馮譯方, 謝 輝, 陳 韜, 趙 華
(天津大學 內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室, 天津 300072)
作為汽車的主要動力源之一,汽油發(fā)動機具有動力響應(yīng)性好、升功率高、成本低等優(yōu)點,但是其燃油經(jīng)濟性受到汽油特性的限制,相比柴油機要低20%~30%。針對該問題,學界提出火花點火-可控自燃復合燃燒(Spark ignition-Controlled auto-ignition Hybrid Combution, SCHC)這一概念,將汽油和柴油發(fā)動機可控自燃(Controlled Auto-Ignition, CAI)的燃燒方式加以組合,不僅可以實現(xiàn)汽油機均質(zhì)壓燃,還可以通過火花點火的火焰?zhèn)鞑AI燃燒進行有效調(diào)控,減輕中高負荷下CAI燃燒的爆震問題,拓寬CAI燃燒的運行極限。但是,隨著研究的深入,SCHC燃燒暴露出高廢氣率條件下的平均指示有效壓力(Indicated Mean Effective Pressure,IMEP)循環(huán)變動以及可控性差等問題[1-2]。研究表明,缸內(nèi)湍流對初期的火核形成及火焰?zhèn)鞑テ鸬街匾饔茫徽J為是引起循環(huán)變動的重要原因之一[3-4]。為解決該問題,本課題組提出二甲醚(Dimethyl ether, DME)微火源引燃復合燃燒概念[5],利用高活性燃料二甲醚自燃形成高活性燃料分層,形成微火源并引燃油氣混合氣進而引發(fā)后期自燃。微火源可以增強高廢氣稀釋條件下火核形成及前期火焰?zhèn)鞑ミ^程,提高燃燒穩(wěn)定性,從而實現(xiàn)發(fā)動機熱效率的提高。
韓國漢陽大學Junepyo Cha等[6]對比了DME-汽油雙燃料與DME單燃料下可控自燃(CAI)燃燒過程。結(jié)果表明,DME噴射時刻可以直接控制著火時刻,當著火時刻在上止點之前時,采用DME-汽油雙燃料具有更好的經(jīng)濟性。Brunel大學的Zhang等[7]在一臺單缸汽油機上同樣利用DME-汽油雙燃料噴射技術(shù)實現(xiàn)了CAI燃燒。研究結(jié)果表明,不同的DME噴射策略下的燃燒特征呈現(xiàn)較大差異。當DME單次早噴時,DME在氣缸內(nèi)與汽油混合氣混合較為均勻,因此整缸混合氣活性分布較為一致,燃燒過程呈現(xiàn)CAI燃燒特征;而當DME單次晚噴時,燃燒過程呈現(xiàn)火焰?zhèn)鞑サ奶卣鳌P炜礫8]在單缸光學發(fā)動機上開展了DME微火源引燃復合燃燒的可視化實驗。結(jié)果表明,微火源的分布受DME分布影響。微火源引燃復合燃燒的初始反應(yīng)區(qū)位置(微火源)呈現(xiàn)集中分布的特征。但是,已有的實驗研究對高活性燃料DME在發(fā)動機缸內(nèi)這一受限空間受流動影響的擴散和分布機制尚不明確,僅通過實驗研究無法對缸內(nèi)微火源產(chǎn)生及引燃汽油的作用機制進行解釋。因此,需要通過實驗結(jié)合仿真手段對實驗現(xiàn)象中的燃燒過程進行分析。
本文基于光學發(fā)動機平臺,通過粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry, PIV)手段探究微火源引燃特征最為明顯的單次晚噴工況下缸內(nèi)流場分布,并對其成因進行分析。通過Rayleigh散射測量缸內(nèi)DME分布,研究缸內(nèi)復雜的流動條件對DME活性分布的影響。同時,通過高速攝影結(jié)合三維計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真手段對DME分布及流動特征對燃燒放熱過程影響的機理進行解釋。
實驗均在單缸可視化光學發(fā)動機實驗平臺上完成。光學發(fā)動機實驗平臺系統(tǒng)如圖1所示,其中可視化窗口的直徑為71mm。在光學測量系統(tǒng)方面,配備4倍頻高能釔鋁石榴石Nd:YAG (Neodymium-Yttrium-Aluminium Garnet)激光器、雙脈沖532nm波長的Nd:YAG激光器、增強型光電耦合探測器(Intensified Charge-Coupled Device,ICCD)和高速攝影機。光學發(fā)動機主要參數(shù)如表1所示。發(fā)動機采用的進氣道及燃燒室設(shè)計可以使進氣在缸內(nèi)形成渦核,從而增強缸內(nèi)渦流運動。發(fā)動機配備了不同升程和持續(xù)期的凸輪軸系,可以根據(jù)實驗需求靈活調(diào)整進排氣升程,并通過機械錯齒改變氣門相位。由于光學發(fā)動機較低的壓縮比,采用辛烷值較高的汽油燃料難以在光學發(fā)動機上實現(xiàn)混合氣自燃,因此,實驗中采用的氣道噴射燃料為辛烷值較低的基礎(chǔ)燃料(Primary Reference Fuel,PRF)PRF40(PRF40表示在基礎(chǔ)燃料中,異辛烷的占比為40%,余數(shù)為正庚烷的比重)。
圖1 光學發(fā)動機臺架系統(tǒng)示意圖Fig.1 Scheme of experimental setup for the optical engine
表1 光學發(fā)動機主要參數(shù)Table 1 Specifications of the optical engine
由于DME微火源引燃要求較低的DME循環(huán)噴射量,因此DME油軌內(nèi)壓力不宜過高。綜合考慮涉及工況點的DME噴射背壓,在實驗中,DME共軌壓力保持為4MPa。DME直噴噴油器采用的是6孔直噴汽油機噴油器,單個噴孔直徑為0.2mm,該噴油器采用側(cè)置式布置方案安裝于進氣道的正下方,噴油器軸線與氣缸橫截面呈15°夾角。
由于光學發(fā)動機較短的運行時間,常規(guī)的外部廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation, EGR)系統(tǒng)難以從排氣中將廢氣引入進氣系統(tǒng)中。因此,實驗中使用氮氣(N2)和二氧化碳(CO2)按照一定比例混合來模擬外部EGR。其中,N2和CO2的比例根據(jù)實驗中所采用的燃料化學式,在當量燃空比和完全燃燒的假設(shè)下計算得出。雖然在模擬的外部EGR中不包含燃燒產(chǎn)物H2O,且完全燃燒的假設(shè)也忽略了外部EGR中微量活性小分子物質(zhì)的存在(這會對結(jié)果產(chǎn)生一定的影響),但是,本課題組之前的燃燒采樣分析結(jié)果顯示[9],外部EGR中小分子組分的變化對燃燒相位并無顯著影響。因此,實驗中對模擬外部EGR組分的簡化假設(shè)并不會對結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。
使用由美國Convergent Science公司開發(fā)的計算流體力學軟件Converge構(gòu)建了發(fā)動機三維模型,如圖2所示(圖中A,B為截面位置)。其中,發(fā)動機內(nèi)流場包含燃燒室和進、排氣道等區(qū)域。計算起始時間為進氣門開啟前10°曲軸轉(zhuǎn)角(Crank Angle,后文均以°CA表示),計算結(jié)束時間為放熱終止時刻(壓縮上止點后40°CA)。在整個計算過程中,最大網(wǎng)格尺寸為基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸4mm,最小網(wǎng)格尺寸為自適應(yīng)網(wǎng)格加密極值0.125mm,網(wǎng)格數(shù)量為120~440萬。
圖2 發(fā)動機幾何模型Fig.2 Engine geometry model
在模擬缸內(nèi)直噴DME過程時,為了更好地模擬液滴撞壁現(xiàn)象,采用Wall Film[10]模型,該模型可模擬燃油撞壁后的黏附、反彈、攤布和飛濺等現(xiàn)象;液滴之間的相互作用采用NTC Collision模型[11]進行模擬;使用KH-RT Breakup Length模型[12]可以較好地模擬液滴的霧化破碎過程,其優(yōu)勢在于可以較準確地預(yù)測油束的貫穿度;而Frossling Drop Evaporation模型耦合Boiling模型[13]的使用可以準確模擬DME的蒸發(fā)過程。為驗證所選用模型的準確性,基于定容彈實驗平臺對噴霧模型進行了標定。實驗與仿真貫穿距測量驗證結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明:采用的DME噴霧和蒸發(fā)模型噴霧貫穿距、噴霧形態(tài)及錐角能夠較好地模擬DME的發(fā)展情況,滿足本文研究的需求。
圖3 噴霧模型貫穿距驗證
Fig.3Validationofspraypenetrationlengthbetweensimulationandexperiments
在DME-PRF復合燃燒的化學反應(yīng)動力學機理方面,基于Cai和Pitsch等[14]構(gòu)建的PRF機理和Burke等[15]構(gòu)建的DME化學反應(yīng)動力學機理,構(gòu)建了包含348種組分和1125步反應(yīng)的DME-PRF詳細化學反應(yīng)動力學機理,并基于雅可比輔助的直接關(guān)系圖(Direct Relation Graph with Error Propagation, DRGEP)方法[16-17],結(jié)合目標檢索算法(Targeted Search Algorithm, TSA)、準穩(wěn)態(tài)假設(shè)(Quasi-Steady State Assumption, QSSA)和氫離子敏感性分析對反應(yīng)機理進行了簡化,構(gòu)建包括了143種組分、729步反應(yīng)的DME-PRF骨架反應(yīng)機理。詳細機理的點火延遲和火焰?zhèn)鞑ニ俣热鐖D4所示(相關(guān)信息請參考文獻[21-26]),詳細機理與骨架機理的對比如圖5所示。結(jié)果表明,構(gòu)建的DME-PRF機理與實驗驗證結(jié)果吻合較好,可以用于本文所進行的CFD仿真研究。
針對發(fā)動機燃燒室內(nèi)的復雜流動條件,采用LaVison開發(fā)的FlowMaster PIV系統(tǒng)測量缸內(nèi)流動特征,如圖6所示。該系統(tǒng)以2臺SOLO120 Nd:YAG激光器作為光源,以Laskin噴霧器將癸二酸二異辛酯溶液以300~500kPa的噴射壓力噴入氣流中。采用CCD照相機作為傳感器進行圖像采集,并使用DaVis 7.2軟件進行圖像處理。根據(jù)之前的研究結(jié)果[18],選取上止點前20°曲軸轉(zhuǎn)角(Crank Angle Before Top Dead Center, °CA BTDC)作為測量時刻,此時缸內(nèi)流場分布會對DME噴霧擴散及后續(xù)的燃燒過程產(chǎn)生顯著影響,且在該時刻活塞上行對測量沒有影響。
(a)
(b)
(c)
(d)
圖4 詳細化學反應(yīng)動力學機理著火延遲與層流火焰?zhèn)鞑ニ俣闰炞C
Fig.4Validationofauto-ignitiondelaytimeandlaminarflamespeedsbetweenthe348-speciesdetailedmechanismandexperiments
除DME噴射外,本研究所采用的發(fā)動機運行工況與PIV實驗工況條件均一致,如表2所示。眾所周知,火花點火發(fā)動機的缸內(nèi)流動主要受進氣和壓縮過程中缸內(nèi)滾流的影響。為了更好地形成缸內(nèi)渦流,對采用的光學發(fā)動機進氣道及燃燒室進行了增強缸內(nèi)渦流的設(shè)計。隨著活塞上行,滾流在燃燒室及進氣的影響下逐漸轉(zhuǎn)化為渦流。實驗測量了100個循環(huán),圖7展示了其中的8個隨機循環(huán)的缸內(nèi)流場及其渦心分布,而圖8顯示了該工況下PIV測量獲得的100個循環(huán)的平均流場。缸內(nèi)流場從進氣側(cè)開始,向光學視窗的右上流動,并沿缸壁從窗口左側(cè)流出,以窗口中心偏左側(cè)為中心形成了渦流結(jié)構(gòu)。
(a)
(b)
(c)
圖5 骨架化學反應(yīng)動力學機理與詳細化學反應(yīng)動力學機理著火延遲與火焰?zhèn)鞑ニ俣葘Ρ?/p>
Fig.5Comparisonoflaminarflamespeedsbetween348-speciesdetailedand143-speciesskeletalmechanisms
圖6 PIV測量系統(tǒng)示意圖Fig.6 Scheme of the PIV system
表2 發(fā)動機運行工況Table 2 Engine operation setup
圖7 8個隨機循環(huán)的缸內(nèi)速度場結(jié)構(gòu)和渦心分布特征
Fig.7Randomselected8cyclesofin-cylindervelocityfieldstructureandvortexcenterdistribution
圖8 上止點前20°CA缸內(nèi)集總平均速度場(100個循環(huán))
Fig.8Ensembleaveragedin-cylindervelocityfieldat20°CABTDCinthestudiedDMEMFIcase(100cycles)
三維CFD仿真所得到的缸內(nèi)流場形成過程如圖9所示。進氣結(jié)束時刻(200°CA BTDC)缸內(nèi)主要流動形式為逆時針滾流,其滾流比為1.1。同時,在缸內(nèi)進排氣中軸線一側(cè)出現(xiàn)約4mm的渦流核心,該核心位置由進氣道及燃燒室形狀共同決定。隨著活塞運行,在燃燒室形狀的影響下,缸內(nèi)滾流逐漸減弱,滾流渦核逐漸消失,滾流在壁面和初始渦核引導下逐漸轉(zhuǎn)化為渦流,缸內(nèi)渦流比逐漸提升至0.8,形成以渦流為主的流動特征。
圖9 缸內(nèi)流動形成過程仿真結(jié)果Fig.9 The simulation of flow field development
針對所測得的PIV流動圖像及100個循環(huán)的平均流場,對缸內(nèi)流動的循環(huán)變動進行了分析。其中,通過計算每循環(huán)缸內(nèi)湍動能與平均流場的標準差來計算缸內(nèi)流場的循環(huán)變動(COV)。針對缸內(nèi)湍動能,首先通過二維快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FTT)將二維瞬時速度變換為空間頻率域,然后再將高于給定空間截止頻率的所有傅里葉系數(shù)設(shè)置為0后執(zhí)行逆FTT。截止頻率通過每個測量周期的速度波動分量的功率譜密度(Power Spectral Density, PSD)確定[19-20]。缸內(nèi)湍動能及其循環(huán)變動如表3所示。結(jié)果表明,低頻湍動能約占總湍動能的90%,此時缸內(nèi)渦流以大渦為主,同時伴隨著部分小尺度渦流在廢氣中耗散。結(jié)合PIV分析結(jié)果,高頻湍動能的循環(huán)變動表明缸內(nèi)湍流循環(huán)變動主要是由小尺度渦核位置的循環(huán)變動產(chǎn)生的。
表3 缸內(nèi)湍動能及其循環(huán)變動Table 3 Turbulent kinetic energy and COV in cylinder
缸內(nèi)DME分布及擴散過程受到流場的調(diào)控作用。由于實驗條件限制,無法在DME噴射時利用PIV手段測量缸內(nèi)流場。故通過Mie散射及Rayleigh散射對DME噴霧進行測量,并使用仿真手段解釋流動對DME分布的影響。其中,Mie散射是入射光波長遠小于測量介質(zhì)粒子直徑時出現(xiàn)的一種散射現(xiàn)象,主要用于測量液相噴霧形態(tài);而Rayleigh散射在前期液相Mie散射較強時被Mie散射所覆蓋,因此主要用于測量小液滴及氣相信號。圖10展示了噴霧發(fā)展歷程中50個循環(huán)的平均值。在噴射初期DME未完全霧化時,測量結(jié)果中會同時存在Rayleigh散射和Mie散射,但由于Mie散射信號較強,在直噴開始時刻后(After Start of Injection,ASOI)1.44°CA和2.16°CA的拍攝角度下,可能存在Rayleigh散射信號被Mie散射所掩蓋的情況。從圖中只能觀測到液相噴霧的形態(tài),而在2.88°CA ASOI時,由于DME迅速霧化,此時Mie散射信號大幅削弱,已經(jīng)能從圖中觀測到部分散射光信號由強至弱的過渡現(xiàn)象。在4.32°CA ASOI后(對應(yīng)圖7中的結(jié)果),散射光信號圖像中已經(jīng)觀測不到明顯的局部高亮度區(qū),而呈現(xiàn)連續(xù)的均勻過渡,表明此時DME已經(jīng)基本霧化完畢,Mie散射信號基本消失,此時測量平面內(nèi)采集到的是入射光在氣相的DME中產(chǎn)生的Rayleigh散射信號。
圖10 DME SOI 25°CA BTDC工況下噴霧發(fā)展歷程(50循環(huán)平均值)
Fig.10DMEspraydevelopmentwithDMESOI25°CABTDC(averagedover50cycles)
三維CFD仿真得到的5°CA ASOI缸內(nèi)DME分布及流場分布如圖11所示。其中缸內(nèi)整體流場形態(tài)仍為逆時針渦流,同時,在DME噴霧的影響下,大渦核心逐漸向氣缸的左側(cè)移動,使缸內(nèi)左側(cè)部分的流動增強。此時缸內(nèi)DME噴霧受到缸內(nèi)逆時針渦流影響而形成逆時針擴散,而缸內(nèi)渦核位置分布在DME噴霧外圍,影響DME邊緣的擴散及其濃度梯度,但不會對DME噴霧的整體形態(tài)產(chǎn)生影響。二者共同作用使DME移動到進排氣中軸線位置形成集聚型分布,此時集聚區(qū)域DME濃度與其他區(qū)域的比值為5∶1。
圖11 DME SOI 25°CA BTDC工況下噴霧發(fā)展歷程及流場仿真結(jié)果
Fig.11SimulationofDMEspraydevelopmentandflowfieldwithDMESOI25°CABTDC
在所選工況下,DME微火源引燃復合燃燒呈現(xiàn)多階段放熱的特征。圖12中展示了光學發(fā)動機實驗的100個循環(huán)平均缸壓、放熱率以及三維仿真獲得的缸壓、放熱率及缸內(nèi)溫度歷程數(shù)據(jù)。主燃燒放熱過程可分為3個主要階段。第一階段為劇烈放熱階段,燃燒放熱率在不到5°CA的時間內(nèi)超過30J/°CA;接下來的第二階段放熱率小幅下降并出現(xiàn)平臺期,持續(xù)時間略短于第一階段的快速放熱;而在主燃燒放熱的第三階段,放熱率曲線斜率猛增,缸內(nèi)出現(xiàn)迅猛的燃燒放熱反應(yīng),此時放熱達到峰值。通過多階段放熱,可以對缸內(nèi)燃燒的放熱率及最大壓升率進行調(diào)控,從而抑制燃燒過程中的爆震現(xiàn)象,提高缸內(nèi)燃燒的穩(wěn)定性。
為進一步了解DME、MFI復合燃燒的燃燒放熱過程,使用高速攝影采集的數(shù)據(jù)對放熱過程進行分析, 如圖13所示。由于其循環(huán)變動特征十分微弱,因此僅選擇其中一個循環(huán)的放熱過程進行分析。缸內(nèi)首次觀測到著火點的時刻為1.4°CA BTDC,初始自燃點首先出現(xiàn)在可視區(qū)域的中部偏左區(qū)域,但是該階段的自燃反應(yīng)強度較弱,并伴隨著較弱的自燃化學發(fā)光。隨后,自燃著火面積迅速擴大,逐漸向視窗的右下方發(fā)展。從0.7°CA ATDC之后,自燃著火的放熱逐漸減緩,此時從高速攝影的結(jié)果可以看出火焰鋒面正在逐漸成型,在2.2°CA ATDC時,已經(jīng)可以看到一個帶著明亮反應(yīng)鋒面的火焰結(jié)構(gòu)形成,并在接下來的一段時間內(nèi),火焰?zhèn)鞑ジ采w區(qū)域緩慢擴大,火焰鋒面的亮度也有一定程度的增加,但是由于較慢的火焰?zhèn)鞑ニ俣群突钊南滦?,導致了此階段燃燒放熱率的小幅度下降,放熱率出現(xiàn)平臺區(qū)域。在5.8°CA ATDC附近, 未燃區(qū)的PRF40燃料達到自燃條件,開始自燃。此時,圖中火焰鋒面外側(cè)(視窗右上角)出現(xiàn)了十分明亮的著火點,其亮度遠高于火焰?zhèn)鞑ジ采w的區(qū)域。隨后外圍的混合氣迅速自燃,并覆蓋幾乎整個火焰鋒面以外的區(qū)域。通過上述分析可知,DME微火源引燃復合燃燒的主放熱階段呈現(xiàn)自燃-火焰?zhèn)鞑?自燃的3階段順序放熱特征。
圖12 DME SOI 25°CA BTDC工況缸壓、放熱率及缸內(nèi)溫度歷程
Fig.12Pressure,heatreleaserateandtemperaturein-cylinderwithDMESOI25°CABTDC
三維CFD仿真獲得的缸內(nèi)DME分布及火焰鋒面的結(jié)果如圖14所示。其中以1000K等溫面來體現(xiàn)火焰鋒面發(fā)展過程。結(jié)果表明,在2°CA BTDC時,初始火核在缸內(nèi)高活性燃料DME集聚分布區(qū)域的中心產(chǎn)生,隨后向未燃區(qū)進行火焰?zhèn)鞑?,其初始自燃區(qū)域與DME集聚區(qū)域吻合??梢钥吹?,在2°CA ATDC時刻放熱量為總放熱量的37.5%,原高活性區(qū)域內(nèi)的DME幾乎已經(jīng)被完全消耗,高活性燃料DME自燃起到高能點火源的作用。隨后火焰向燃燒室外圍傳播,但傳播速度減緩,同時,火焰?zhèn)鞑ナ垢變?nèi)的溫度從850K提高到1250K。5°CA ATDC時刻,較高的缸內(nèi)溫度誘發(fā)了已燃反應(yīng)區(qū)外圍的自燃,形成如圖11所示的多階段放熱特征。
圖13 DME SOI 25°CA BTDC工況下同步采集的燃燒放熱高速攝影結(jié)果Fig.13 Synchronized heat release and high-speed imaging results with DME SOI 25°CA BTDC
圖14 DME SOI 25°CA BTDC工況下缸內(nèi)DME分布與火焰鋒面分布Fig.14 Simulation of the distribution of DME and flame frontal results with DME SOI 25°CA BTDC
根據(jù)前文分析可知,缸內(nèi)渦核位置會對DME集聚區(qū)域邊緣的濃度梯度產(chǎn)生影響,而隨著渦核位置接近DME集聚區(qū)域位置,DME分布區(qū)域邊緣流動增強,擴散更為充分,DME分布區(qū)域邊緣濃度梯度降低,使DME自燃-火焰?zhèn)鞑ミ@一轉(zhuǎn)換過程更加平順,從而穩(wěn)定復合燃燒過程。
基于光學可視化和計算流體力學仿真平臺,研究了缸內(nèi)湍流運動對DME微火源引燃高活性燃料分層及燃燒過程的影響,主要結(jié)論如下:
(1) 進氣結(jié)束時刻缸內(nèi)初始流場為滾流,滾流比為1.1,同時燃燒室和進氣道結(jié)構(gòu)的改變在缸內(nèi)產(chǎn)生了4mm的渦流渦核。隨著活塞移動,滾流在燃燒室形狀及渦流渦核的引導下逐漸轉(zhuǎn)化為渦流,渦流比為0.8,此時缸內(nèi)主要循環(huán)變動形式為渦核位置的循環(huán)變動。
(2) 在缸內(nèi)渦流作用下,DME噴霧隨流動向逆時針方向擴散,在進排氣軸線靠近進氣側(cè)分布,該區(qū)域DME濃度與其他區(qū)域比約為5∶1。此時缸內(nèi)渦核位置對DME分布區(qū)域邊緣的濃度梯度產(chǎn)生影響。
(3) 隨著活塞上行,DME活性濃區(qū)由于自燃需求較低而開始自燃,其放熱率在不到5°CA的時間內(nèi)超過30J/°CA,該自燃過程放熱占總熱值的37.5%,DME幾乎被完全消耗?;钚匀剂螪ME的自燃及火焰?zhèn)鞑ミ^程使缸內(nèi)溫度提高了400K,引發(fā)了缸內(nèi)未燃混合氣自燃。