基于多次喷射的柴油机燃烧过程数值模拟

2018-09-12 08:49韩雁鹏高小瑞
关键词:原机喷油量油量

韩雁鹏,高小瑞,朱 钰

(集美大学轮机工程学院,福建 厦门 361021)

0 引言

随着世界各国对船舶柴油机排放的要求日趋严格,改善其燃烧过程,减少有害物排放成为研究的热点。文献[1-2]解释了传统柴油机燃烧造成高NOx和Soot(碳烟)排放的原因,并揭示了缸内燃烧路线控制的方向,即低温、均混。文献[3-6]通过改变柴油喷射策略,釆用大喷射提前角,多次喷射,可以得到较为均匀的柴油浓度分布,从而改变燃烧室内燃烧条件,实现对燃烧生成物的控制,达到降低有害物排放的目的。文献[7]通过改进燃烧室结构,并采用多次喷射策略,更有效地降低了柴油机的有害物排放。文献[8-9]在高速柴油机上采用多次喷射技术,在一定的负载范围内,大幅降低了NOx、Soot以及CO和未燃碳氢UHC(uncombusted hydrocarbon)的排放。

综上可见,采用多次喷射技术可以有效控制柴油机燃烧。本文以4190ZLC船舶中速柴油机为研究对象,利用AVL FIRE软件平台,数值模拟研究,在额定工况下,采用多次喷射对柴油机燃烧及排放性能的影响。

1 多次喷射方案

通过柴油机试验台和油泵试验台[10]测量得到额定工况下柴油机原始的喷油规律,如图1所示。该工况时,喷射起始角为698°CA,单缸单循环喷油量为387 mg。

为了研究多次喷射对柴油机缸内燃烧和排放性能的影响,在保证柴油机输出功率的情况下,增大喷射提前角,采用总喷油量不变的原则,设计了2次、3次、6次喷射方案,具体如图2所示。

1)方案一是在原来1次100%喷射的基础上,改为2次等量喷射,如图2a所示。两次喷射起始角分别为668°CA和698°CA,喷射持续角度均为17.4°CA;两次喷射起始角度之间的间隔约30°CA,在上止点(即720°CA)之前完成全部燃油喷射。

2)为了达到减少预混合燃烧油量的目的,方案二(如图2b所示)在方案一的基础上,推后第1次喷射起始角,由668°CA改为680°CA,喷油量为总喷油量的18%;为了降低燃油分布浓度,改善缸内混合气分布,第2次喷射油量约为总喷油量的36%,并在712°CA时增加一次喷射作为第3次喷射,喷射持续角度为15°CA,喷油量占总喷油量的46%。

3)方案三(如图2c所示)是在方案二的基础上进一步优化得到的。继续减少第1次和第2次的喷油量,改为脉冲喷射,喷油量仅为总油量的5%,略提前第1次和第2次的喷射起始角度,分别为679°CA和692°CA;第3次喷射起始角不变,但喷油量增加到总油量的90%;为减小喷油持续期,第3次喷射后期增大喷射速率,以缩短燃烧持续期,提高效率。

4)方案四(如图2d所示)借鉴了文献[7]中关于5次喷射控制参数的优化方法,并在方案三的基础上,设计了5次预喷射加1次主喷射的方案。第1次喷射起始角提前到655°CA;前4次喷射等油量等间隔,单次喷射油量约为总油量的3.47%,第5次喷射油量约为总油量的7%,前5次喷射起始角度之间的间隔均约10°CA;第6次喷射为主喷射,喷射起始角为714°CA,且喷射起始角度与第5次喷射起始角之间的间隔为19°CA,喷油量约为总油量的79.12%。

2 4190ZLC柴油机燃烧室模型建立与求解器设定

根据4190ZLC柴油机燃烧室的实际形状,利用AUTO CAD进行几何建模,再导入AVL FIRE - ESE Diesel,确定喷嘴位置及参数。由于燃烧室是对称形状,喷嘴有8个喷油孔,为了缩短计算机仿真时间,选取了燃烧室的1/8作为计算域;利用ESE Diesel模块中的网格划分工具,完成燃烧室的静态和动态网格划分,通过网格质量检查确认无负体积网格的出现,图3为燃烧室网格模型。

求解器设置中,激活Species Transport物质输运模块、Combustion燃烧模块、Emission排放模块和Spray喷雾模块;湍流流动模型为K-ε模型;喷雾破碎模型为Wave 模型;液滴蒸发模型选用Dukowicz 模型;碰壁模型选用Walljet1 模型;燃烧模型选用Coherent Flame Model模型;NOx排放物生成模型选用Extended Zeldovich模型;碳烟模型选用Kinetic Model模型;瞬态计算最大迭代次数为60,残差值的精度为0.001;模型校验、边界及初始条件设定参照文献[11]。

3 基于多次喷射的压缩燃烧膨胀过程仿真结果分析

排气阀开启前,曲轴转角为836°CA时,方案一和原机数据NOx、Soot、CO以及温度在缸内的分布云图,如图4所示。

可以发现:采用2次喷射后,缸内的温度及各种生成物分布更加均匀,浓度从中心区域到缸套边缘有明显的梯度存在;而原机的一次喷射则集中在燃烧室及上方区域,说明2次喷射燃油分布更广,雾化更好,燃烧更加均匀。

额定工况下,采用不同喷射方案柴油机缸内压力、温度、NOx和Soot排放与原机数据的对比。结果如图5所示。

为了更清楚的表示采用方案三和方案四时NOx和Soot的排放量,绘制了如图6。

1) 从图5a可以看出:采用方案一时,柴油机缸内压力较原机缸内压力有大幅增高,柴油机的机械负荷增加,工作粗暴,最高爆发压力接近14 MPa,超过了4190ZLC柴油机的机械许用极限;采用方案二时,缸内压力有所下降,但仍高于原机压力水平,最高爆发压力下降,接近12 MPa;采用方案三和方案四时,缸内压力有较大幅度下降,均低于原机压力;方案四的缸内压力水平最低,此时,柴油机工作最平稳。

2)从图5b可以看出:采用方案一时,缸内温度比原机有大幅度的升高;采用方案二时,缸内温度水平有所下降,但仍高于原机温度水平;采用方案三时,缸内温度水平进一步下降,略低于原机缸内温度水平;采用方案四时,缸内温度水平较方案三呈现小幅度下降;此时,柴油机的热负荷最小。

3)从图5c可以看出:采用方案一和方案二时,NOx的排放量较原机均有较大幅度的增长,这是缸内温度升高导致的,虽然燃烧更完全,但NOx的排放量增加,不利于生态环境;与方案一和方案二比较,采用方案三和方案四,NOx的排放量均显著降低,均低于原机NOx的排放量;从图6a可见,采用方案四时,NOx的排放量最低,仅为原机NOx排放量的70%。

4)从图5d可以看出:采用方案一时,Soot的排放量几乎为零,这是因为全部的燃油喷射在上止点之前完成的,燃油得到充分燃烧,因而,Soot的排放量低;采用方案二时,Soot的排放量略高于方案一时的排放量,但仍远低于原机的排放量;采用方案三和方案四时,Soot的排放量有所上升,且高于原机Soot排放量;从图6b可见,采用方案四时,Soot的排放量低于方案三时的排放量。

综上可见,采用多次少量喷射的策略(即预喷射+主喷射的喷射策略),可以使缸内油气分布更均匀,缸内压力和温度水平均下降,柴油机工作更平稳。

4 结论

本文以4190ZLC船舶中速柴油机为研究对象,基于AVL FIRE平台,在额定工况下,通过多次仿真模拟,并优化多次喷射方案,得到以下结论:

1)采用多次喷射可以有效改善柴油机的燃烧过程,降低NOx的排放量。通过对多个喷射方案的对比发现,方案一虽可使柴油机的经济性更好,但是最高爆发压力超过了该柴油机的机械许用极限,且NOx的排放量明显增多。方案二采用3次喷射后,最高爆发压力在柴油机的许用范围内,缸内压力和温度较方案一有所下降,NOx的排放量进一步下降;相比于方案一和方案二的多次喷射,方案三和方案四均采用了预喷射加主喷射的喷油策略,缸内压力和温度均有大幅下降,且均低于原机数据。特别是方案四,在额定工况下NOx排放量大幅下降,仅为原机的70%。

2)采用方案四的多次喷射规律时,提前第1次预喷射起始角度(为655°CA),有利于燃油与空气的均匀混合,但预喷射量不宜过大(总油量的20%左右),推迟主喷射的起始角度(714°CA),使缸内燃烧温度控制在较低水平,从而使NOx排放量在四个方案中最低。

3)要实现额定工况下NOx和Soot的排放量同时下降,多次喷射方案仍需进一步优化。

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