張 磊， 蘇鐵熊,， 馮云鵬， 馬富康， 張艷崗， 王 子

(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， 山西 大同 037000)

隨著能源危機和環(huán)境污染的日益嚴重， 雙對置二沖程柴油機由于其高效、高功率密度、高平衡性、低排放等優(yōu)點， 引起了眾多研究者的關注. 國內外針對雙對置二沖程柴油機的研究工作已經廣泛展開[1-3].

雙對置二沖程柴油發(fā)動機采用對置活塞、對置氣缸二沖程的結構. 由于其活塞相對運動， 采用側面噴油結構——兩個噴油器沿氣缸徑向方向成180°夾角布置在氣缸壁上[4]. 對于雙對置二沖程柴油機， 缸內渦流運動直接作用在側面噴油嘴上， 容易引起噴霧軌跡偏差， 進而導致油滴在氣缸內的運動、混合方式與傳統(tǒng)發(fā)動機相比存在較大的差別. 同時由于氣缸壁附近渦流比較大， 造成噴孔附近氣流速度快、空氣密度大， 不利于缸內油氣混合. 再者， 與傳統(tǒng)四沖程柴油機相比， 雙對置二沖程柴油機的活塞相對運動速度是其2倍， 導致油氣混合條件更加嚴苛[5,6]. 因此， 改善缸內油氣混合是提高雙對置二沖程柴油機性能的重要途徑之一. D’Ambrosio[7]等指出預噴策略可以通過提高缸內溫度來促進缸內油氣混合過程. Park[8]等研究發(fā)現噴油間隔對柴油機性能有顯著的影響. 李向榮[9,10]等指出減小噴油間隔以有效的提高缸內空間和缸內熱氛圍的利用率， 提高發(fā)動機性能， 同時降低soot排放， 但導致NOx排放升高. Cung[11]等研究表明： 恰當的噴油間隔可以有效地促進主噴燃油噴射距離和燃油蒸發(fā)， 促進混合氣的形成， 降低缸內污染物排放. 目前， 預噴策略對發(fā)動機的工作過程的影響多以傳統(tǒng)發(fā)動機為主， 而對于預噴策略在雙對置二沖程柴油機的研究與應用中鮮有報道.

綜上所述， 本文通過仿真分析噴油間隔對雙對置二沖程柴油機混合及燃燒過程的影響， 得到噴油間隔對燃燒過程的影響規(guī)律.

1 仿真方案設計

1.1 研究對象及計算模型

圖 1 OPOC柴油機結構示意圖Fig.1 Concept of opposed-piston, opposed-cylinder (OPOC) diesel engine

試驗用機為雙對置二沖程柴油機， 布置在發(fā)動機中間的曲軸通過相應的曲柄連桿機構控制氣缸內的一對活塞運動(見圖 1)， 柴油機缸徑為110 mm， 兩個活塞的幾何行程為160 mm， 有效壓縮比為21， 活塞運動過程中氣缸容積最小時對應的曲軸轉角稱為內容積止點(180°CA， TDC)， 氣缸容積最大時對應的曲軸轉角稱為外容積止點(BDC). OPOC樣機采用2個噴油器呈180°分布側向布置在氣缸壁上， 每個噴油器上有3個噴孔呈扇形分布， 噴孔直徑為0.22 mm， 如圖 2 所示. 噴油提前角為15 deg ATDC， 噴油持續(xù)期20 deg曲軸轉角， 2個噴油器噴油分配比例為1∶1， 單缸循環(huán)總噴油量為90 mg， 噴油壓力為140 MPa. 發(fā)動機標定工況轉速為3 600 r/min.

圖 2 OPOC燃燒室與噴嘴位置示意圖Fig.2 OPOC diesel engine combustion and chamber and injector postion

圖 3 CFD網格模型Fig.3 Computational domain of the simulation

利用AVL-FIRE建立了雙對置二沖程柴油機右側氣缸的工作過程的計算流體動力學(Computational fluid dynamics, CFD)仿真模型如圖 3 所示. 為了更精確計算， 模型考慮了整個換氣過程， 計算從掃氣口開啟開始至掃氣口再次開啟結束. 進、排氣道、氣缸網格分別為52,936; 56,65; 357,404如圖 3 所示. 湍流模型采用k-ε模型， 液滴破碎模型采用KH-RT模型， 液滴碰壁模型采用Walljet1模型， 燃油蒸發(fā)模型為Dukowicz模型， 燃燒模型采用shell自燃模型和三區(qū)擬序擴展火焰(ECFM-3Z)模型. 通過thermal NO和prompt NO原理預測NOx排放， 通過Hiroyasu model 預測碳煙排放.

1.2 計算模型的驗證

圖 4 為轉速2 500 r/min， 80%負荷工況下仿真計算的缸內壓力和放熱率與試驗值的對比. 從圖 4 中可以看出仿真值與試驗值能夠較好地吻合， 其中缸內最大爆發(fā)壓力最大誤差不大于5%. 因此， 所建仿真模型可以進行高原環(huán)境下的OPOC柴油機燃燒過程仿真計算.

圖 4 缸內壓力和放熱率與實驗值對比曲線Fig.4 Comparison of calculated and measured in-cylinder pressure and heat release rate

1.3 預噴策略方案設置

圖 5 為預噴策略示意圖， 其中預噴正時和主噴正時分別指預噴和主噴開啟電信號所對應的曲軸轉角；mp是預噴燃油質量，mm是主噴燃油質量， 且mp

圖 5 多次噴油策略示意圖Fig.5 Multiply injection strategy

方案噴油量/mg4.2mg+79.8mg噴油正時/(deg)ATDC-65deg+ATDC-15degATDC-55deg+ATDC-15degATDC-45deg+ATDC-15degATDC-35deg+ATDC-15degATDC-25deg+ATDC-15deg

2 計算結果及分析

2.1 噴油間隔對湍流混合速度和速度場的影響

圖 6 噴油間隔對湍流混合速率的影響Fig.6 The effect of injection interval on the turbulence mixing rate

油氣混合過程對缸內燃燒和發(fā)動機性能有著重要的影響. 因此， 本文引入湍流混合速率表示缸內油氣混合過程， 湍流混合速率為同一曲軸轉角下， 平均湍流動能耗散率與平均湍流動能之比[5]. 圖 6 和圖 7 分別為不同預噴量對缸內湍流混合速率， 及速度場的影響. 圖 6 為不同噴油正時對缸內湍流混合速率的影響. 如圖 6 所示， 噴油間隔對預噴燃油的混合速率影響不明顯； 隨著曲軸轉角的變化， 噴油間隔10 deg 噴油策略的缸內湍流混合速率逐漸增大， 混合速率超過其他4種噴油策略， 這是因為預噴正時滯后， 導致預噴燃油在噴嘴附近燃燒， 噴嘴附近溫度升高， 促進主噴燃油油滴運動、霧化及蒸發(fā). 噴油間隔增大， 預噴正時提前， 使預噴燃油遠離噴嘴， 對主噴的促進作用逐漸減小， 因此缸內油氣混合速率的變化呈現先快后慢的趨勢， 其中噴油間隔大于30 deg的預噴策略缸內油氣混合速率基本一致； 噴油間隔減小， 導致主噴階段初期噴嘴附近燃油濃度過高， 抑制燃油混合速率， 但隨著曲軸變化， 噴嘴附近溫度升高， 缸內油氣混合速率呈現出先慢后快的趨勢. 圖 7 為曲軸轉角為-6 deg ATDC ， 不同噴油間隔對缸內速度場的影響， 如圖 7 所示， 小噴油間隔可以有效促進湍流和渦流的形成.

圖 7 噴油間隔對速度場的影響Fig.7 The effect of injection interval on velocity fields

2.2 預噴正時對缸內壓力、溫度及放熱率的影響

圖 8 不同噴油間隔策略對缸內平均壓力的影響Fig.8 The effect of injection interval on the in-cylinder pressure

圖 8 為不同噴油間隔對缸內平均壓力的影響. 噴油間隔為10 deg的缸內平均最大壓力為18.3 MPa. 噴油間隔為20 deg的缸內平均最大壓力為19.1 MPa. 噴油間隔為30 deg的內平均最大壓力為18.9 MPa. 噴油間隔為40 deg的缸內平均最大壓力為19 MPa. 噴油間隔為50 deg的缸內平均最大壓力為19.05 MPa. 研究表明： 不同噴油間隔影響缸內壓力的變化， 其中噴油間隔為20 deg的預噴策略缸內最高平均壓力最大.

不同噴油間隔對放熱率的影響如圖 9 所示： 隨著噴油間隔的減小， 預噴燃油的預混燃燒峰值向右移動， 且預噴燃油的擴散燃燒逐漸減小， 甚至當噴油間隔為10 deg時， 預噴燃油的預混燃燒消失. 隨著曲軸轉角變化， 噴油間隔對主噴燃油放熱率的影響為： 噴油間隔為10 deg的預混燃燒峰值為86.4 J/deg， 出現在-7.6 deg； 噴油間隔為20 deg的預混燃燒峰值為205.6 J/deg， 出現在-5.5 deg； 噴油間隔為30 deg的預混燃燒峰值為384.5 J/deg， 出現在-3.4 deg； 噴油間隔為40 deg的預混燃燒峰值為468 J/deg， 出現在-3 deg； 噴油間隔為50 deg的預混燃燒峰值為502 J/deg， 出現在-2.3 deg. 研究表明噴油間隔不僅影響預混燃燒， 同時也影響預混燃燒峰值對應的時刻增加， 其中噴油間隔50 deg主噴預混燃燒放熱率最大.

不同噴油間隔對溫度的影響如圖 10 所示： 各噴油間隔的預噴策略缸內平均溫度的總體趨勢一致. 但從曲軸轉角-10 deg到-2 deg缸內溫度隨著噴油間隔變化有所不同， 其中噴油間隔為10 deg的缸內平均溫度呈現先增后減的趨勢， 如圖 10 所示.

圖 9 不同預噴量策略對放熱率的影響Fig.9 The effect of injection interval on the heat release rate

圖 10 不同噴油間隔對溫度的影響Fig.10 The effect of injection interval on the in-cylinder temperature

2.3 預噴正時對燃燒過程的影響

為了研究噴油間隔對燃燒過程的影響， 本文引入滯燃期、燃燒持續(xù)期以及燃燒重心C50(累積放熱量達到總放熱量50%的時刻) 3 個參數. 其中點火延遲為主噴燃油開啟到燃燒始點C5(累積放熱量達到總放熱量5%的時刻)之間的曲軸轉角， 燃燒持續(xù)期為燃燒終點C90(累積放熱量達到總放熱量90%的時刻)到燃燒始點之間的時間. 不同噴油間隔對點火延遲和燃燒持續(xù)期的影響如圖 11 所示： 隨著噴油間隔增加， 點火延遲增長， 但燃燒持續(xù)期縮短， 這是因為大噴油間隔策略對主噴燃油促進作用較小， 導致點火延遲增長， 較長的主噴燃油預混階段， 形成較多燃混合氣， 導致預混燃燒放熱率峰值升高， 同時擴散燃燒階段縮短如圖9所示， 因此燃燒持續(xù)期縮短， 燃燒重心C50提前， 如表 2 所示.

表 2 不同噴油間隔對燃燒重心的影響

圖 11 不同噴油間隔對滯燃期和燃燒持續(xù)期的影響Fig.11 The effect of injection interval on the ignite delay and combustion duration

圖 12 不同噴油間隔對NOx和Soot排放的影響Fig.12 The effect of injection interval on the emission of NOx and soot

2.4 預噴正時對排放的影響

不同噴油間隔對NOx和Soot排放的影響如圖 12 所示： 隨著間隔增加， 缸內NOx排放量呈現先增加后減小的趨勢， 而Soot排放量與之相反. 這是因為隨著噴油間隔減小， 預噴燃油對主噴燃油的促進作用增強， 然而噴油間隔過小導致油氣混合惡化， 缸內燃燒惡化， 導致Soot排放增高， NOx排放減少;噴油間隔過大， 預噴燃油對主噴燃油促進作用消失， 導致缸內油氣混合質量較差， soot排放增加， 與此同時， 預噴燃油燃燒消耗了部分氧氣， 生成少量水和CO2， 導致缸內熱容升高， 抑制了NOx的生成.

3 結 論

1) 不同噴油間隔對主噴燃油油氣混合速率影響不同， 小噴油間隔更有利于提高缸內油氣混合速率.

2) 不同噴油間隔對OPOC發(fā)動機缸內壓力和平均溫度影響不同， 隨著噴油間隔增大缸內壓力和缸內平均溫度都升高.

3) 噴油間隔對OPOC發(fā)動機排放有明顯影響， 隨著噴油間隔的增大， NOx呈現先增大后減小的趨勢， Soot呈現先減小后增大大的趨勢.

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