张卫正,刘 晓,向长虎,原彦鹏

(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京 100081)

前言

柴油机缸盖鼻梁区历来是燃烧室受热件中热负荷最高的区域之一,在高强化柴油机中尤为突出[1]。有关降低缸盖热负荷的现有研究中,大多数都是从缸盖冷侧散热的角度,而很少从热侧传热的角度展开研究[2-4]。基于“开源节流”的思想,如果能够控制高温工质对缸盖火力面的传热热流,就能够达到“节流”的效果。根据壁面传热的局部模型[5],壁面接收的热流主要受到缸内工质的湍流动能和工质与壁面的温差等因素影响。因此,若能减小缸盖火力面附近工质的湍流动能,或使缸内的高温区远离火力面,即可有效降低缸盖的热负荷。而改变油束与缸盖火力面的相对位置即可改变高压喷射对火力面附近湍流动能的影响,同时会改变高温区的位置,进而影响缸盖的传热和热负荷。

1 计算模型

根据高强化柴油机的技术特点[6],对缸径109mm、行程107mm、压缩比14.8、转速4 250r/min、升功率92kW/L的单缸高强化柴油机进行研究,其中喷油器采用10个0.21mm的喷孔。

从缸内传热角度研究全负荷工况下(单缸每循环喷油158mg)缸盖的热负荷时,缸内流动和燃烧过程等的模拟在专业的发动机仿真软件AVL-Fire中进行,燃烧室三维模型的半剖形状如图 1所示。根据文献[7]中用到的 CFD仿真原则,整个模型壁面划分了一层 0.4mm左右的边界层以满足壁面函数法计算的要求。为了具体分析缸盖火力面不同位置的热流状况等,选取气缸中心线附近、缸盖鼻梁区附近和活塞收口处正上方的3个特征点 T1、T2和 T3。

缸内湍流流动模拟采用雷诺应力模型,近壁处理采用双层壁函数法,着火方式为多点着火的压燃着火模型,燃烧过程采用了涡破碎模型,喷油过程中的湍流传播、颗粒相互作用、壁面作用、燃油蒸发和油滴破碎等分别采用了O_Rourke模型、Schmidt模型、Walljet1模型、Dukowicz模型和Wave模型,相关模型参数参考文献[8]等的研究成果。壁面对流传热计算采用Han-Reitz模型,以考虑近壁密度变化等对传热的影响。

仿真中壁面采用温度边界条件,温度取值借鉴了文献[1]和[9]的部分研究成果,其中缸盖和活塞顶分区域加载不同的温度,而缸套由于温度变化很大而施加了随时间变化的温度边界条件。软件中的热流计算相关参数取贴壁第一层网格内的数据。

2 喷雾射流对对流传热的影响

AVL-Fire中用到的Han-Reitz传热模型为[5]

式中:qc为对流传热密度,W/m2;ρ为工质密度, kg/m3;cp为比定压热容,J/(kg·K);u*为摩擦速度;Tg和Tw分别是缸内工质和壁面的温度,K;y+为无量纲距离;G为能量源项,W/m3;ν为工质运动黏度,m2/s。

模型中的摩擦速度根据湍流动能求得[5]

式中:cD为常数,cD=0.09;k为湍流动能,m2/s2。

结合两个公式可知,缸内对流传热主要受到壁面附近的湍流动能、工质与壁面的温差等影响。

喷油过程中,喷孔出口的喷油速度为[10]

式中:vf为喷油速度,m/s;pf为喷油压力,Pa;p为喷油背压(缸压),Pa;ρf为燃油密度,kg/m3。

高强化柴油机中喷射压力高达180MPa,考虑到流通系数的影响,喷油速度仍会超过 400m/s。同时,油束附近区域往往也是缸内工质的高温区,喷孔到缸盖火力面的距离一般约为3mm,因此,喷雾射流引起的强湍流和高温度对缸盖火力面的对流传热影响可见一斑。

喷雾射流主要直接受喷孔夹角、喷孔位置和喷雾锥角 3个参数的影响,因此文中主要研究这 3个参数。高强化柴油机中的原型参数分别是喷孔夹角160°、喷孔出口截面中心突出缸盖火力面 2.6mm和喷雾锥角 10°。在对比研究中,分析了喷孔夹角150°、155°和 160°,喷孔位置 2.6、4和 5mm,喷雾锥角 4°、10°和 16°等,其它参数完全相同。

如果不考虑缸盖火力面冷侧冷却水温的变化,则缸盖火力面的温度仅受热侧高温燃气的影响,热侧的加热热流大小直接决定了缸盖火力面的温度。因此,考查改善效果的标准是在不显著影响燃烧效率和活塞最高热负荷的前提下,降低缸盖火力面的热流,并尽量使热流均匀分布。

3 喷孔夹角

随着喷孔夹角的增大,油束以喷孔出口为旋转轴朝靠近缸盖的方向旋转,气缸中心线附近空气利用率下降、外围空气利用率上升,缸内的强湍流区和高温区更接近缸盖火力面,从而引起燃烧效率的改变和缸盖火力面传热量的增加。但是,喷孔夹角过小又会导致燃油集中喷在活塞沉坑内,使活塞沉坑内空气利用率提高、气缸外围的空气利用率降低。因此为了保证燃烧效率,需兼顾中心部位和外围的空气利用率,喷孔夹角要折中选择。图 2为不同喷孔夹角下缸内局部湍流动能和局部温度在不同曲轴转角时的分布情况。可以看出,随着喷孔夹角的增大,强湍流区和高温区都向缸盖火力面靠近,同时缸盖火力面的约束使得湍流强度有减弱的趋势。

图3为喷孔夹角 150°、155°和 160°时缸盖火力面的局部热流分布。从循环平均热流密度看,随着喷孔夹角的增大,除了 T2处鼻梁区的热流密度大幅度增加外,其它部位的热流变化不大,但热流密度的增加幅度有不断变大的趋势。结合图 2可以发现,喷孔夹角从 150°增至 155°时,强湍流区和高温区虽然更靠近缸盖火力面,但高温区的边缘仍稍远离火力面,因此火力面的热流增加幅度不太大。T3处受活塞收口处挤流和逆挤流作用,燃油雾化和燃烧状况都较好,因此仍然是热流密度最高点。喷孔夹角继续增加至 160°后,高温区完全贴近了缸盖火力面,因此火力面热流迅速增加。此时,T2处的鼻梁区几乎处于高温区的中心,因此该处热流大幅度攀升,并超过T3处成为热流最大处。

从图 3中的热流密度峰值看,喷孔夹角增大后, T1处气缸中部的热流峰值反而有所降低,这是由于油束与缸盖火力面接近后,受到壁面约束,左右火力面一侧的喷雾锥受到影响,雾化质量下降,燃烧变差。T3处则因外围空气利用率上升,燃烧状况稍有改善,壁面的对流传热稍有增加。

总体看来,喷孔夹角为 155°时缸盖火力面的热流分布较为均匀。另外,喷孔夹角增大时,油束由射向活塞沉坑侧壁下部变为上部、甚至是活塞顶,因此活塞沉坑处热负荷降低、活塞顶热负荷增加。仿真结果显示,喷孔夹角从 150°增至 155°和 160°时,活塞上最大热流密度始终在活塞收口处,其循环平均热流从1.47MW/m2分别提高了7.8%和10.3%;活塞沉坑底部各处的循环平均热流则有10%～20%的降低。

仿真的燃烧效率变化规律和文献[11]的实验结果吻合,在喷孔夹角从 150°增至 155°时累积放热量从6 288J增加了4%,喷孔夹角继续增至 160°时累积放热量则反而下降了 0.5%,因此 155°左右为最佳喷孔夹角,此时燃烧效率最高。

由此可见,在高强化柴油机中,较大的喷孔夹角有利于燃烧,但是较小的喷孔夹角有利于降低缸盖的热负荷;喷孔夹角 155°左右时燃烧效率最高而缸盖热负荷不太大,是比较理想的喷孔夹角。

4 喷孔位置

这里的喷孔位置特指喷孔出口截面中心突出缸盖火力面的距离(以下简称突出距离)。当突出距离减小时,油束沿气缸中心线朝靠近缸盖的方向平移,缸盖因高温区靠近而具有更高的热负荷。此距离过大时会使燃油大量喷在活塞沉坑内,影响燃烧效率和活塞热负荷。限于篇幅,后续分析中不再列出类似图 2的三维分析结果。

图4为不同突出距离时缸盖火力面的局部热流分布。随着突出距离的减小,由于高温区明显靠近缸盖火力面,会使火力面的热流整体提高,尤其是气缸中心部位。突出距离从 5mm减小约一半时,T2处鼻梁区的循环平均热流密度和热流密度峰值都提高了两倍而成为最高热流处;受高压喷射的影响,气缸中心部位的空气利用率不高,因此 T1处热流的增加幅度比 T2处小,但峰值也提高了近一倍,循环平均热流提高了50%以上。只有热流始终很高的 T3处增幅较小。

突出距离由5变为4和2.6mm时,活塞最大热流密度处的循环平均值从 1.57MW/m2分别提高了3.7%和 3.1%,这应该归功于燃烧效率的提高,因为在此变化中累积放热量由6 302J分别提高3.8%和3.3%,也就是说,喷孔位置距火力面较近有利于提高燃烧效率,但同时会增加缸盖和活塞的热负荷。另外,喷孔夹角和喷孔出口的突出距离对缸内燃烧和受热件的热负荷的影响不是简单的叠加关系,须综合考虑。

5 喷雾锥角

通过改变喷孔形状和喷射压力等,可以改变喷雾锥角。喷雾锥角增加有利于油气混合,但会缩短油束射程,降低气缸外围的空气利用率。

图5为不同喷雾锥角时缸盖火力面的局部热流分布。可以看出,喷雾锥角从 4°增至 16°的过程中,由于射程缩短,同时油气混合更好,气缸中部的燃油量增加,因此距气缸中心线较近的 T1和 T2处热流大幅增加,增幅分别接近50%和30%;活塞收口正上方的T3处热流则稍有下降。

喷雾锥角从 4°增至 10°和 16°时,累积放热量由6 384J分别下降了5.1%和9.7%;活塞最大热流密度处的循环平均值则从1.57MW/m2分别降低了9.3%和20.5%。可见,喷雾锥角增加虽能有效降低活塞的最大热流,但同时会大大提高缸盖的热负荷。

6 结论

通过对高强化柴油机的三维仿真研究了喷雾射流对缸盖热负荷状况的影响规律如下。

(1)通过改变喷雾射流的参数,如喷孔夹角、喷孔位置(即出口突出距离)和喷雾锥角,可以有效改善缸盖热负荷。

(2)较大的喷孔夹角有利于燃烧但不利于降低缸盖热负荷;155°左右为最佳值,使得燃烧效率改善的同时缸盖热负荷不会显著提高。

(3)减小喷孔出口突出距离,有利于提高燃烧效率,但会同时增加缸盖和活塞的热负荷。与喷孔夹角二者须综合考虑,相互配合使用。

(4)喷雾锥角增大虽能改善活塞的热负荷,但会大幅度增加缸盖的热负荷,尤其会增加鼻梁区等危险部位的热负荷。

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