柴油机双卷流燃烧系统的排放特性.pdf

第 29 卷 第 9 期 农 业 工 程 学 报 Vol.29 N o.9 48 2013 年 5 月 Transactions of t he Chi nese S ociety of A gricultural Engineering May 2013 柴油机双卷流燃烧系统的排放特性 孙柏刚1，谢 均1，柴国英2，赵建辉1，李向荣1 （1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081；2.中国北方发动机研究所，天津 300400） 摘 要：为研究双卷流燃烧系统对直喷式柴油机有害排放物生成的影响，该文采用试验和计算流体力学 CFD 仿真 分析方法，探讨燃油喷射系统中喷油提前角、喷孔直径、油束夹角和涡流比对双卷流燃烧系统（DSCS）排放特性 的影响。研究结果表明：随着喷油提前角的增加和喷孔直径的减小，NOx 生成量增加，碳烟生成量降低；随着油 束夹角的增加，碳烟生成量降低，NOx 生成量先增加后降低；涡流比和弧脊的匹配直接影响着双卷流燃烧系统中 燃油的雾化、混合和燃烧过程，为了降低有害污染物的排放应采用较小的涡流比与双卷流燃烧室，确定了与双卷 流燃烧室相匹配的满足 NOx、碳烟排放最佳涡流比为 1。该研究可为柴油机双卷流燃烧系统优化设计提供参考。 关键词：仿真，试验，柴油机，燃油喷射，排放特性，涡流比，双卷流燃烧系统 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.09.007 中图分类号：TK421.5 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2013)-09-0048-07 孙柏刚，谢 均，柴国英，等. 柴油机双卷流燃烧系统的排放特性J. 农业工程学报，2013，29(9)：4854. Sun Baigang, Xie Jun, Chai Guoying, et al. Emission characteristics of double swirl combustion system in diesel engineJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(9): 4854. (in Chinese with English abstract) 0 引 言 随着化石燃料的短缺，直喷式柴油机由于具有 更好的燃油经济性而得到了人们的关注，在中重型 车辆上得到了广泛的应用。柴油机固有的 PM 与 NOx 排放的矛盾， 一定程度上制约着柴油机行业的 发展。由于燃烧系统在柴油机中的重要性，人们越 来越关注于通过改进燃烧系统来降低有害排放。 焦云景等通过CFD仿真分析发现，燃烧室过 深，易造成局部油气过浓，使燃烧不充分而产生较 多的碳烟；燃烧室过浅，则油气雾化好，使得缸内 温度上升快，NOx生成量增加。赵昌普等对燃油喷 射系统中的喷孔直径和喷雾夹角对柴油机燃烧过 程和排放影响进行了数值模拟，发现随着喷孔直径 的减小，碳烟排放降低而NOx排放升高。改变油束 夹角会影响到喷雾油束的落点位置，进而影响碳烟 的排放。白向东等3、张世鹰等4分别通过试验和 数值模拟发现喷油提前角对柴油机排放影响较大， 随着喷油提前角增大，缸内温度升高，导致NOx生 成量增加。 以上的研究均基于传统的燃烧室形状，而在众 收稿日期：2012-10-08 修订日期：2013-03-20 基金项目：柴油机密集喷雾与场协同混合机制研究（编号：50876012） 作者简介：孙柏刚（1969） ，男，博士，副教授，研究方向：内燃机 燃烧与排放控制。北京理工大学机械与车辆学院发动机研究所，10081。 Email: sunbg 多影响柴油机性能和排放的因素中，燃烧室的形状 对直喷式柴油机混合气的形成、燃烧过程及有害排 放物的生成有着非常重要的影响5-6。 双卷流燃烧系 统（double swirl combustion system, DSCS）是北京 理工大学发动机实验室开发出的新型燃烧系统，该 系统采用浅的双盘形燃烧室，大圆盘构成外室，小 圆盘构成内室。在DSCS中，燃油在内、外室得到 均匀的分布，并利用燃油射流的分裂和卷动冲破 “火抱油”的束缚7-8。该系统对喷雾锥角的匹配十 分敏感，喷雾锥角过小，燃油在内室分布过多，对 油气均匀混合不利；喷雾锥角过大，内室空气得不 到利用，降低了燃烧室内的空气利用率9-11。通过 1150D单缸机和 6V150 柴油机的试验证明，采用 DSCS后，燃油消耗率、最高爆发压力、排气温度 和排放均得到明显的改善12。目前对DSCS的研究 主要集中在降低爆压、油耗和喷雾混合机理的数值 模拟方面，而对其排放特性的研究很少，因此本文 利用试验数据对计算模型进行校核与验证，并采用 CFD仿真软件，研究油提前角、油束夹角、喷孔直 径和涡流比对DSCS排放特性的影响，为今后DSCS 的优化设计提供参考。 1 计算模型的建立 1.1 几何模型与网格模型的建立 双卷流燃烧室的结构特点如图 1 所示， 燃烧室呈 双盘形，大圆盘中套小圆盘，大圆盘构成外室，小圆 第 9 期 孙柏刚等：柴油机双卷流燃烧系统的排放特性 49 盘构成内室，0-3 虚线为内、外室的理论分界面。大、 小圆盘的交线形成凸沿，称为弧脊，弧脊低于活塞顶 平面并圆角化。燃烧室中心有一隆起的凸台，该燃烧 室开口大、深度浅，近似于开式燃烧室13。 注：D 为活塞直径，d1、d2 分别为外、内室喉口直径，d3 为中心凸台 直径，H1、H2 分别为外、内室最大深度，R1、R2 分别为外、内室圆 弧半径，h 为中心凸台深度，h0 为喉口棱缘深度，h1 为弧脊深度。 图 1 双卷流燃烧室简图 Fig.1 Double swirl combustion chamber sketch 柴油机一个工作循环包括进气、压缩、作功和 排气 4 个冲程，在进气和排气过程中，柴油机的进 气门和排气门位置在不断变化。目前CFD计算程序 虽然能模拟柴油机的进气流动过程，但是计算精度 并不高。如果通过模拟柴油机整个工作循环来计算 其喷雾和燃烧过程，将会使计算区域变得非常复 杂，计算耗费时间长，计算结果并不理想14，因此 本文的计算不包括进气和排气过程，计算角度从进 气门关闭到排气门打开。 在FIRE中建立1150G柴油机的计算网格模型。 1150G 柴油机匹配 80.42145喷油器，喷油器位 于燃烧室的中心， 8 个喷孔在圆周方向上均匀分布。 为了减少网格数量，加快计算速度，本文计算区域 为一个 45的扇区，所有的计算网格全部为六面体 网格。采用手动网格制作方法生成活塞顶燃烧室内 的计算网格，最大计算网格尺寸不大于 2 mm，总 网格数量为 7 360，节点数为 8 603。 1.2 计算模型的选取 流动模型：柴油机缸内的气体流动模拟是根据 基本的守恒定律，即质量守恒、动量守恒和能量守 恒来进行求解的。考虑到湍流的影响，采用工程计 算中应用最为广泛的-湍流模型求解附加的传输 方程15-16。 喷雾模型：为描述燃油雾化过程，采用了 WAVE喷雾模型，该模型假设喷射的油滴与喷嘴出 口直径尺寸相同，并且其他分散的小油滴均是由于 空气流动促使液-气互相作用而形成的17。这种方 法的优点是，仅在这一连续模型中就可以把影响最 初扰动的喷嘴通道内的流动和喷嘴的几何形状等 互相联系的不确因素结合起来。同时采用Walljet壁 面模型，Dukowicz蒸发模型和开启湍流耗散模 型18-20。而燃油雾滴直径很不均匀，从 4100 m 均有，但一般来说，多数集中在 1040 m范围内。 燃油刚从喷油器喷出后，迅速蒸发，燃油破碎时间 很短，燃油平均索特直径迅速下降，之后，由于燃 油在运动过程中动量不断减小，燃油破碎速度下 降，索特值有所上升。为了更好地了解和控制燃油 的扩散、蒸发及与空气之间的混合和燃烧，需要研 究粒度分布。粒度分布的主要计算公式有：Rosin Rammler、拔山棚泽、正态分布函数、x2分布函 数、上限对数分布、CHI-矩形分布等，其中拔山一 棚泽公式用得较多。 燃烧模型：着火模型选用Shell模型，该模型能 描述大多数燃料的着火特征，并且适应较宽的工 况。在Shell模型中，燃料的着火过程由 8 步支链反 应构成，分成 4 个过程，分别为链发生、链传播、 链分支和链终止过程。燃烧模型采用EBU eddy break-up)模型，该模型的基本思想是：在湍流燃烧 区充满了已燃气体和未燃气体，化学反应在这两种 气体的交界面上发生，认为平均化学反应速率取决 于未燃气体在湍流作用下破碎成更小气团的速率， 而破碎速率与湍流脉动动能的衰变速率成正比21-23。 NOx的生成模型采用Zeldovic模型，选用Kennedy- Hiroyasu- Magnusson作为碳烟模型。 1.3 试验设备及测试仪器 在 1150G 单缸机上应用双卷流燃烧系统， 进行 标定转速下的试验。在小负荷下将发动机转速调到 试验的目标转速后，控制测功机使发动机在恒转速 运行模式下工作，通过调节齿杆位置使发动机发出 的功率与达到目标功率后，获取标定转速下的进气 压力 0.26 MPa， 进气温度为 373 K， 比油耗为 220.8 g/kWh，最大燃烧压力为 15.05 MPa。 试验台架主要试验设备包括：GW160-160kW 电涡流测功机（湘仪动力测试有限公司）；FST2C 发动机数控系统（洛阳南峰机电设备制造有限公 司）；电力测功机及其控制台（用于单缸机启动和 测摩擦功，洛阳南峰机电设备制造有限公司）； VHN-16/8 型无基础空气压缩机（柳州第二空气压 缩厂）；AEH100 型空气电加热器及温控器（南京 航空航天大学）；FCM-D 型油耗仪（上海同圆环 保科技有限公司）；DEWE-5000-CA 型燃烧分析 仪（DEWETRON 公司）；烟度计（德国 Bosch 公 司） 。 试验所用 1150G 单缸机主要技术参数如表 1 所示。 农业工程学报 2013 年 50 表 1 1150 G 柴油机具体参数 Table 1 1150 G diesel engine specific parameters 参数项目 参数值 缸径/mm 150 行程/mm 160 孔径/mm 0.42 连杆长度/mm 300 孔数 8 油束夹角/() 145 标定转速/(rmin-1) 2 200 标定功率/kW 92 压缩比 14.0 进气门开启角 BTDC CA /() 46 进气门关闭角 ABDC CA /() 68 排气门开启角 BBDC CA /() 70 排气门关闭角 ATDC CA /() 42 2 仿真结果分析 2.1 计算模型的验证 为了验证所建立的模型的合理性，将模型计算 的缸内燃烧压力与实测的缸内压力进行对比。从图 2 中看到，计算的缸内最高燃烧压力值及出现的时 刻和实测值存在一定的差异，这可能是因为仿真计 算中燃烧模型是采用简化的化学反应机理来描述 化学过程，与实际的详细化学反应机理存在一定误 差，但整体上计算曲线和实测曲线的一致性较好， 说明所建立的计算模型能较好的模拟发动机的燃 烧过程。 图 2 计算缸力与实测缸压的对比 Fig. 2 Calculated cylinder force with comparison of measured cylinder pressure 2.2 喷油提前角的影响 固定转速为 2 200 r/min，喷油压力为 120 MPa， 喷油提前角从 16曲轴转角变化到 6曲轴转角，研 究喷油提前角对 DSCS 排放特性的影响。 从图 3 看到随着喷油提前角的增加，NOx生成 量随之增加，碳烟生成量随之降低。因为随着喷油 提前角的增加，缸内混合气的滞燃期增加，油气的 混合质量随着滞燃期的增加而得到改善，进而使得 缸内最高燃烧温度(Tmax)增加，并且缸内 Tmax 逐 渐向上止点，如图 4 所示。温度是NOx生成的主要 影响因素，因此随着喷油提前角的增加，NOx生成 量随 Tmax 的增加而增加。碳烟减少的原因一方面 是滞燃期的增加使得缸内油气混合较好，减少了碳 烟的生成，另一方面是高温富氧条件氧化了一部分 的碳烟，两者综合降低了碳烟的生成。 图 3 NOx 和碳烟生成量随喷油提前角的变化 Fig.3 NOx and soot formation change with the injection advance angle 图 4 Tmax 及其出现时刻随喷油提前角的变化 Fig. 4 Tmax and its moment changes with injection advance angle 2.3 喷孔直径的影响 固定转速为 2 200 r/min， 喷油压力为 120 MPa， 喷油提前角为 12转轴转角时，喷孔直径从 0.38 0.43 mm 变化，研究喷孔直径对 DSCS 排放特性的 影响。 从图 5 看到， NOx 生成量随着喷孔直径的增加 而降低，而碳烟随喷孔直径变化的规律却与之完全 相反。下面从缸内 Tmax 和油滴破碎角度来分析喷 孔直径对 NOx 和碳烟排放的影响规律。 第 9 期 孙柏刚等：柴油机双卷流燃烧系统的排放特性 51 图 5 NOx 和碳烟随喷孔直径的变化 Fig. 5 NOx and soot changes with nozzle diameter 从图 6 可以看到，当喷孔直径较小时，燃油油 束容易被气流撕扯破碎，空间油束的扩展面积较 大，燃油与空气具有较高的混合速率24，利于油气 的混合，使得缸内燃烧更加充分，缸内Tmax更高。 随着喷孔直径的增加， 油滴破碎缓慢， 贯穿度增大， 缸内油气混合质量变差，局部易存在燃油过浓区， 导致燃烧的不充分而产生碳烟的排放，同时缸内 Tmax随喷孔直径的增加降低。 因此随着喷孔直径的 增加，缸内油气混合变差，导致Tmax降低，NOx 也随之减低，并且由于存在局部过浓区，使得碳烟 生成量随之增加。 图 6 不同喷孔直径下氧气浓度分布截图 Fig.6 Different nozzle diameter distribution of oxygen concentration screenshots 2.4 油束夹角的影响 固定转速为 2 200 r/min， 喷油压力为 120 MPa， 喷油提前角为 12转轴转角，喷孔直径 0.41 mm， 油束夹角从 135155变化时，研究油束夹角对 DSCS 排放特性的影响。 在 DSCS 中油束夹角是与双卷流燃烧室弧脊 匹配形成卷流的关键之一，卷流形成的好坏直接 影响到燃烧和排放的性能。 从图 7 看到 NOx 生成 量随着油束夹角的增加先增加而后降低，在 150 时达到最大，而碳烟生成量随着油束夹角的增加 而减少。 图 7 NOx 和碳烟生成量随油束夹角的变化 Fig. 7 NOx and soot changes with spray angle 农业工程学报 2013 年 52 从图 8 看到当油束夹角大于 150后， 过大的油 束夹角和弧脊使得油气混合质量变差，并且高温区 域集中在燃烧室顶部，整个燃烧室的空气并没有完 全利用，氧气的不足导致了 NOx 生成量的减少。 碳烟的生成是由于局部存在燃油过浓区，油气混合 不均造成的。同时看到在小的油束夹角时，有部分 的燃油在内室圆角处出现堆积，内室燃油分配过 多，造成此处燃油不能完全燃烧，因此导致在较小 的油束夹角下碳烟生成量较大，而随着油束夹角的 增加，油气混合得到改善，碳烟生成量降低。 图 8 不同油束夹角时燃油的浓度场和油气平均温度场云图 Fig.8 Concentration field of diesel and mean temperature field of flow nephograms with different spray angle 2.5 涡流比的影响 固定转速为 2 200 r/min， 喷油压力为 120 MPa， 喷油提前角为 12转轴转角，喷孔直径 0.41 mm， 油束夹角为 140时，涡流比从 0.5 到 2 变化时，研 究涡流比对对 DSCS 排放特性的影响。 图 9 NOx 和碳烟随涡流比的变化 Fig.9 NOx and soot changes with swirl ratio 从图 9 可以看到，在涡流比为 0.52.0 的范围 内，NOx生成量随着涡流比的增加而增加；碳烟生 成量随着涡流比的增加先减小后增加，涡流比为 1 处为碳烟生成量变化规律的转折点。而针对 1150G 柴油机采用的双短直气道，利用设计的同向、反向 双蝶法诱导涡流方案开展了试验研究，诱导涡流范 围为 0.31.2，其试验结果与仿真结果一致25。随 着进气涡流比的增大，缸内最大瞬时放热率增加。 这是因为涡流比的增加，提高了油气的混合速率， 改善缸内混合气质量，利于柴油机的快速燃烧，并 且缸内温度的升高引起了NOx生成量增大，而由于 油气混合质量的改善使得碳烟生成量明显减少。但 是随着涡流比的增加，在燃烧后期强涡流使得相邻 油束发生重叠，油气雾化质量变差，进而导致碳烟 的生成量随涡流比的增加而增加。因此对于使用 8 孔喷油嘴的双卷流燃烧室来说，已经存在由于弧脊 引起燃油分裂和加速油气混合的作用，在与双卷流 燃烧室进行匹配时，存在一个最佳的涡流比，使得 NOx和碳烟都维持在较低的排放状态。 3 结 论 1）随着喷油提前角的增加，滞燃期内油气雾 化质量得到改善，缸内 Tmax 增加，引起 NOx 生成 量的增加。滞燃期的增加使得缸内油气混合较好， 抑制碳烟的生成，同时由于高温富氧条件氧化了一 部分的碳烟，综合因素使得碳烟排放的下降。 2）随着喷孔直径的增加，油滴破碎变得缓慢， 缸内油气混合质量变差，燃烧的不充分引起碳烟的 生成量增加，同时导致缸内 Tmax 降低，使 NOx 生 成量减少。 3）NOx 生成量随着油束夹角的增加先增加后 降低，在油束夹角为 150时达到最大，而碳烟生成 量随着油束夹角的增加而降低。 第 9 期 孙柏刚等：柴油机双卷流燃烧系统的排放特性 53 4）随着涡流比的增加，NOx 生成量增加，而 碳烟生成量随着涡流比的增加先减小后增加。对于 DSCS 而言，为了降低有害污染物的排放应采用较 小的涡流比与双卷流燃烧室，与双卷流燃烧室相匹 配的满足 NOx、碳烟排放的最佳涡流比为 1。 参 考 文 献 1 焦运景，张惠明，田远，等. 直喷式柴油机燃烧室几 何形状对排放影响的多维数值模拟研究J. 内燃机工 程，2007，28(4)：1115. 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Due to the importance of the combustion system of the diesel engine, there is a growing concern to reduce harmful emissions by improving the combustion system. Many factors influence on the engine performance and emissions, but the shape o f the co mbustion ch amber of direct injection d iesel en gine has a very im portant influence on the combustion process and the generation of harmful emissions. For Double Swirl Combustion System research focuses on reducing the detonation pressure, fuel consumption and the numerical simulation of spray mixing mechanism, and its emission characteristics of a few. To take Test and CFD simulation method to explore the fuel injection system, fuel injection timing, nozzle diameter, spray angle and swirl ratio to influence of emission characteristics of double swirl combustion system (DSCS). The results show that: with the increase of the fuel injection advance angle and the nozzle diameter decreases, NOx production increases, soot formation was reduced. Because th e ignition de la