张志清，谭东丽

(钦州学院,广西 钦州 535000)

0 引 言

面对日益严格的排放法规，优化柴油机的燃烧质量，降低污染物的排放成为各柴油机生产厂商和内燃机科研工作者的重点[1]。压缩比可以改变柴油机的循环热效率进而改变其动力性，同时压缩比的改变会影响上止点时刻缸内的温度，影响柴油机的排放性。郑建军等[2]应用BOSST软件对直喷天然气发动机进行仿真计算，研究了压缩比对充量系数、燃烧速率、热效率以及NOx排放的影响。马富康等[3]应用BOOST软件对WD615型柴油机进行整机仿真，定量研究了压缩比对换气过程、热力过程、燃烧品质的影响。以上文献研究均为一维过程，没有分析对燃烧本质的影响。本文采用三维CFD软件AVL_FIRE对3种不同压缩比下喷雾、燃烧过程进行仿真计算，通过对缸内温度场、浓度场、贯穿距以及油滴索特平均直径分析，研究3种不同压缩比对船用中速柴油机燃烧过程及排放的影响。

1 数学模型

本研究的湍流模型为k-ε双方程模型，通过求解湍流动能及耗散率的输运方程得出湍流运输系数[4]；为描述燃油的喷雾过程，燃油喷雾模型采用WAVE模型，该模型假设喷射的油滴与喷嘴喷孔的直径相同；燃油蒸发模型采用Dukowicz模型，该模型认为传热和传质是完全相似的过程；着火模型采用涡团破碎模型，该模型认为燃烧的速率完全由涡团的扩散率决定；撞壁模型采用适用于热壁面的Wallj1t模型；燃烧模型采用三区相关火焰模型ECFM-3Z；NO生成模型采用Extended Zeldovich模型。

2 研究对象及初始条件

本文主要研究某船用中速4冲程柴油机，进排气门采用4气门技术，其技术参数见表1。

表1 柴油机主要参数

应用CAD软件建立该型柴油机的燃烧室模型，其基本结构如图1所示。将该模型以.dxf格式导入AVL_FIRE软件中，确定喷油器位置及各参数，并在FIRE软件ESE DIESEL模块中划分三维计算体网格。由于该型柴油机燃烧室为轴对称性结构，为减少仿真计算时间，根据喷孔个数选取计算区域的1/8。图2为活塞处于上止点时刻的计算体网格模型，网格单元数为173 020个。本文主要仿真研究高压循环过程，计算从进气门关闭时刻为上止点前137°CA开始，到排气门打开时刻为上止点后120°CA结束，不考虑进排气对燃烧过程的影响。

图1 燃烧室CAD模型Fig.1 Combustion chamber CAD model

图2 计算体网格模型(TDC时刻)Fig.2 Grid computing body model(TDC)

进气门关闭活塞上行时刻缸内初始条件为：初始进气温度为313 K，初始进气压力为178 500 Pa，涡流比为1.2，循环喷油量为0.000 05 kg，汽缸套壁面温度为475 K，缸盖壁面温度为570 K，活塞壁面温度为625 K。

3 计算结果及分析

3.1 计算模型的验证

为验证仿真计算模型的准确可靠，将仿真计算数据与实验数据对比，图3为额定工况下仿真计算结果与实验数据的比较。由图3可看出，仿真计算的缸压峰值和相位与实验数据基本相同，其误差大小为0.3%，说明该计算模型准确可靠。误差来源一方面由于边界初始条件为BOOST仿真数据提供，与柴油机实际工作情况有差别，另一方面是由于实验测量数据存在误差所致。

图3 仿真计算与实验所得缸压曲线比较Fig.3 Simulation and experiment pressure of cylinder comparison curves

3.2 不同压缩比对燃烧排放影响分析

压缩比的大小表明缸内油气被压缩的程度，是内燃机的一个很重要的参数指标，对内燃机的燃烧和排放有很大的影响[5]。压缩比直接决定了活塞处于上止点时刻缸内温度场和压力场。本文只研究某船用中速柴油机不同压缩比对柴油机燃烧及排放性能的影响，为该型柴油机压缩比的合理选择提供方向。压缩比分别为方案1：ε=13；方案2：ε=14；方案3：ε=15。图4为3种不同压缩比缸内压力与温度的变化曲线。

图4 不同压缩比对缸内压力、温度的影响Fig.4 Effect of he compression ratio on pressure of cylinder and temerature

图4为不同压缩比对缸内压力和温度影响的变化曲线图。由图可见，随着压缩比的增大缸内平均压力和平均温度呈递增趋势，其中缸内压力变化的幅度较大，说明随着压缩比的增加做功能力增强，但是随着压缩比的增加，压力升高比比较大，对减少噪声污染、降低机械负荷产生不利的影响，增加了内燃机的机械热负荷。由图4可知，压缩比每增加1，缸内压力峰值增加约8 bar，缸内温度峰值增加约20 K，缸内温度峰值出现的越早。

图5为不同压缩比对索特平均直径、贯穿距的影响。由图5可见，在喷油开始到上止点后15°油滴的索特平均直径随着压缩比的变化没有明显的变化，变化趋势比较平缓。但是压缩比为13的方案，在上止点后30°左右仍存在索特平均直径较大的液滴，并持续存在20°CA曲轴转角，其原因是压缩比降低，造成缸内温度降低，减弱了燃油的蒸发速率，在上止点后30°CA仍存在较大面积的燃油颗粒，造成油气混合不均匀，燃烧过程中产生碳烟，对燃烧的顺利进行有不利影响。由图可见，随着压缩比的增加，燃油完全气化所需时间缩短，原因是压缩比增加，缸内温度升高，燃油蒸发速率加快。燃油喷雾贯穿距降低，其原因是压缩比增加燃油喷射时刻缸内压力增加，缸内的高压阻碍了射流的运动，射流的贯穿距离减小，射流锥角增大[6]。

图5 不同压缩比对索特平均直径的影响Fig.5 Effect of the compression ratio on SMD

图6 不同压缩比、不同时刻缸内浓度场分布Fig.6 The distribution of difference compression ratio and density field

图7 不同压缩比缸内着火时刻温度分布Fig.7 The distribution of difference compression ratio and ignition temperature

图6为不同压缩比下，缸内不同时刻缸内油气分布。由图可知，随着压缩比的增加，相同曲轴转角下，缸内油气浓度分布越均匀，可见较高的压缩比促进油气的混合，有利于燃油充分燃烧，放出更多的热量。

滞燃期是柴油机着火过程和燃烧过程中一个极为重要的时期，直接影响着柴油机的燃烧过程和柴油机的经济性和排放性，滞燃期是控制和改善燃烧过程的关键[6]。本文中滞燃期为喷油时刻开始到着火时刻所转过的曲轴转角。对于着火时刻，本文中认为缸内温度发生突增的时刻为着火开始的时刻。由图7可知，不同压缩比方案下的缸内着火时刻，如压缩比为13的方案，在上止点前9°CA，缸内温度为886.63 K，上止点前8°CA缸内温度为2105.5 K，则认为压缩比为13方案着火时刻为上止点前8°CA。因为喷油时刻为上止点前20°CA，着火时刻为上止点前8°CA，则滞燃期为12°CA，压缩比为14和15的方案为相同求解过程。

图8 不同压缩比对滞燃期的影响Fig.8 Effect of he compression ratio on ignition delay period

图8为不同压缩比情况下滞燃期的变化。由图可见，随着压缩比的增大，滞燃期缩短。其原因是随着压缩比的增加，缸内压缩压力和温度同时增加，加快了燃油蒸发的速率，缩短了燃油具备燃烧条件所需要的时间，对滞燃期的影响有双重作用，使滞燃期明显缩短。

图9 不同压缩比对NOx和碳烟颗粒排放的影响Fig.9 Effect of he compression ratio on NOx and soot particles

由图9可见，随着压缩比的增加，NOx生成量逐渐增加，碳烟的生成量呈现递减趋势。根据以上对缸内温度、油滴索特平均直径的分析，其原因是：压缩比增加缸内压缩能力增强，缸内温度增加，为NOx的生成创造了条件。压缩比为15的方案，缸内碳烟颗粒的生成量降低，主要原因是压缩比增加，缸内油气分布均匀，缸内温度较高，燃烧较完全，碳烟生成量低。

4 结 语

1)压缩比对内燃机的燃烧和排放有较大影响。随着压缩比的增加，缸内压力、温度峰值增加；

2)随着压缩比的增加，燃油蒸发速率加快，索特平均直径降低，且变化平稳，燃油贯穿距离随着压缩比的增加而变近；

3)碳烟颗粒随着压缩比的增加排放反而降低，NOx生成量随着压缩比增加而增加。

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