燃油温度对柴油机高原起动热负荷的影响

王 龙，王宪成

(陆军装甲兵学院车辆工程系，北京 100072)

0 引言

柴油机在低温低压的高原环境下起动时，较低的燃油温度导致喷射压力、喷雾质量和压缩终了时的缸内温度都比较低[1]；加之缸内吸入空气质量减少，较低的过量空气系数导致燃烧恶化，因此高原环境下的起动过程发生失火现象的概率增加，甚至导致起动失败[2,3]。因此，需要通过对燃油进行预热，从而改善起动性能。

燃烧首循环指起动过程中缸内开始燃烧的第一个循环，此时柴油机转速低，缸内压力低，燃油雾化质量差，可燃混合气的形成困难；壁面温度低，缸内温度分布不均匀，燃烧条件差，在此循环中极易发生不完全燃烧，甚至失火现象，对柴油机的起动性能有着重要影响[4]。本文通过模拟高原环境柴油机起动试验确定燃烧首循环的转速，据此建立缸内喷雾燃烧三维模型，研究该转速下燃油温度对缸内燃烧的影响。

1 试验条件

在某型柴油发动机台架上模拟高原环境(海拔3700m)下的起动过程试验，测得的柴油机起动过程的转速和缸压，如图1所示。为消除随机误差，起动过程试验进行3次，测得燃烧首循环的平均转速为164r/min。

图1 柴油机高原起动过程

2 燃烧首循环模型的建立与验证

2.1 模型建立

采用KH-ACT油滴破碎模型、Frossling蒸发模型、O’rourke碰撞模型、Dynamic Drag阻力模型、Wall Film碰壁模型和SAGE燃烧模型建立缸内三维喷雾燃烧模型。由于燃烧室呈对称状，因此选取1/8部分作为计算区域，并通过自适应方法对该区域进行网格划分，基础网格尺寸2mm，初始网格总数53082个，网格图如图2所示。仿真过程为进气门关闭(-130°CA)至排气门开启(130°CA)。

图2 燃烧几何模型网格图

2.2 模型验证

对模型在海拔3700m条件下(气压67kPa，气温10℃)的性能进行验证，分别选择最大扭矩和最大功率2个外特性工况转速对模型进行验证，结果如图3、图4所示。其中最大扭矩点缸压峰值误差1.53%，相位误差0.4°CA；最大功率点缸压峰值误差1.98%，相位误差0.7°CA。结果表明模型的准确度较高，满足计算精度的要求。

图3 最大扭矩转速的缸压仿真与试验值

图4 最大功率转速的缸压仿真与试验值

3 燃油温度对热负荷的影响

对燃烧首循环转速下不同燃油温度对缸内燃烧性能进行仿真，油温设置为273K～313K，活塞顶部、气缸壁面和底部的初始温度设置为323K。

图5、图6分别为燃油温度对放热率和缸内平均温度的影响。由图可知，随着油温的升高，放热率峰值和缸内平均温度峰值大幅升高，峰值相位均前移。较最低油温相比，放热率峰值分别升高了40.03%、154.04%、1114.25%、1493.16%和1761.64%，峰值相位分别提前了3.3°CA、7.9°CA、18.3°CA、20.9°CA和21.4°CA；缸内平均温度峰值分别升高了10.21%、23.29%、43.62%、51.38%和57.09%，峰值相位分别提前了5.5°CA、12.5°CA、24°CA、27.1°CA和27.8°CA。

图5 燃油温度对放热率的影响

图6 燃油温度对缸内平均温度的影响

这是由于喷入燃烧室的燃油温度升高，燃油粘度、密度和表面张力降低，因而缸内喷射油束的雾化质量提高，提高了缸内燃油颗粒与空气的混合速率，加快了可燃混合气的形成，导致速燃期内的燃烧速率增加，放热率峰值增大，缸内平均温度也相应升高，且峰值相位前移。

4 结论

油温升高后，放热率峰值和缸内平均温度峰值升高，且峰值相位均前移，燃烧效果大幅提升，有助于柴油机的顺利起动。