双对置二冲程柴油机高原环境燃烧过程的模拟研究

张磊，苏铁熊,，冯云鹏，马富康，张艳岗，曹斯琦

(1.中北大学机电工程学院，山西 太原 030051；2.中北大学能源动力学院，山西 太原 030051；3.北京特种车辆研究所，北京 100072；4.中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400)

对置气缸对置活塞(OPOC)二冲程柴油机在结构上采用对置活塞和对置气缸结构，与传统发动机相比，OPOC发动机在结构上有体积小、质量轻、零件少的特点，在性能上具有功率密度高、热效率高以及燃油消耗率低的特点[1-3]，可以作为车辆、船舶、航空、农业机械等领域的动力源[4]。同时其在排放上可以满足国Ⅵ法规[1,5]，在能源与环境危机的背景下引起了广泛的关注[6-8]。

我国具有海拔高和面积广的特点[9]，高原地域占全国陆地总面积的58%，其中海拔1 000～2 000 m的高原面积约占全国面积的25%，海拔2 000～3 000 m的高原占7%，海拔3 000～4 000 m的高原占1%，海拔在4 000 m以上的高原占25%。随着海拔的升高，大气压力、大气温度、空气密度、空气含氧量明显下降，传统柴油机在高原环境下运行时会出现燃烧恶化、炭烟排放增加、动力性能下降和燃油消耗增加等一系列问题[10-13]。与传统柴油发动机相同，海拔对OPOC二冲程发动机的性能与排放有着重要的影响。目前，针对传统柴油机在不同海拔下性能、燃烧、排放已有大量的研究[10,12,14-15]。OPOC二冲程柴油机活塞相向运动，燃油从气缸壁两侧喷入气缸，油气混合方式异于传统柴油机，在高原条件下其缸内油气混合、燃烧过程以及排放鲜有研究。因此，本研究采用数值模拟的方法研究海拔对OPOC二冲程柴油机缸内工作过程的影响，并进一步分析高原环境下OPOC二冲程柴油机缸内油气混合及燃烧过程的变化。

1 仿真方案设计

1.1 研究对象及计算模型

试验用机为OPOC二冲程柴油机，其通过布置在发动机中间的曲轴驱动相应的曲柄连杆机构实现对进排气两次活塞运动的控制，活塞运动过程中气缸容积最小时对应的曲轴转角称为内容积止点(180°，TDC)，气缸容积最大时对应的曲轴转角称为外容积止点(BDC)(见图1)。OPOC二冲程柴油机采用双喷油器呈180°布置在气缸侧壁的方式，每个喷油器上有3个喷孔，呈扇形分布(见图2)。OPOC二冲程柴油机参数见表1。

图1 OPOC柴油发动机结构示意

图2 OPOC柴油发动机燃烧室与喷嘴位置示意

标定转速/r·min-13 600缸径/mm100几何行程/mm160有效压缩比21喷孔个数3喷孔直径/mm0.22喷油量/mg90

本研究采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件AVL-Fire对OPOC二冲程柴油机右侧气缸的缸内工作过程进行建模，仿真模型见图3。模型由进气道、排气道和气缸组成，采用六面体网格，通过网格独立性校验(见图4)，确定主要网格尺寸为1 mm，进、排气道和气缸网格分别为52 936，56 655，357 404。采用的数值模型见表2。

图3 CFD网格模型

图4 网格无关性分析

湍流模型κ-ε模型喷雾模型液滴破碎模型KH-RT模型液滴碰壁模型Walljet1模型燃油蒸发模型Dukowicz模型燃烧模型shell自燃模型ECFM-3Z模型NOx排放预测模型thermal NO和prompt NO原理炭烟排放预测模型Hiroyasu模型

1.2 计算模型的验证

图5示出在转速2 500 r/min，80%负荷工况下仿真计算的缸内压力和放热率与试验值的对比。从图中可以看出缸内平均压力的仿真值与试验值能够较好地吻合，而放热率的仿真值与试验值略有不同，这是由仿真模型在计算的过程中忽略传热损失和漏气损失所致。最大误差不大于5%，因此，所建仿真模型可以用于高原环境下OPOC二冲程柴油机缸内工作过程数值模拟。

图5 缸内压力和放热率仿真值与试验值对比

2 计算方案

为研究海拔对OPOC二冲程柴油机缸内工作过程的影响，分别在0，1 000，2 000，3 000，4 000 m共5种海拔环境条件下对OPOC二冲程柴油机进行仿真，各海拔条件下对应的仿真初始状态见表3。整个仿真研究过程保证喷油参数不变。

表3 不同海拔条件下仿真初始状态

3 计算结果与分析

3.1 海拔对OPOC二冲程柴机油燃烧过程的影响

3.1.1海拔对缸内油气混合的影响

OPOC二冲程柴油机缸内燃烧组织直接受到缸内混合气质量的影响，因此高效地形成高质量的混合气成为合理组织缸内燃烧过程的必备条件之一[10]。为了研究不同海拔条件下OPOC二冲程柴油缸内混合气浓度的变化，将当量比划分为4个区间，引入混合气体积比Fv来表征缸内混合气的浓度差异情况，研究海拔对这4个区间混合气体积的影响。

不同当量比(φ)区间混合气体积比为

(1)

式中：∑Vi为某一当量比区间的混合气体积； ∑Vtotal为混合气总体积。

图6示出不同当量比区间混合气体积比受海拔变化的影响。如图6a所示，随着喷油器开始喷油，区间0<φ≤0.5内的混合气体积在各个当量比区间中最大，随着燃烧过程的进行，该区间混合气体积呈现先增大后减小的趋势。该当量比区间的混合气影响到缸内的预混燃烧过程，对随后的缸内油气混合及燃烧过程起着关键作用。随着海拔的升高，由于缸内氧气含量降低，该稀混合气的体积呈降低的趋势，并且这一现象在燃烧后期尤为显著。

随着燃烧过程的进行(见图6b)，0.5<φ≤1.5为最佳混合气浓度范围[17]，在缸内气流运动和燃烧过程双重作用下，该当量比范围内的混合气体积呈增大趋势。但在高海拔环境下，其体积比呈现先增大后减小再增大的趋势，说明在高海拔地区，缸内油气二次混合，加重了后燃现象。

1.5<φ≤3，φ>3为浓混合区间，其对提高缸内油气质量和燃烧组织质量有显著影响。该区间内混合气所占体积比变化规律相似(见图6c、图6d)，均呈现出随海拔升高先增大后减小的趋势。在当量比浓度区间[1.5,3]的范围内，随着海拔升高，其体积比增大，表明缸内油气混合质量下降，影响缸内燃烧组织。虽然φ>3区域混合气体积比较小，但随海拔的升高，该区域混合气存续时间增长，会影响缸内油气混合和燃烧过程。

图6 不同海拔条件下各当量比区间混合气体积比

为了进一步分析不同海拔条件对OPOC二冲程柴油机缸内混合气的影响，分别选取了-6°ATDC，TDC，15°ATDC，30°ATDC共4个时刻，对比轴向和横向当量比分布情况(见图7)。在-6°ATDC时刻，随着海拔上升，高当量比所占区域有所增加，这是因为在高海拔条件下缸内喷油背压减小，引起喷雾贯穿距增加。且在高海拔条件下，喷嘴附近存在混合气浓度较高的区域，这是由于随着海拔上升，缸内空气密度减小，形成较高当量比混合气(见图6d)。

图7 不同海拔下缸内燃空当量比分布

在TDC时刻，随着海拔上升，缸内压力降低，环境气体分子动能较低，会形成较高当量比混合气(见图6b)，同时由于海拔升高，缸内空气质量、含氧量下降，混合气中心区域浓度进一步升高，当量比3以上的区域明显增大，对燃烧不利。

在15°ATDC时刻，随着海拔的升高，易在排气侧燃烧室壁面处形成浓度较高的混合气，抑制燃烧过程进行。在30°ATDC时刻，混合气沿燃烧室壁面向缸壁扩展，且随着海拔的升高，混合气均匀性变差，在高海拔条件下仍存在高浓度区域，这是因为高海拔条件下油气混合质量差，燃烧速率较低，有大量燃油剩余。

3.1.2海拔对缸压、放热率、温度的影响

图8示出海拔对OPOC二冲程柴油机缸内平均压力的影响。从图中可以看出，随海拔升高，缸内平均最大燃烧压力明显减小。海拔每升高1 000 m，缸内最高燃烧压力平均降幅为6%左右。

图8 海拔对缸内平均压力的影响

图9示出海拔变化对OPOC二冲程柴油机放热率的影响。OPOC二冲柴油机放热率曲线均呈现“双峰”形状：“第1 峰”为预混燃烧阶段，其放热率由滞燃期中燃油与空气混合数量控制；“第 2 峰”代表扩散燃烧阶段，此时放热速率由空气与燃料相互扩散形成可燃混合气的速率控制[18]。随着海拔上升，放热率下降。在海拔为4 000 m条件下，只有较明显的“第1峰”，“第2峰”明显降低。这是因为随着海拔的升高，空气含氧量减少，发动机进气压力下降，进入气缸的空气量减少，滞燃期延长(见表4)，引起预混燃烧峰值向右移动，预混放热量呈现先减小后增加的趋势。随着燃烧的进行，扩散燃烧阶段放热量呈现降低的趋势，缸内氧气含量降低，海拔对缸内燃烧过程的影响更加显著，燃烧重心C50时刻之后，同时在燃烧中后期缸内混合气浓度明显升高，高浓度混合气体积增大(见图6c)，燃烧持续期延长，后燃现象严重，燃烧恶化。

图9 海拔对缸内放热率的影响

海拔/m滞燃期/(°)燃烧重心C50/(°)燃烧持续期/(°)010.76.542.11 00010.97.143.42 00011.27.444.73 00011.67.648.64 00012.27.949.3

图10示出海拔对缸内平均温度的影响。随海拔升高，缸内平均温度呈上升的趋势。海拔每升高1 000 m，缸内燃烧平均温度升高30～70 K。在2 000 m以内增幅较小，平均每升高1 000 m，缸内燃烧温度的增幅在30 K以内；海拔2 000～4 000 m温度增幅加大，平均每升高1 000 m，缸内燃烧温度增加66～70 K。

图10 海拔对缸内温度的影响

为了进一步研究海拔对缸内温度场的影响，分别选取了TDC，15°ATDC，60°ATDC和80°ATDC共4个时刻的缸内分布情况进行研究，结果见图11。在TDC时刻，随着海拔的升高，缸内高温区域逐渐增大，且最高温度逐渐增大。这是因为浓度合适的混合气较多(见图6b)，促进缸内燃烧过程的进行，导致缸内温度升高。

图11 不同海拔下缸内温度分布

在15°ATDC 时刻，此时缸内燃烧已经进入扩散燃烧阶段，缸内高温区域最大；随着海拔的升高，在排气侧燃烧室壁面凹坑处出现温度较低的区域，该区域逐渐增大。这是因为凹坑处局部当量比较高(见图7)，抑制缸内燃烧，导致缸内局部区域温度降低。

在60°ATDC时刻，缸内燃烧已进入燃烧后期，缸内高温区域随着海拔的升高而减小，但是缸内燃烧区域增大。这是因为在低海拔条件下，空气中含氧量高，且缸内进气量大，在燃烧后期，缸内不完全氧化产物及少量燃油进一步燃烧，导致缸内高温区域增大。与之相比，高海拔条件下，空气含氧量低且缸内进气量少，在油气预混阶段混合气质量较差，进而导致燃烧过程受到影响；在燃烧中期排气侧燃烧室壁面出现燃油堆积现象；而在燃烧后期缸内较多的未燃燃油及不完全氧化产物继续燃烧，混合气与空气二次混合，造成缸内燃烧区域增大，但由于此时缸内氧气含量较低，混合气质量差，燃烧恶化，高温区域反而减小。在80°ATDC，随着海拔升高，缸内燃烧区域进一步增大，后燃现象严重。

3.2 海拔对经济性的影响

图12示出在2 500 r/min工况下海拔对OPOC二冲程柴油机燃油消耗率的影响。从图中可以看出，随着海拔上升，燃油消耗率呈现增加趋势。当海拔从0 m上升到1 000 m，燃油消耗率上升了3.02%；而当海拔超过2 000 m时，每升高1 000 m，燃油消耗率上升8.27%。这是因为海拔升高使得缸内进气量减小，缸内过量空气系数降低，造成可燃混合气浓度升高，导致缸内燃烧效率下降，引起燃油消耗的增长，因此，燃油消耗率上升速度加快。

图12 海拔对燃油消耗率的影响

3.3 海拔对排放的影响

图13示出海拔对OPOC二冲程柴油机排放的影响。从图中可以看出，随着海拔升高，Soot排放量迅速增加，海拔愈高其增加速率愈快，而NOx排放量缓慢减少。海拔4 000 m条件下Soot排放量相对于海拔0 m增加了552%，而NOx排放量仅降低了18%。造成这个现象的主要原因是海拔增加致使缸内氧气含量减少，过浓可燃混合气区域增加(见图6c)，导致在扩散燃烧阶段高温裂解生成的Soot增加，且由于缸内含氧量减少，使Soot氧化过程受阻；NOx生成的重要条件是高温富氧和高温持续时间，而在高海拔条件下，虽然缸内处于高温状态，但缺氧环境致使缸内NOx的生成受到抑制。这些因素叠加，最终导致OPOC二冲程柴油机Soot排放随海拔升高而快速增加，而NOx排放缓慢降低。

图13 海拔对排放的影响

4 结论

a) 随着海拔的升高，OPOC二冲程柴油机缸内环境密度下降，喷雾贯穿距较平原地区有所增加；近排气侧活塞壁面处气流运动较弱，易形成油气堆积，同时燃油附壁减缓了油气混合速度，导致在燃烧中后期，燃烧室中心区域混合气浓度增大，促使燃烧恶化；

b) 随着海拔升高，OPOC二冲程柴油机缸内当量比在0<φ≤0.5区间的稀混合气体积比逐渐降低，0.5<φ≤3区间的混合气体积比逐渐增加，且在燃烧后期其体积比明显增大，后燃现象加重；

c) 高原环境对OPOC二冲程柴油机燃烧过程有明显的影响，随着海拔的升高，预混燃烧峰值呈现先减小后增大的趋势，且在扩散燃烧阶段放热率明显下降；

d) 随着海拔的升高，缸内最大燃烧压力减小，平均温度升高，滞燃期延长，燃烧重心滞后，燃油消耗率明显增加；

e) 在高原环境下，OPOC二冲程柴油机Soot 排放量显著增加，但NOx排放下降不明显。