噴霧錐角對船用低速柴油機性能影響仿真研究

任貴龍, 王筱蓉, 金張良, 羅會利

(江蘇科技大學 機械工程學院, 江蘇 鎮江 212003)

隨著航運業的快速發展,船舶制造商和船用柴油機的消費者對動力性和可靠性給予了相當的關注.低速二沖程船用柴油機由于功率大,效率高,可靠性好,安全耐用,熱效率接近或超過50%,對各類船舶具有很強的適應性等特性,成為大型海洋機械和貨船的主要驅動裝置[1-4]. 但是,隨著國際海事組織(IMO)Ⅲ級限制的實施,即從2016年1月1日起,低速船用柴油發動機的NOX排放[5]在發動機轉速低于130 r·min-1時不得超過3.4 g · (kWh )-1,進一步要求發動機要減少NOX、SOX和顆粒物的排放,并提高其發動機的效率[6-8].SCR(選擇性催化還原技術)雖然可以有效地降低排放,但是隨著更加嚴苛排放法規的實施,SCR面臨了越來越多的困境[9-13].因此改善缸內燃燒技術,進一步提高燃燒效率和降低排放成為首要任務.與其他小型柴油發動機相比,船用柴油發動機具有巨大的外部尺寸、高輸出功率和高油耗,需要昂貴的實驗成本[14-15].因此,三維模擬仿真技術在輔助先進燃燒系統的設計中發揮了重要作用[16].在模擬過程中,可以使用三維計算流體動力學軟件(如STAR-CD,KIVA,FIRE和CONVERGE 2.3)模擬不同的燃燒模型,預測并分析柴油機噴霧燃燒過程,模擬數據能很好地與實驗數據相吻合.李云清等[17]用FIRE軟件對柴油機噴霧錐角進行了數值研究,結果表明較小的噴霧錐角可以提高氣缸內噴霧霧化的質量.Benajes等[18]將CFD建模與實驗驗證相結合, 發現燃燒特性的模型分析與實驗驗證一致,在調整煙灰形成模型常數后,最終排放含量接近實驗數據.Sun等[19]在相同的操作條件下,利用CFD模擬不同的燃燒模型和替代燃料,以研究其對船用柴油機性能的影響,仿真模型用實驗數據驗證后發現,其缸內壓力和排放的誤差也在可接受的范圍內.Lechner等[20]研究了在四缸柴油發動機上不同預噴射時刻的115°、80°和60°噴霧錐角的燃燒和排放,并進行了數值模擬研究.結果表明,隨著預噴射時間的逐步推進,需要使用小錐角減少排放.

模型仿真預測已得到大量運用[21-22],本文用流體軟件STAR-CD研究船用低速二沖程柴油發動機在不同噴霧錐角時對柴油機性能的影響規律.該機有相對于氣缸軸線對稱布置的2個噴油器,每個噴油器有4個噴孔,如圖1所示.為合理選取噴霧錐角提供支持,為后續柴油機的設計和開發提供參考.

圖1 噴油系統位置分布圖Fig.1 Location map of fuel injection system(a)—噴孔位置示意圖; (b)—噴油器位置示意圖.

1 模型建立及網格劃分

某船用二沖程柴油機的轉速為167 r·min-1, 缸徑為350 mm,沖程為1 550 mm,連桿長度為1 550 mm,仿真對應的工況為100%,計算域的幾何模型及網格如圖2所示,采用STAR-CD ES-ICE模塊完成網格的劃分,網格總數358 423.

圖2 計算域的幾何模型及網格

2 數學模型及初始邊界條件

本文應用CFD軟件STAR-CD及ES-ICE進行仿真,缸內湍流流動采用高階雷諾數的k-Epsilon方程;油嘴噴霧采用Reitz-Diwakar模型;著火采用Shell模型模擬;液滴的破碎和碰壁分別采用Reitz模型、Bai模型;湍流燃燒采用EBU LATCT模型;氮氧化物生成采用擴展的Zeldovich機理.計算的初始邊界條件由一維GT-Power系統仿真提供,具體見表1.本文研究3個工況,工況1的噴霧錐角為10°,工況2的噴霧錐角為15°,工況3的噴霧錐角為20°.3個工況的其他參數均保持不變,噴油正時為4°,噴油規律見圖3,每個循環單缸噴油量為15.12 g.

表1 初始邊界條件Table 1 Initial boundary conditions

圖3 噴油規律曲線Fig.3 Curve of fuel injection law

3 試驗驗證仿真計算模型

內燃機在某廠進行了單缸燃燒試驗研究,瞬時燃燒放熱率是根據實際測得的缸壓數據,通過熱力學第一定律估算實際的放熱率.另外,測得了4種不同負荷下NOX生成總量、瞬時放熱率曲線,以及NOX生成物總量圖.仿真與試驗進行對比,結果如圖4、圖5所示.仿真計算得到的瞬時放熱率曲線與試驗缸內壓力推算所得的放熱率曲線基本吻合,均呈單峰狀;試驗所得燃燒始點較仿真結果提前約 1.6°,且試驗最大放熱率峰值為80.7 J·(°)-1,仿真所得最大放熱率峰值為79.3 J·(°)-1,峰值誤差率1.73%,相應曲軸轉角相差0.9°.總體來看,仿真所得結果比較理想,誤差在工程允許的范圍內.

圖4 放熱率曲線對比圖Fig.4 Comparison chart of heat release rate curves

圖5排放物生成總量對比圖
Fig.5Comparison chart of total emissions

由圖5可以看出,仿真所得不同負荷下NOX生成量與試驗值的變化趨勢基本一致,是隨著負荷的減小而增加.對各工況NOX的排放進行加權平均計算可知,仿真計算NOX生成量為17.25 g·(kWh)-1,試驗測定的NOX排放量為15.84 g·(kWh)-1,二者相差1.41 g·(kWh)-1,誤差率為8.9%.關于排放的準確性一直是現階段CFD三維仿真軟件普遍存在的問題.本文的仿真結果可預測NOX排放的趨勢,為實際NOX生成、排放總量提供一定的參考.

4 噴霧錐角對柴油機性能的影響

4.1 噴霧錐角對燃油分布的影響

計算模型的坐標系原點位置如圖2所示,云圖的截面為噴油器噴孔所在截面,即z=27 mm處,不同曲軸轉角下各情況的燃油分布如表2所示.

表2氣缸截面燃油分布圖
Table 2Fuel distribution diagram of cylinder section

由表2可知, 各個工況中的燃油分布都繞氣缸軸線作逆時針轉動, 燃油分布面積先變大, 持續一段時間后再變小.油核濃度位于燃油分布范圍的中心, 具有由小變大再由大變小, 最終逐漸消失的趨勢, 這是缸內氣體渦流和噴油器油孔方向及噴油規律共同作用的結果. 同一曲軸轉角,各工況的燃油分布差別不大.仔細觀察370°轉角的分布圖可以看出, 3個工況的燃油分布范圍相差不大, 但是工況3的燃油濃度區域的范圍最小,工況2次之,工況1最大. 工況3的噴霧錐角相比工況2和工況1要大, 因此比較小的噴霧錐角燃油分布范圍大, 燃油擴散更充分. 同理,380°轉角時, 工況3燃油分布核心的面積最小,工況2較大,工況1最大.到390°時, 3個工況的燃油分布范圍有了明顯的差別, 工況3的分布范圍最小, 工況1的分布范圍最大. 這是因為工況3噴霧錐角大, 油氣擴散更加均勻, 有更多的燃油擴散均勻后用于燃燒做功, 因此其剩余的燃油分布范圍最小. 由此可知, 隨著噴霧錐角的增加, 燃油的分布趨于更加均勻, 有利于擴散燃燒中油氣混合.

4.2 對缸內壓力的影響

由圖6可知,各工況的壓縮行程壓力及其對應的曲軸轉角相同,均為17.13 MPa,359.8°.3個工況爆發壓力對應的轉角都是371.1°,工況3的爆發壓力最大,為19.9 MPa;工況2的爆發壓力次之,為19.68 MPa;工況1的爆發壓力最低,為19.45 MPa.由此可知,噴霧錐角增大,可使缸內爆發壓力升高,提升柴油機做功能力.從動力性上考慮,在設計允許的爆發壓力范圍內,可以通過增大噴霧錐角來增強柴油機的做功性能.

圖6缸內壓力曲線
Fig.6Cylinder pressure curve

4.3 對缸內溫度的影響

噴油孔所在位置z=27 mm的平面缸內溫度分布如表3所示,由表3可知,各工況缸溫分布也呈現出繞氣缸軸線逆時針轉動的趨勢,以工況1為例, 曲軸轉角為365°時,缸內高溫區域分布范圍明顯變大,且溫度有所升高,隨著燃油的燃燒,氣缸內高溫區域的范圍逐漸變大,溫度值逐漸升高;曲軸轉角為380°時,氣缸內局部區域溫度值達到最高值,此區域范圍較小,高溫區域分布很不均勻,兩個相對高溫區域中間的相對低溫區域(橢圓形)分布范圍還比較大,此時的平均缸溫并非最大; 曲軸轉角達到385°時,缸內最高溫度分布范圍已經很小了,相對高溫區域的范圍卻比較大,且分布相對均勻,“橢圓形”低溫區域分布減少,在此3個工況的缸溫曲線如圖7所示.從圖7可知, 3個工況爆發溫度對應的曲軸轉角相同, 為384°. 工況3的爆發溫度最高, 為1 841.3 K; 工況1的爆發溫度最低, 為1 830.2 K; 工況2的爆發溫度居中, 為1 834.7 K. 結合缸內溫度分布的分析, 得到船用低速柴油機噴霧錐角對缸內溫度分布的影響規律: 缸內溫度隨著噴霧錐角的增大而增大.

表3氣缸截面溫度分布圖
Table 3Temperature distribution diagram of cylinder section

續表3

刻附近缸內的平均溫度最高;曲軸轉角為390°時,進入后燃期,缸內高溫區域范圍開始減小,溫度開始降低.對比分析3個工況可知,3個工況在同一時刻的溫度分布情況基本相似,仔細觀察后,發現三者還是有一定區別的,曲軸轉角為370°時的分布圖最為明顯,此時3個工況的分布范圍基本相同,但工況3的高溫區域的范圍最大,工況1的高溫區域最小,這說明此刻工況3較工況1和工況2放出的熱量多.

圖7缸內溫度曲線
Fig.7Cylinder temperature curves

4.4 對NOX排放的影響

缸內噴油孔所在位置z=27 mm平面中NOX的分布如表4所示, NOX的生成曲線如圖8所示.

NOX生成條件是高溫富氧,由表4可知,NOX生成的區域正是缸內溫度較高的區域.因隨著噴霧錐角的增加,缸內溫度上升,所以工況3生成的NOX最多.從NOX分布上看,3個工況中NOX分布的范圍基本相同,沒有太大差距;但從NOX生成曲線上可以看到各個工況中NOX生成總量的差距,工況3生成量最多,為1.542 g;工況1生成量最少,為1.514 g;工況2的生成量居中,為1.526 g.由此可知,隨著噴霧錐角的增加,NOX的生成量增大.

表4氣缸截面NOX分布
Table 4NOXdistribution in the cylinder section

圖8 NOX生成曲線Fig.8 NOX generation curves

5 結 論

通過對某船用低速柴油機噴霧錐角的仿真研究,得到噴霧錐角對柴油機性能的影響規律如下.

(1) 隨著噴霧錐角的增加,燃油分布更加均勻,有利于船用低速柴油機缸內油氣的混合.

(2) 缸內壓力隨著噴霧錐角的增大而增大.在爆發壓力允許的范圍內,噴霧錐角增加能夠提升整機的做功能力,提高其動力性.

(3) 缸內最高溫度隨著噴霧錐角的增大而增大,過高的溫度增加了柴油機的熱負荷及排放物的生成量,因此噴霧錐角的增加需滿足整機熱負荷及排放物生成量的控制要求.

(4) NOX產生于高溫富氧的條件,噴霧錐角增大,缸內溫度升高,NOX生成量增加.為滿足排放法規,可以減小噴霧錐角.

(5) 為了研究船用低速柴油機的噴霧錐角的準確性和可持續性,需要配合大量的試驗,將數值模擬的仿真與試驗有機結合,圍繞降低排放、提升性能這一核心,進行更加深入的探索研究.