某柴油機炭煙排放改善研究

2011-08-03 11:55:28趙春生劉艷利丁技峰

鐵道機車車輛 2011年1期

趙春生，劉艷利，丁技峰

（中國北方發(fā)動機研究所，山西大同037036）

實現(xiàn)柴油機的排放更加清潔是發(fā)動機研制、生產(chǎn)廠商孜孜以求的目標。就減少柴油機的炭煙而言，由于其形成過程比較復雜，影響其生成的因素相對繁多，消除炭煙仍有大量工作要做，減小柴油機炭煙的工作仍在積極進行之中。

1 炭煙的形成與氧化

在柴油機燃燒室中，炭煙的形成和燃燒是在主燃燒期內(nèi)同時進行的，而部分炭煙在作功行程開始時即燒掉了。在一個循環(huán)中炭煙的生成比其被燒掉更重要。燃燒室中炭煙形成的變化總的來說反映出了發(fā)動機排煙水平的變化［1］。

圖1 柴油機燃燒過程炭煙的形成和氧化

炭煙排放有一個基本的生成源，那就是主噴油部分的溫度和當量比隨時間的變化關系，圖1示出了炭煙的生成和氧化過程。炭煙的形成強烈地依賴于溫度以及缺氧，而炭煙的氧化強烈地依賴于溫度，并且需要過量氧。炭煙的最大生成率發(fā)生在富油側，炭煙的最大氧化率發(fā)生在貧油側的高溫理想混合區(qū)。同時可見，影響炭煙排放的主要參數(shù)為局部溫度和當量比。一般來說，將溫度曲線向B向移動或?qū)斄勘惹€向A向移動均會減小炭煙排放。例如，在燃油中摻水，降低了燃燒初期的火焰溫度，延長了滯燃期，增加在預混合火焰中燃燒的燃油比例，因而減少在擴散火焰中生成炭煙量［2］。但是柴油摻水技術因為使用上的麻煩尚未廣泛應用。

柴油機本身的特征參數(shù)對柴油、空氣的混合和燃燒過程有著重要影響，從而對炭煙的生成和氧化產(chǎn)生決定性影響。由于這些參數(shù)的相互制約，從而對炭煙的影響有時是此消彼長，這就給研究工作帶來了很大困難。研究人員經(jīng)過多年的試驗研究，對柴油機的各參數(shù)以及各參數(shù)間對炭煙的形成和氧化過程的影響有了較為全面的了解，其中高壓噴油和空氣渦流作為敏感參數(shù)改善了燃油霧化及混合物的形成，增加了空氣攜帶量，這將減小燃燒室中富油區(qū)的當量比，從根本上減少了炭煙生成量。

2 某柴油機燃燒系統(tǒng)分析

某柴油機為淺ω燃燒室、供油壓力80MPa、無渦流、4氣門、增壓中冷柴油機。整機性能存在主要問題是油耗較高、排氣煙度較大，全負荷最大煙度接近4Bosch煙度值。為了能直觀、深入地理解該柴油機氣缸內(nèi)工作過程，利用CFD仿真軟件FIRE進行了氣缸內(nèi)過程分析，可更好的觀測和分析燃燒過程中的微小變化。內(nèi)燃機氣缸內(nèi)流動是強瞬變、不定常的湍流流動。燃燒室內(nèi)的流場情況對噴束的霧化及油氣混合有著強烈的作用和影響。

圖2 不同時刻氣缸內(nèi)流場與燃油分布

圖2給出了10°CA ATDC、20°CA ATDC和25°CA ATDC氣缸內(nèi)流場與燃油分布情況，從圖中可以看出，隨著噴霧和燃燒過程的進行，逆擠流的作用使得油束兩側的渦團逐漸消失，高溫高壓氣體攜帶未燃燃油以及中間產(chǎn)物沖出燃燒室尋找新鮮空氣，以促使發(fā)生二次氧化反應，但由于沒有渦流的作用，燃燒室為淺盆形對擠流的保持性較差，氣流運動只能靠油束慣性作用，從圖2左側流場軸向分布可以看出，慣性作用下燃油的主要運動方向為凹坑壁面和頂部余隙，由于大量燃油向凹坑壁面發(fā)展，必然會導致該區(qū)域燃油堆積；向頂部余隙發(fā)展的燃油，由于燃燒室上方區(qū)域空間太小，而且溫度較低，與氣缸壁面接觸的面積增大，從而增加了發(fā)生火焰淬熄的幾率。

通過對三維結果的分析可以發(fā)現(xiàn)，該型機燃燒系統(tǒng)存在著不足，由于噴油壓力低、無空氣渦流，使得燃油霧化不好，油氣混合不均勻，造成燃燒過程炭煙的大量生成。

3 燃燒系統(tǒng)改進方案分析研究

針對影響柴油機炭煙生成的敏感參數(shù)——噴油壓力、空氣渦流對燃燒室進行了三種不同匹配方案的研究（表1）。噴油壓力與原型機相比均提高至100MPa，考慮了噴孔數(shù)和噴孔直徑這兩個結構參數(shù)變化引起貫穿距的相應變化，并針對不同的噴孔數(shù)匹配了相應的渦流比，旨在加強油氣混合，使燃燒盡可能充分。圖3～圖7為不同方案與原型機壓力、溫度、放熱率、剩余燃油量和擠流強度結果對比。

從壓力和溫度曲線對比情況可以看出，方案A1與A2比較接近，方案A3介于A1、A2和原型機之間，從圖6可以發(fā)現(xiàn)，原型機與方案A相比，燃燒終了時剩余燃油量很大，燃燒持續(xù)期最長，導致了最終燃燒效果比較差。改進后方案A1、A2與A3相比，方案A1無論是在急燃期還是在燃燒后期，燃油剩余均是最少的，燃燒最完全，持續(xù)時間最短，效率最高，A2次之，A3最差。