喷孔参数对高压共轨船用柴油机燃烧与排放影响的仿真研究.pdf

第3 2 卷第3 期内燃机工程 V 0 1 3 2N o 3 2 0 1 1 年6 月 C h in e s eI n t e r n a lC o m b u s t io nE n g in eE n g in e e r in gJ u n e 2 0 1I 文章编号 1 0 0 0 0 9 2 5 2 0 1 1 0 3 0 0 4 3 0 5 喷孑L 参数对高压共轨船用柴油机 燃烧与排放影响的仿真研究 闰 萍 冯明志 平涛 方文超 王新权 中国船舶重工集团公司第七一一研究所 上海2 0 1 1 0 8 3 2 0 0 4 4 S im u l a t io nR e s e a r cho nE f f e cto fN o z z l eP a r a m e t e r so nC o m b u s t io na n d E m is s io n sf o rH P C RM a r in eD ie s e lE n g in e Y A NP in g F E N GM in g z h i P I N GT a o F A N GW e n ch a o W A N GX in q u a n S h a n g h a i M a r in eD ie s e lE n g in eR e s e a r chI n s t it u t e S h a n g h a i2 0 11 0 8 C h in a A b s t r a ct I no r d e rt or e s e a r cht h ee f f e cto fn o z z l ep a r a m e t e r so nco m b u s t io na n de m is s io nch a r a ct e r is t icso fh ig h p r e s s u r eco m m o n r a il H P C R m a r in ed ie s e le n g in e t h eco m b u s t io np r o ce s sa n de m is s io n so fa m a r in ed ie s e le n g in ee q u ip p e dw it ht h r e et y p e so fn o z z l e sw e r et e s t e do nt h eb e n cha n dca l cu l a t e du s in gt h r e e d im e n s io n a lC F Ds o f t w a r e T h es im u l a t e din d ica t e dd ia g r a mw a sb a s ica l l ya g r e e dw it ht h em e a s u r e dd a t a T h ef u e ld r o p l e tb e h a v io r t h ein cy l in d e rf l o wf ie l d co m b u s t io nt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ed is t r ib u t io n s t h e N O a n ds o o tm a s sf r a ct io nw it hd if f e r e n tn o z z l e sw e r ea v a il a b l e I n d ica t e dp o w e ra n ds p e cif icf u e lco n s u m p t io nw e r ea l s oo b t a in e d A n a l y s iss h o w st h a tb o t hs p r a yo r if icen u m b e ra n dd ia m e t e ro ft h en o z z l ea f f e ctr u e l a t o m iz a t io na n de v a p o r a t io n im p a ct in gf u e la n da irm ix in g a n df u r t h e ra f f e ct in gN Qa n ds o o te m is s io n s B y s y n t h e t ica l l yco n s id e r in ge n g in ep o w e r e co n o m ya n de m is s io n s t h eo p t im a ln o z z l es ch e m eiso r if icen u m b e r o f8a n dd ia m e t e ro f0 3 7 m m 0 概述 摘要 为研究喷孔参数对高压共轨船用柴油机燃烧与排放的影响 应用三维C F D 软件对 采用3 种不同喷孔方案的某船用柴油机燃烧流场和排放进行了数值计算i计算的缸内示功图 与实测结果基本吻合 模拟得到了不同啧孔方案下的燃油液滴分布 流场分布 缸内燃烧温度 和压力分布 以及N 0 和S o o t 质量分数分布等 同时还得到了油耗与指示功率 对比分析表 明 喷孔直径和数目影响燃油雾化和蒸发 影响油气混合质量 进而影响N O 与S o o t 的排放 通过综合考虑动力性 经济性和环保性 选择喷孔孔数为8 喷孔直径为0 3 7m m 的喷孔方案 为最优方案 关键词 内燃机 船用柴油机 高压共轨 喷孑L 燃烧 排放 数值分析 K e yw o r d s I Ce n g in e m a r in ed ie s e le n g in e h ig hp r e s s u r eco m m o nr a il H P C R n o z z l e co m b u s t io n e m is s io n n u m e r ica la n a l y s is 中图分类号 T K 4 2 3 8文献标识码 A 日益严重的环境污染和能源短缺 使内燃机必 须向节能环保的方向发展 由于高压共轨燃油系统 具有高而稳定的喷射压力 能够灵活控制喷油速率 进行燃烧优化 降低排放 油耗和噪声 因此高压共 轨燃油系统成为当前提高柴油机性能和降低排放的 关键技术和研究热点之一 收稿日期 2 0 0 9 1 2 2 8 作者简介 闰萍 1 9 7 5 一 女 博士 主要研究方向为船用柴油机燃烧与排放控制技术 E m a il y a n p in g cs ic 7 1 1 co r n 内燃机工程 2 0 1 1 年第3 期 目前高压共轨燃油系统应用在车用柴油机上已 经较为普遍 而对于船用柴油机 由于其循环喷油量 大 进气涡流较弱 单缸功率较大以及工作环境恶劣 等原因 使得高压共轨燃油系统在船用柴油机上的 实际应用落后于车用柴油机 目前 只有国外几个 大型船用柴油机生产厂家将高压共轨燃油系统实船 应用 1 巧 而我国则仍处于台架试验阶段 高压共轨燃油系统中喷油器的喷孔是柴油喷入 燃烧室的通道 喷孑L 参数直接决定了燃油混合气的形 成和燃烧效果的好坏 进而影响到柴油机工作性能和 排放 船用柴油机由于循环喷油量大且进气涡流较 低 所以对燃油喷射系统要求较高 正确选择喷孑L 数 和孔径则成为优化柴油机燃烧的关键因素之一 本 文对某型船用柴油机分别采用3 种不同喷孑L 方案的 燃烧过程和排放物生成进行了数值分析 研究不同喷 孔方案对混合气形成及燃烧和排放的影响 为加快我 国高压共轨燃油系统实船应用提供参考依据 表1 为所研究的喷孔方案 喷射夹角为1 5 0 表1 喷孔方案 孔数 孔径喷孔总面积喷油持续期 方案 m m m m 2 C A l8 0 3 80 9 0 733 3 1 0 29 0 3 60 9 1 6 13 2 8 5 38 O 3 70 8 6 023 4 5 5 1 物理模型与网格划分 试验发动机为单缸直喷式增压柴油机 发动机 基本参数见表2 在建立计算域时 在不影响燃烧流 场发展的前提下 对燃烧室内腔结构进行一些合理 简化 将简化部分的容积补偿到补偿容积中 确保柴 油机压缩比不变 图1 为试验发动机燃烧室的二维 简图 D 为燃烧室开口直径 H 为燃烧室深度 表2 发动机基本参数 项目参数 缸径 行程 r a m1 9 0 2 3 0 压缩比 1 5 增压比3 6 标定功率 k W 1 6 5 15 0 0r m in 最大扭矩 N m 10 5 5 15 0 0r r a in 图1 燃烧室结构二维简图 由于柴油机燃烧室具有轴对称性 所以为了减 少计算时间 燃烧室计算域根据喷孔数目 分别选取 燃烧室的1 8 和1 9 采用8 孔喷油器且活塞处于 上止点时的燃烧室网格划分如图2 所示 网格数为 5 41 0 6 采用9 孔喷油器的燃烧室网格划分与8 孔 的相似 这里不再列出 其网格数为5 38 5 6 图2 采用8 孑L 喷油器的燃烧室网格 2 数学模型 喷雾燃烧数值计算采用k 一 一f 湍流模型 6 W a v e 液滴破碎模型 W a l l j e t l 液滴撞壁模型 D u k o w icz 液滴蒸发模型 燃烧模型采用E B U 模型 N Q 生成机理采用扩展的Z e l d o v ich 模型 主要考虑 热N O 的生成 S o o t 生成的计算模型采用K H M K e n n e d y H ir o y a s u M a g n u s s e n 模型 3 初始条件与边界条件 本文研究重点是燃油喷雾燃烧过程 所以模拟 计算不考虑进排气过程 因此计算时域从进气门关 闭时刻开始到排气门打开时刻为止 根据试验发动 机进排气时刻 计算时域定为6 0 C AA B D C 1 2 0 C AA T D C 对应到C F D 软件F ir e 的计算时域 为6 0 0 8 4 0 C A 使用发动机性能分析软件B o o s t 计算得到6 0 0 C A 时的缸内空气状态 气体温度为3 8 4 5K 缸内压力 为0 5 1 5M P a 缸盖壁温为5 7 3K 缸套壁温为 4 7 3K 活塞表面温度为6 2 3K 进气涡流比为0 8 由燃油喷射系统仿真软件H y d s im 计算得到的 喷油速率如图3 所示 单次喷油量为0 9 1 11 1 1g 共轨燃油系统的喷射压力为1 3 0M P a 各方案的喷 油持续期如表1 所示 图3 各方案的喷油率 2 0 1 1 年第3 期 内燃机工程 4 计算模型与方法验证 为了验证选取模型 计算方法及初始条件和边 界条件 首先针对采用机械燃油喷射系统的试验发 动机进行了台架试验和数值仿真 得到了发动机在 标定功率点时的气缸压力值 图4 为气缸压力的模 拟值和试验值 时 山 R 兰 蠼 篓 图4 标定功率点气缸压力计算结果和实测值比较 通过对比可见 计算的缸内压力最大值略大于 实测的缸内压力最大值 计算的缸内压力膨胀线在 扩散燃烧后期略低于实测值 这主要是由于缸盖 缸 套和活塞初始平均温度为经验值 与实际存在一定 的差别而产生的 总体上计算值与实测值吻合较 好 表明本文采用的计算模型和参数设置比较合理 可以模拟实际情况 同时为后续喷孔方案数值计算 中模型参数的设置提供依据 5 计算结果与分析 5 1 喷雾与流场特性分析 由于喷雾与燃烧主要发生在上止点附近 所以 选取上止点 7 2 0 C A 附近时刻的计算结果进行分 析 选取截面为气缸轴线和喷孔轴线所组成的截面 计算得到的不同喷孔方案在不同曲轴转角下的颗粒 轨迹与燃空当量比分布如图5 图7 所示 图77 4 0 C A 颗粒轨迹与当量比分布 由图可以看出 喷油初期 7 1 0 C A 不同喷孑L 方案的燃油进入燃烧室后迅速雾化分裂为液滴 形 成雾化锥 并且一部分小液滴在喷孔轴线下游处快 速蒸发成燃油蒸气 与空气混合进行燃烧 随着曲 轴转角的后移 燃油不断喷入燃烧室 雾化 蒸发和 燃烧过程加剧 燃油蒸气分布越来越广 并且向燃烧 室的凹坑内移动 在7 4 0 C A 时 燃油蒸气碰壁后反 弹偏转 这对加强缸内燃油和空气混合有利 比较3 个方案的颗粒轨迹与燃空当量比分布 在上止点以 前 方案1 的油束射程略短于其他2 个方案 且当量 比分布范围也比其他2 个方案的稍小 这是因为方 案1 的喷孔孑L 径较大 燃油喷射雾化的粒径也相对 内燃机工程 2 0 1 1 年第3 期 较大 所以液滴的贯穿速度和蒸发速度均较慢 使其 雾化锥射程较短 当量比分布范围较小 因此方案1 燃烧初期的温度会比其他2 个方案的略低 从而可 以降低压力升高率和最高燃烧温度 抑制N O 的生 成 而方案2 孔径较小 雾化后的粒径较细 燃油液 滴迅速蒸发为燃油蒸气 高燃空当量比 2 分布范 围比其他方案的略广且均匀 燃烧充分 最高燃烧温 度较高 会增加N 0 的生成 图8 图1 0 为不同喷孔方案在不同曲轴转角下 的速度矢量分布 如图所示 喷油初期燃油高速进 入燃烧室 液束对周围空气造成卷吸 在雾化锥边缘 形成回流区 促使周围空气与燃油蒸气的混合 在 上止点时 7 2 0 C A 油束前锋深入至燃烧室的凹坑 处 雾化锥边缘回流区的范围进一步增大 使空气与 燃油蒸气充分混合 稳定燃烧 随着活塞下行 在 7 4 5 C A 时 方案3 燃烧室内的流场速度均比方案1 和方案2 的要高 且回流区范围相对较大 促进了后 续燃油与空气的混合 使燃烧更加完全 碳烟生成量 较少 图1 07 4 5 C A 燃气速度矢量分布 5 2 燃烧与排放特性分析 图1 1 为计算得到的3 个喷孔方案的燃烧与排 放特性曲线图 由上至下依次是放热率曲线 缸内平 均压力曲线 缸内平均温度曲线 N Q 质量分数曲线 和S o o t 质量分数曲线 由放热规律曲线可以看出 3 个方案的放热率都 有明显的预混燃烧放热阶段 第一个峰值 且发生 在上止点前 扩散燃烧放热阶段初期 方案3 的放 热量比其他2 个方案的略少 但在燃烧后期 方案3 的放热量则比其他2 个方案的略高 这对抑制S o o t 生成和氧化有利 由平均压力和平均温度曲线可以看出 方案2 的最高平均压力值和最高平均温度值都略高于其他 2 个方案 如前文分析 这是由于方案2 的喷孔孑L 径 小且孔数较多 因此其喷雾颗粒也相对较小且均匀 液滴蒸发较快 滞燃期相对较短 最高燃烧温度和压 力都相对较高 由N O x 和S o o t 的质量分数曲线可以看出 随曲 轴转角的后移 N O 生成量不断增大 在7 4 5 C A 附 近发展到一个高峰并出现停滞 而S o o t 则是在燃 烧开始就生成 并且迅速增加 在喷油结束后 7 4 5 C A 左右达到峰值 此后又迅速下降 这是因为 随缸内燃烧过程的进行 部分S o o t 被氧化 使其质 量分数迅速下降 比较不同方案的排放物质量分数 曲线 方案2 的N q 生成量较高 其次是方案3 方 案1 的N O 生成量最少 对于S o o t 的生成与排放 则是方案3 最少 这 是因为方案3 喷油后期燃烧室内的燃油蒸气流速较 2 0 1 1 年第3 期 内燃机工程 曲轴转角 C A 图1 1 燃烧与排放特性曲线图 水 巅 求 皿旺f 喀 C l Z 大 且回流区分布范围较广 所以燃油蒸气热利用率 较高 S o o t 的生成量相对较少 同时其燃烧后期的放 热量和平均温度相对较高 使得生成的S o o t 在燃烧 后期被氧化掉一部分 所以降低了方案3 的S o o t 排放 5 3 性能分析 本文针对不同喷孔方案的性能进行定性分析 为了便于比较不同方案的经济性与动力性 此处引 入两个无量纲参数r B S F C 和 e r 定义如下 一B S F C 一p o w e r r B S F C 瓯 2 p o w e r 0 式中 B S F C 为模拟计算得到的油耗值 B S F C 为试 验发动机实测油耗值 p o w e r 为模拟计算得到的指 示功率值 p o w e r 为试验发动机的指示功率值 各 方案的r B S F 和r p o w 如表3 所示 从表中可以分析 3 个喷孑L 方案中 方案1 方案2 和方案3 的r B S F 值 相同 但是方案3 的r p o w e 值最大 方案1 的钿 值 次之 方案2 的 值最小 说明方案3 的动力性 最好 表3 不同方案的经济性和动力性对比 方案r B S F C r 口o w e r 11 0 2 30 9 5 4 21 0 2 30 9 4 1 31 0 2 30 9 6 3 综上所述 方案3 的S o o t 质量分数为最小 N O 的质量分数居中 所以综合考虑经济性 动力性和环 保性 在本文的计算方案中 方案3 为最优的喷孔 方案 6 结论 1 喷油初期 较大孔径的喷孔使得喷射雾化 的液滴直径较大 液滴的贯穿速度和蒸发速度相对 较慢 雾化锥射程较短 燃空当量比分布范围较小 燃烧初期温度略低 从而可以降低压力升高率和最 高燃烧温度 对于抑制N 0 的生成是有利的 2 孔径较小的喷孑L 雾化后的粒径较细 燃油 液滴蒸发速度快且燃油蒸气分布均匀 使得燃烧充 分 最高燃烧温度较高 导致N O 的生成较大 3 在共轨压力 循环喷油量和喷孔孔数一定 的情况下 喷孑L 总截面积较小的喷孔喷射出的燃油 液滴速度较快 油束周围形成的回流区也较强 能够 增强燃油蒸气卷吸能力 提高空气利用率和燃油蒸 气热量利用率 可以降低S o o t 的生成量 4 综合考虑经济性 动力性和环保性 在本文 计算的3 个方案中 方案3 为最优喷孑L 方案 即喷孑L 数 孔径x 喷孑L 夹角为8 0 3 7 m m 1 5 0 参考文献 1 S e n g h a a sC O l a vA M a t t h ia ss e ta 1 A d v a n ce dt e ch n o l o g yf o r H F Oin j e ct io ns y s t e m sd e v e l o