖程柴油發(fā)動機(jī)在不同噴霧錐角時對柴油機(jī)性能的影響規(guī)律.該機(jī)有相對于氣缸軸線對稱布置的2個噴油器,每個噴油器有4個噴孔,如圖1所示.為合理選取噴霧錐角提供支持,為后續(xù)柴油機(jī)的設(shè)計和開發(fā)提供參考.

圖1 噴油系統(tǒng)位置分布圖Fig.1 Location map of fuel injection system(a)—噴孔位置示意圖; (b)—噴油器位置示意圖.

1 模型建立及網(wǎng)格劃分

某船用二沖程柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速為167 r·min-1, 缸徑為350 mm,沖程為1 550 mm,連桿長度為1 550 mm,仿真對應(yīng)的工況為100%,計算域的幾何模型及網(wǎng)格如圖2所示,采用STAR-CD ES-ICE模塊完成網(wǎng)格的劃分,網(wǎng)格總數(shù)358 423.

圖2 計算域的幾何模型及網(wǎng)格

2 數(shù)學(xué)模型及初始邊界條件

本文應(yīng)用CFD軟件STAR-CD及ES-ICE進(jìn)行仿真,缸內(nèi)湍流流動采用高階雷諾數(shù)的k-Epsilon方程;油嘴噴霧采用Reitz-Diwakar模型;著火采用Shell模型模擬;液滴的破碎和碰壁分別采用Reitz模型、Bai模型;湍流燃燒采用EBU LATCT模型;氮氧化物生成采用擴(kuò)展的Zeldovich機(jī)理.計算的初始邊界條件由一維GT-Power系統(tǒng)仿真提供,具體見表1.本文研究3個工況,工況1的噴霧錐角為10°,工況2的噴霧錐角為15°,工況3的噴霧錐角為20°.3個工況的其他參數(shù)均保持不變,噴油正時為4°,噴油規(guī)律見圖3,每個循環(huán)單缸噴油量為15.12 g.

表1 初始邊界條件Table 1 Initial boundary conditions

圖3 噴油規(guī)律曲線Fig.3 Curve of fuel injection law

3 試驗驗證仿真計算模型

內(nèi)燃機(jī)在某廠進(jìn)行了單缸燃燒試驗研究,瞬時燃燒放熱率是根據(jù)實際測得的缸壓數(shù)據(jù),通過熱力學(xué)第一定律估算實際的放熱率.另外,測得了4種不同負(fù)荷下NOX生成總量、瞬時放熱率曲線,以及NOX生成物總量圖.仿真與試驗進(jìn)行對比,結(jié)果如圖4、圖5所示.仿真計算得到的瞬時放熱率曲線與試驗缸內(nèi)壓力推算所得的放熱率曲線基本吻合,均呈單峰狀;試驗所得燃燒始點較仿真結(jié)果提前約 1.6°,且試驗最大放熱率峰值為80.7 J·(°)-1,仿真所得最大放熱率峰值為79.3 J·(°)-1,峰值誤差率1.73%,相應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角相差0.9°.總體來看,仿真所得結(jié)果比較理想,誤差在工程允許的范圍內(nèi).

圖4 放熱率曲線對比圖Fig.4 Comparison chart of heat release rate curves

圖5排放物生成總量對比圖
Fig.5Comparison chart of total emissions

由圖5可以看出,仿真所得不同負(fù)荷下NOX生成量與試驗值的變化趨勢基本一致,是隨著負(fù)荷的減小而增加.對各工況NOX的排放進(jìn)行加權(quán)平均計算可知,仿真計算NOX生成量為17.25 g·(kWh)-1,試驗測定的NOX排放量為15.84 g·(kWh)-1,二者相差1.41 g·(kWh)-1,誤差率為8.9%.關(guān)于排放的準(zhǔn)確性一直是現(xiàn)階段CFD三維仿真軟件普遍存在的問題.本文的仿真結(jié)果可預(yù)測NOX排放的趨勢,為實際NOX生成、排放總量提供一定的參考.

4 噴霧錐角對柴油機(jī)性能的影響

4.1 噴霧錐角對燃油分布的影響

計算模型的坐標(biāo)系原點位置如圖2所示,云圖的截面為噴油器噴孔所在截面,即z=27 mm處,不同曲軸轉(zhuǎn)角下各情況的燃油分布如表2所示.

表2氣缸截面燃油分布圖
Table 2Fuel distribution diagram of cylinder section

由表2可知, 各個工況中的燃油分布都繞氣缸軸線作逆時針轉(zhuǎn)動, 燃油分布面積先變大, 持續(xù)一段時間后再變小.油核濃度位于燃油分布范圍的中心, 具有由小變大再由大變小, 最終逐漸消失的趨勢, 這是缸內(nèi)氣體渦流和噴油器油孔方向及噴油規(guī)律共同作用的結(jié)果. 同一曲軸轉(zhuǎn)角,各工況的燃油分布差別不大.仔細(xì)觀察370°轉(zhuǎn)角的分布圖可以看出, 3個工況的燃油分布范圍相差不大, 但是工況3的燃油濃度區(qū)域的范圍最小,工況2次之,工況1最大. 工況3的噴霧錐角相比工況2和工況1要大, 因此比較小的噴霧錐角燃油分布范圍大, 燃油擴(kuò)散更充分. 同理,380°轉(zhuǎn)角時, 工況3燃油分布核心的面積最小,工況2較大,工況1最大.到390°時, 3個工況的燃油分布范圍有了明顯的差別, 工況3的分布范圍最小, 工況1的分布范圍最大. 這是因為工況3噴霧錐角大, 油氣擴(kuò)散更加均勻, 有更多的燃油擴(kuò)散均勻后用于燃燒做功, 因此其剩余的燃油分布范圍最小. 由此可知, 隨著噴霧錐角的增加, 燃油的分布趨于更加均勻, 有利于擴(kuò)散燃燒中油氣混合.

4.2 對缸內(nèi)壓力的影響

由圖6可知,各工況的壓縮行程壓力及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角相同,均為17.13 MPa,359.8°.3個工況爆發(fā)壓力對應(yīng)的轉(zhuǎn)角都是371.1°,工況3的爆發(fā)壓力最大,為19.9 MPa;工況2的爆發(fā)壓力次之,為19.68 MPa;工況1的爆發(fā)壓力最低,為19.45 MPa.由此可知,噴霧錐角增大,可使缸內(nèi)爆發(fā)壓力升高,提升柴油機(jī)做功能力.從動力性上考慮,在設(shè)計允許的爆發(fā)壓力范圍內(nèi),可以通過增大噴霧錐角來增強(qiáng)柴油機(jī)的做功性能.

圖6缸內(nèi)壓力曲線
Fig.6Cylinder pressure curve

4.3 對缸內(nèi)溫度的影響

噴油孔所在位置z=27 mm的平面缸內(nèi)溫度分布如表3所示,由表3可知,各工況缸溫分布也呈現(xiàn)出繞氣缸軸線逆時針轉(zhuǎn)動的趨勢,以工況1為例, 曲軸轉(zhuǎn)角為365°時,缸內(nèi)高溫區(qū)域分布范圍明顯變大,且溫度有所升高,隨著燃油的燃燒,氣缸內(nèi)高溫區(qū)域的范圍逐漸變大,溫度值逐漸升高;曲軸轉(zhuǎn)角為380°時,氣缸內(nèi)局部區(qū)域溫度值達(dá)到最高值,此區(qū)域范圍較小,高溫區(qū)域分布很不均勻,兩個相對高溫區(qū)域中間的相對低溫區(qū)域(橢圓形)分布范圍還比較大,此時的平均缸溫并非最大; 曲軸轉(zhuǎn)角達(dá)到385°時,缸內(nèi)最高溫度分布范圍已經(jīng)很小了,相對高溫區(qū)域的范圍卻比較大,且分布相對均勻,“橢圓形”低溫區(qū)域分布減少,在此3個工況的缸溫曲線如圖7所示.從圖7可知, 3個工況爆發(fā)溫度對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角相同, 為384°. 工況3的爆發(fā)溫度最高, 為1 841.3 K; 工況1的爆發(fā)溫度最低, 為1 830.2 K; 工況2的爆發(fā)溫度居中, 為1 834.7 K. 結(jié)合缸內(nèi)溫度分布的分析, 得到船用低速柴油機(jī)噴霧錐角對缸內(nèi)溫度分布的影響規(guī)律: 缸內(nèi)溫度隨著噴霧錐角的增大而增大.

表3氣缸截面溫度分布圖
Table 3Temperature distribution diagram of cylinder section

續(xù)表3

刻附近缸內(nèi)的平均溫度最高;曲軸轉(zhuǎn)角為390°時,進(jìn)入后燃期,缸內(nèi)高溫區(qū)域范圍開始減小,溫度開始降低.對比分析3個工況可知,3個工況在同一時刻的溫度分布情況基本相似,仔細(xì)觀察后,發(fā)現(xiàn)三者還是有一定區(qū)別的,曲軸轉(zhuǎn)角為370°時的分布圖最為明顯,此時3個工況的分布范圍基本相同,但工況3的高溫區(qū)域的范圍最大,工況1的高溫區(qū)域最小,這說明此刻工況3較工況1和工況2放出的熱量多.

圖7缸內(nèi)溫度曲線
Fig.7Cylinder temperature curves

4.4 對NOX排放的影響

缸內(nèi)噴油孔所在位置z=27 mm平面中NOX的分布如表4所示, NOX的生成曲線如圖8所示.

NOX生成條件是高溫富氧,由表4可知,NOX生成的區(qū)域正是缸內(nèi)溫度較高的區(qū)域.因隨著噴霧錐角的增加,缸內(nèi)溫度上升,所以工況3生成的NOX最多.從NOX分布上看,3個工況中NOX分布的范圍基本相同,沒有太大差距;但從NOX生成曲線上可以看到各個工況中NOX生成總量的差距,工況3生成量最多,為1.542 g;工況1生成量最少,為1.514 g;工況2的生成量居中,為1.526 g.由此可知,隨著噴霧錐角的增加,NOX的生成量增大.

表4氣缸截面NOX分布
Table 4NOXdistribution in the cylinder section

圖8 NOX生成曲線Fig.8 NOX generation curves

5 結(jié) 論

通過對某船用低速柴油機(jī)噴霧錐角的仿真研究,得到噴霧錐角對柴油機(jī)性能的影響規(guī)律如下.

(1) 隨著噴霧錐角的增加,燃油分布更加均勻,有利于船用低速柴油機(jī)缸內(nèi)油氣的混合.

(2) 缸內(nèi)壓力隨著噴霧錐角的增大而增大.在爆發(fā)壓力允許的范圍內(nèi),噴霧錐角增加能夠提升整機(jī)的做功能力,提高其動力性.

(3) 缸內(nèi)最高溫度隨著噴霧錐角的增大而增大,過高的溫度增加了柴油機(jī)的熱負(fù)荷及排放物的生成量,因此噴霧錐角的增加需滿足整機(jī)熱負(fù)荷及排放物生成量的控制要求.

(4) NOX產(chǎn)生于高溫富氧的條件,噴霧錐角增大,缸內(nèi)溫度升高,NOX生成量增加.為滿足排放法規(guī),可以減小噴霧錐角.

(5) 為了研究船用低速柴油機(jī)的噴霧錐角的準(zhǔn)確性和可持續(xù)性,需要配合大量的試驗,將數(shù)值模擬的仿真與試驗有機(jī)結(jié)合,圍繞降低排放、提升性能這一核心,進(jìn)行更加深入的探索研究.