噴油提前角對雙燃料柴油機燃燒和排放的影響

宣 熔，張飛飛 ，陳 堅,2，林 航，牛夢達(dá)，馮超然，黃加亮,2

(1.集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021)

0 引言

隨著人們對環(huán)境安全意識的逐漸增強，針對內(nèi)燃機相關(guān)的排放法規(guī)愈來愈嚴(yán)格，因此著眼于國家發(fā)展及環(huán)境保護(hù)問題，尋求合適替代能源，降低燃油排放已成為眾多學(xué)者及研究機構(gòu)關(guān)注的焦點[1-2]。 胡登等[3]研究表明噴油提前角增大，缸內(nèi)平均壓力、平均指示壓力升高，滯燃期延長，在上止點接近等容燃燒，燃燒質(zhì)量得到提高。譚澤飛等[4]研究表明，高壓共軌柴油機燃用不同混比的生物柴油燃料在噴油提前角提前或推遲2°后,發(fā)動機的燃油消耗率均增加,扭矩均降低；鄧濤等[5]研究表明，噴油提前角增加過大會導(dǎo)致柴油機工作粗暴的現(xiàn)象，適當(dāng)增大提前角可以改善雙燃料柴油機的動力性；蘇祥文等[6]對天然氣-柴油雙燃料柴油機展開研究，研究表明在天然氣摻混率為60%時，隨著噴油提前角的滯后，NOx排放量減小。

以4190ZLC-2型船用四缸中速柴油機為原型，利用AVL_FIRE軟件構(gòu)建柴油-甲醇雙燃料發(fā)動機燃燒室模型，研究原機在額定工況、甲醇摻混比為20%時，不同噴油提前角對燃燒、排放以及動力性能的影響。

1 仿真模型的建立與驗證

1.1 計算模型

本文選取k-ε雙方程模型作為湍流流動模型；適用于混合燃料的KH-RT模型作為液滴破碎模型[7-8]；液滴蒸發(fā)模型選擇Multi-component模型；O-Rourke模型作為液滴相互碰撞模型；Enable模型作為擴散模型；Walljet1模型作為液滴碰壁模型；Zwldovich模型作為NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)排放物生成模型；Frolov Kinetic模型作為Soot生成模型。雙燃料化學(xué)反應(yīng)機理參照文獻(xiàn)[9]。

1.2 模型的建立與驗證

實驗平臺為直列四缸船用柴油機，額定轉(zhuǎn)速為1000 r/min，氣缸直徑×行程=190 mm×210 mm；壓縮比為14∶1；標(biāo)定轉(zhuǎn)矩為2100 N·m；噴油量為每循環(huán)0.194 88 g。

表1 網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)性驗證表Tab.1 Verification table forgrid number independence網(wǎng)格數(shù)量Grid numbers平均有效壓力Mean effectivepressure/MPa相對誤差Relative error/%12 3311.132—14 2541.1743.5815 8051.1961.8317 3181.2181.8118 2721.2341.78

對1/8燃燒室模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)而設(shè)置5種不同尺寸網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目分別為12 331、14 254、15 805、17 318、18 272，以平均有效壓力為評價指標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。得到數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可知，平均有效壓力隨網(wǎng)格數(shù)的增加有所波動，在網(wǎng)格數(shù)目大于15 805后，波動較小，相對誤差穩(wěn)定在1.8%左右，因此認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)目達(dá)到15 805后，網(wǎng)格數(shù)目對仿真結(jié)果無影響。為減少仿真計算時間，本文劃分網(wǎng)格數(shù)為15 805。

運用AUTO CAD軟件，依照4190ZLC-2型柴油機燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維建模，再導(dǎo)入AVL_FIRE中的ESE模塊自動生成三維圖形，并完成網(wǎng)格的劃分與檢查。由于4190ZLC-2型柴油機缸內(nèi)有8個噴嘴，為了簡化計算，將燃燒室分為8等分，并取其1/8進(jìn)行仿真研究，模型計算范圍為柴油機進(jìn)氣門關(guān)閉時刻(594°)至排氣門開啟時刻(841°)[10]。為驗證建立仿真模型的準(zhǔn)確性，在全負(fù)荷工況下，將模型仿真的缸內(nèi)壓力曲線、放熱率曲線與原機實際值進(jìn)行對比，如圖1所示。從圖1可看出，仿真數(shù)值略高于原機值，且誤差均小于3%，具有一定準(zhǔn)確性，可用于下一步仿真模擬研究。

2 噴油提前角對柴油-甲醇柴油機性能影響分析

以柴油-甲醇雙燃料發(fā)動機燃燒室模型為基礎(chǔ)，在額定工況下燃用甲醇摻混比為20%的混合燃料時，分析噴油提前角分別為16.6°、18.6°、20.6°、22.6°時對柴油機燃燒、排放以及動力特性的影響。其中，18.6°噴油提前角為原機數(shù)據(jù)。

2.1 燃燒影響

圖2為不同噴油提前角下缸內(nèi)壓力曲線圖。從圖2可以看出，隨著噴油提前角的不斷增大，缸內(nèi)壓力曲線整體前移，最高壓力不斷增大，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角有所提前，著火始點提前，滯燃期延長。出現(xiàn)這種現(xiàn)象原因是：隨著噴油提前角的不斷增大，柴油噴入氣缸內(nèi)的時刻提前，滯燃期延長[11-12]，燃油與空氣混合更充分，形成的可燃混合氣質(zhì)量高，焰前反應(yīng)增強，導(dǎo)致較早達(dá)到柴油燃燒點，缸內(nèi)燃燒提前，同時缸內(nèi)燃燒時最高爆發(fā)壓力增大。但過早的噴油提前角會帶來缸內(nèi)燃燒劇烈，不利于缸內(nèi)混合燃料均勻燃燒。

圖3為不同噴油提前角下缸內(nèi)放熱率曲線。從圖3可知，隨著噴油提前角的逐漸增大，放熱率曲線整體提前，放熱率峰值增大，且噴油提前角越大，峰值增加幅度越大。產(chǎn)生這種情況是因為：在較小噴油提前角時，缸內(nèi)滯燃期短，混合氣質(zhì)量差，缸內(nèi)燃燒不充分，由于燃燒后期溫度增加、壓力減小，使得放熱率峰值下降。隨著噴油提前角的增大，滯燃期延長，混合氣質(zhì)量提高，改善了缸內(nèi)燃燒環(huán)境，放熱效果好，導(dǎo)致放熱率峰值提高。

圖4為不同噴油提前角下的缸內(nèi)溫度場切片圖?？v向來看，在710°時，缸內(nèi)油束噴嘴處的溫度均低于周圍區(qū)域，且隨著噴油提前角的增大，二者溫度差有上升趨勢；在720°時，油束噴嘴處的溫度均高于周圍環(huán)境，隨著噴油提前角的增大，在相同曲軸轉(zhuǎn)角，缸內(nèi)相同位置處，高溫聚集區(qū)面積均增大。這主要是因為，噴油提前角的增大，滯燃期延長，燃料與空氣混合更加充分、均勻，形成的混合氣質(zhì)量更高。從橫向來看，隨著活塞在缸內(nèi)的不斷運動，缸內(nèi)高溫區(qū)域逐漸擴散，從油束區(qū)域至缸內(nèi)各處。形成這種情況主要有如下兩方面原因：1)油束噴入氣缸內(nèi)，在凹坑處碰撞，發(fā)生黏附、反彈等現(xiàn)象，油滴得到擴散，隨之瞬間發(fā)生燃燒；2)由于活塞的運動，帶動燃油液滴在缸內(nèi)擴散，缸內(nèi)最高溫度對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角以及燃燒始點均有明顯提前，溫度峰值從噴油提前角18.6°的1 934 K升高到噴油提前角22.6°的2 100 K，增幅達(dá)到8.58%，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角從738.7°提前到736.3°。

2.2 噴油提前角對排放特性、動力性的影響

圖5為不同噴油提前角下柴油機CO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線圖。從圖5可知，隨著噴油提前角的逐漸增大，CO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線整體前移，峰值增大且對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角不斷提前，但最終的CO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻逐漸降低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是因為，噴油提前角增大，滯燃期長，混合氣質(zhì)量高，優(yōu)化缸內(nèi)燃燒，缸內(nèi)壓力，溫度均得到增加。燃燒依始，消耗缸內(nèi)氧含量，形成缺氧環(huán)境，促進(jìn)CO生成。而在730°處，曲線發(fā)生變化。大噴油提前角生成CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，逐漸低于小噴油提前角。這主要是因為小噴油提前角對應(yīng)燃燒始點滯后，此時正處于CO主要生成的反應(yīng)初期，而大噴油提前角已度過該階段。由于大噴油提前角缸內(nèi)燃燒充分、完全，因此CO最終生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于小噴油提前角。

圖6為不同噴油提前角對應(yīng)NO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖。從圖6可看出，NO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著噴油提前角的增大而逐漸升高，且生成始點提前。這主要是因為，噴油提前角增大，滯燃期延長，優(yōu)化了缸內(nèi)燃料與空氣混合效果，燃燒效果更好，溫度、壓力均增大，且噴油提前角越大，缸內(nèi)溫度、壓力增加幅度越大。噴油提前角為18.6°時，NO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.14×10-5；噴油提前角為20.6°時，NO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.27×10-5，增幅約為29.83%。

圖7為不同噴油提前角下的碳煙Soot生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線圖。從圖7可看出，隨著噴油提前角的增大，柴油機生成Soot含量逐漸降低，且生成始點對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角不斷前移，存在明顯Trad-off效應(yīng)。這主要是因為：噴油提前角的增大，延長了滯燃期，空氣與霧化后的柴油液滴混合質(zhì)量提高，可以較早地達(dá)到柴油的燃點[13]。其次，缸內(nèi)燃燒充分，導(dǎo)致Soot含量大幅降低。噴油提前角為20.6°時，Soot生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.01×10-5，與原機相比降幅達(dá)到30.5%。

圖8是不同噴油提前角下的指示功率曲線圖。從圖8中可看出，指示功率隨著噴油提前角增大而逐漸降升高。這是因為，噴油時刻的不斷提前，油氣混合質(zhì)量得到優(yōu)化，大量的油氣在滯燃期混合，同時混合燃料在更靠近活塞的上止點附近燃燒，放出大量熱量，推動活塞快速運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化率提高，動力性能得到提升。與原機相比，噴油提前角為20.6°時，指示功率提高至58.75 kW。

圖9為不同噴油提前角下缸內(nèi)NO濃度場圖。

從圖9可看出，在噴油提前角為20.6°時，缸內(nèi)NO濃度突然增加。NO最初在油束周圍處生成，隨著活塞的不斷運動，缸內(nèi)NO濃度范圍擴大，逐漸由油束邊緣向四周擴散，最終分布在燃燒室各處，在740°時，NO集中在燃燒室中上部以及燃燒室頂隙處。

3 結(jié)論

本文以4190ZLC-2型船用中速柴油機為研究對象，運用AVL_FIRE軟件構(gòu)建柴油-甲醇雙燃料燃燒室模型，探究噴油提前角對雙燃料柴油機的燃燒、排放以及動力特性的影響，結(jié)論如下。

1)當(dāng)甲醇摻混比為20%，噴油提前角分別為16.6°、20.6°、22.6°時，缸內(nèi)壓力峰值分別為8.95，10.02，10.53 MPa。由此可知，隨著噴油提前角的不斷增大，缸內(nèi)壓力峰值呈現(xiàn)增大趨勢，同時燃燒始點前移，放熱率曲線由雙峰向單峰變化且峰值增大，對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角明顯前移。

2)在額定工況下，噴油提前角增大，使CO、Soot排放降低，對Soot抑制效果明顯，但NO排放呈現(xiàn)增大的趨勢。噴油提前角為20.6°時，NO排放較原機增加29.83%，Soot排放量降低30.5%，CO排放量降低5.6%，指示功率增至58.75 kW。