高原环境对缸内燃烧及壁面油膜的影响研究

刘永丰, 杨震寰, 成立强, 王龙飞, 黄树和, 鲍通, 薛赪， 高英英

(1. 中国北方发动机研究所(天津), 天津 300400； 2. 柴油机高增压技术国防重点实验室, 天津 300400)

高原环境对缸内燃烧及壁面油膜的影响研究

刘永丰1,2, 杨震寰1, 成立强1, 王龙飞1, 黄树和1, 鲍通1, 薛赪1， 高英英1

(1. 中国北方发动机研究所(天津), 天津 300400； 2. 柴油机高增压技术国防重点实验室, 天津 300400)

为了分析高原环境下缸内燃烧过程及壁面油膜生成规律，采用CFD方法对不同海拔条件下柴油机燃烧过程进行了三维仿真计算，着重分析了海拔对壁面油膜的影响。结果表明：随海拔升高，过量空气系数降低，滞燃期延长，着火推迟，燃烧恶化，柴油机性能下降；高原条件对壁面油膜生成有较大影响，壁面累计油膜质量随海拔升高而增大，4 500 m海拔下壁面油膜累计质量最大可达19 mg，约占总油量的8%；壁面油膜在燃油喷射弹着点处形成，随着时间推移，油膜向活塞边缘扩散，在高海拔条件下，燃烧结束时活塞边缘仍有油膜残留。

高原； 柴油机； 燃烧过程； 油膜

高原环境下，随着海拔高度升高，过量空气系数下降，喷入缸内的柴油不能及时着火燃烧，燃烧滞后，使柴油机在高原地区运行时性能下降，热负荷加剧。由于特种车辆柴油机本身功率密度高，散热系统结构紧凑，热负荷更加严重，容易出现气缸垫烧蚀和活塞烧顶现象。高原情况下油膜的附壁燃烧是柴油机热负荷增大的重要因素之一，因此有必要对高原条件下燃烧过程及缸内附壁油膜的生成规律进行研究。

目前对柴油机高原环境下燃烧传热过程的研究，主要采用柴油机工作过程一维或准维方法进行仿真。王宪成[1-2]等采用准维多区数值仿真和环境模拟试验的方法，研究了不同海拔环境对某大功率柴油机缸内喷雾、燃烧和传热的影响。高荣刚、李国岫等[3]应用CFD软件研究了不同海拔下缸内油气混合过程，通过建立油气混合过程的中间参数分析了高原环境对缸内油气混合过程的影响，并着重通过对燃烧放热规律的分析研究了高原环境对柴油机燃烧过程的影响。目前对缸内油膜附壁的研究主要集中于汽油机或起动过程[4-5]，而对柴油机研究较少，尤其是对高原环境下燃烧过程壁面油膜形成的研究更少。

本研究采用CFD方法对不同海拔条件下柴油机缸内燃烧过程进行了三维仿真研究，分析了高原环境对柴油机缸内燃烧过程的影响，在此基础上分析了不同海拔条件下壁面油膜的变化规律，为高原条件下附壁燃烧提供理论支撑。

1 缸内模型建立

所选机型为某四冲程增压柴油机，基本参数见表1，采用Converge软件对缸内燃烧过程进行仿真计算。计算时间从进气门关(-126°曲轴转角)开始，至排气门开(120°)结束，考虑到避阀坑的影响，取整个气缸为计算域。

表1 柴油机基本技术参数

在本研究的计算中，湍流模型选用RNG κ-ε 模型，燃油雾化采用KH-RT模型，油滴蒸发选择Frrosling模型，油滴碰壁选择O’Rourke-Amsden模型，燃烧过程采用简化的动力学反应模型，燃烧模型选择Shell自燃模型+CTC燃烧模型。

O’Rourke-Amsden模型将韦伯数较高的液滴碰壁后分为沉积和飞溅两种方式，飞溅马赫数E大于临界值Ec时，则发生飞溅，否则沉积于壁面形成油膜。

(1)

对于韦伯数较低的液滴，当We小于5时发生反弹。同时考虑了干湿壁面的影响;对于干壁面，h0=0;对于湿壁面，液膜越厚，由于黏性阻尼引起的能量耗散越多，则飞溅的液滴越少。飞溅的液滴质量m1与碰壁前的液滴质量m0关系为

(2)

为研究高原环境对缸内燃烧过程及壁面油膜的影响，选取海拔1 000 m,3 000 m,4 500 m 3个环境条件进行计算，各海拔条件下对应的计算始点缸内状态见表2。通过进气过程计算得到初始湍动能和湍流耗散率分别为67 m2/s2和23 000 m2/s3。

表2 计算初始条件

2 计算验证及结果分析

2.1 模型验证

应用建立的缸内燃烧模型，在海拔为1 000 m条件下对标定工况燃烧过程进行仿真计算，并与相同工况下试验结果进行对比。图1示出计算的缸内压力与试验结果对比，从图1中可以看出，计算结果与试验结果一致，最大误差不超过2%，可以认为所选喷雾燃烧模型及相应模型参数较为合理，可以进行高原环境下缸内燃烧过程仿真计算。

图1 缸内压力计算结果与试验结果的对比

2.2 缸内燃烧过程分析

图2示出不同海拔下缸内压力对比，可以看出，随着海拔升高，缸压显著降低，直接影响柴油机做功能力，高原环境下柴油机性能严重下降。

图3和图4分别示出计算的不同海拔下缸内瞬时放热率和累计放热率，从图中可以看出，随着海拔升高，过量空气系数降低，滞燃期延长，着火推迟；同时随着海拔升高，扩散燃烧速率降低，燃烧恶化，燃烧重心后移。

图2 不同海拔下缸压曲线

图3 不同海拔下缸内放热率

图4 不同海拔下缸内累计放热率

2.3 海拔条件对壁面油膜的影响

高原条件下发动机进气量减少，燃油喷射背压降低，贯穿能力增强，出现喷雾撞壁和油膜附壁现象。图5示出不同海拔条件下燃油撞壁的质量对比，可以看出，海拔1 000 m时燃油撞壁发生的时刻为上止点前3.5°曲轴转角左右，最终燃油撞壁质量约2.3 mg；在4 500 m时，撞壁时刻提前到上止点前7.5°曲轴转角左右，最终撞壁质量约21 mg。这说明燃油在背压较高时雾化较好，绝大部分液滴在近壁区域还未触及壁面已经被气流和涡旋卷走，只有很少量的液滴到达壁面，海拔越高，贯穿动量越大，撞壁时刻越提前，撞壁质量越大。

图5 不同海拔下燃油撞壁质量对比

在燃油撞壁时伴随着燃油的反弹和飞溅，剩下附着在壁面上的油膜质量与燃油撞壁质量的比值为附壁率。图6示出不同海拔条件下附壁油膜质量对比，可以看出，1 000 m海拔条件下，最终油膜附壁质量约1 mg，随着海拔升高，附壁油膜质量增大，在4 500 m时，最终油膜附壁质量约19 mg，约占总油量的8%。海拔1 000 m时燃油撞壁质量较小，反弹和飞溅的质量也较小，但是反弹和飞溅所占比重较大，附壁率较小，约为43%。随着海拔升高，燃油撞壁质量越大，反弹和飞溅的质量也越大，但所占撞壁质量的比重下降，附壁率增大，海拔4 500 m条件下，附壁率约为90%。不同海拔下燃油附壁率见表3。

图6 不同海拔下附壁油膜质量对比

海拔/m撞壁质量/mg附壁质量/mg附壁率/%10002．31．04330007．45．2704500211990

从图7可以看出，到上止点后20°，受缸内燃烧温度的影响，油膜蒸发速度较快，在1 000 m海拔条件下油膜基本蒸发完全，在4 500 m海拔条件下壁面油膜质量较多，且与气流接触面积较大，加上油束贯穿增强引起的壁面气流速度增大，油膜蒸发量更大。在上止点后20°后，不同海拔下蒸发速度均减慢。

图7 不同海拔下油膜蒸发质量对比

图8示出不同海拔下附壁油膜残留质量对比。油膜残留质量随时间推移逐渐减少，在1 000 m海拔下，燃烧结束时，油膜基本没有残留，而在4 500 m海拔下，尽管壁面油膜蒸发速度较快，但其壁面油膜质量远大于低海拔时，最终残留在壁面的油膜质量较大，约占总油量的4%。循环内油膜残留于壁面，会累积到下一个循环，较多的油膜导致附壁燃烧，会使壁面温度上升，可能导致局部变软、熔化或烧损。

图8 不同海拔下附壁油膜残留质量对比

油膜分布主要集中于活塞上，图9示出不同海拔下活塞上壁面油膜的分布，可以看出，油膜主要分布于活塞上燃油喷射的弹着点处，随着时间推移，活塞开始下行，受燃烧室内逆挤流的作用，油膜越过活塞凹坑向边缘扩散，导致油膜面积增大，同时油膜由于蒸发而厚度逐渐降低。1 000 m海拔下，在上止点时，壁面油膜厚度及油膜分布面积较小，随着时间推移，壁面油膜逐渐蒸发，到上止点后38°曲轴转角时，油膜基本完全蒸发。随着海拔升高，壁面油膜厚度及分布面积均增大，在4 500 m海拔下，上止点时，壁面油膜厚度较1 000 m海拔下油膜厚度增大4倍，最大油膜厚度达到0.4 mm，到上止点后38°曲轴转角时仍然有较多的油膜残留于活塞边缘，有可能导致活塞的局部烧损，这与实际中活塞损坏的部位比较吻合。

图9 不同海拔下壁面油膜分布

3 结论

a) 随海拔升高，过量空气系数降低，滞燃期延长，着火推迟，燃烧恶化，燃烧重心后移，柴油机性能下降；

b) 海拔较低时，缸内压力较高，燃油雾化较好，绝大部分液滴在近壁区域还未触及壁面已经被气流和涡旋卷走，只有很少量的液滴到达壁面，海拔越高，贯穿动量越大，撞壁时刻越提前，撞壁质量越大；

c) 壁面累计油膜质量随海拔升高而增大，在4 500 m海拔下壁面油膜量可达19 mg，约占总油量的8%，由于壁面油膜形成过程伴随着蒸发和燃烧现象，在燃烧结束时，仍有4%的总油量残留在壁面；

d) 油膜的厚度及面积随海拔的升高而增大，油膜分布主要位于活塞上燃油喷射的弹着点处，随着时间推移，活塞开始下行，受燃烧室内逆挤流的作用，油膜越过活塞凹坑向边缘扩散，在高海拔条件下，燃烧结束时活塞边缘仍有油膜残留，有可能导致活塞边缘处烧损。

[1] 王宪成,郭猛超,张晶,等.高原环境重型车用柴油机热负荷性能分析[J].内燃机工程,2012，33(1):49-53.

[2] 郭猛超,王宪成,胡俊彪,等.环境对大功率柴油机缸内喷雾、燃烧与传热的影响[J].车用发动机,2012(5):49-52.

[3] 高荣刚,李国岫,虞育松，等.高原环境对柴油机燃烧过程影响的仿真研究[J].兵工学报,2012，33(12):1449-1454.

[4] Lindagren R，Denbratt I.Influence of Wall Properties on the Characteristics of a Gasoline Spray After Wall Impingement[C]. SAE Paper 2004-01-1951.

[5] 马宗正，程勇，纪少波，等.汽油机起动工况附壁油膜挥发过程的计算分析[J].燃烧科学与技术,2010，16(6):503-507.

[6] 解茂昭.内燃机燃烧学[M].大连:大连理工出版社，2005.

[7] O’Rourke P J，Amsdena A．A Spray/Wall Interaction Submodel for the KIVA-3 Wall Film Model[C].SAE Paper 2000-0l-0271．

[编辑: 李建新]

Effect of Plateau Environment on In-cylinder Combustion and Wall Fuel Film

LIU Yongfeng1,2, YANG Zhenhuan1, CHENG Liqiang1, WANG Longfei1,HUANG Shuhe1, BAO Tong1, XUE Cheng1， GAO Yingying1

(1. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China;2. National Key Laboratory of Technology on Diesel Engine Turbocharging, Tianjin 300400, China)

In order to analyze in-cylinder combustion process and wall fuel film forming law under plateau environment, three-dimensional simulation and calculation of combustion process for diesel engine were conducted by CFD under different altitudes and the influence of altitude on wall fuel film was mainly analyzed. The results showed that the excess air ratio decreased, the ignition delay period prolonged, the ignition delayed, the combustion deteriorated and the engine performance decreased with the increase of altitude. The plateau environment had a great influence on formation of wall fuel film and the cumulative mass of wall fuel film increased with the increase of altitude. The cumulative mass was up to 19 mg at 4 500 m, which accounted for about 8% of total fuel. The wall fuel film formed at the fuel jet impact point, then diffused toward the edge of piston. There still existed the residual fuel film at the edge of piston at the end of combustion under plateau conditions.

plateau； diesel engine； combustion process； wall fuel film

2016-01-26;

2016-11-02

刘永丰(1982—)，男，副研究员，博士，主要研究方向为发动机热流匹配技术；liuyongfeng70@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.011

TK411.2

B

1001-2222(2016)06-0057-04