進氣擋板對TBD620柴油機燃燒過程的影響分析

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(海軍工程大學 船舶與動力學院，武漢 430033)

TBD620柴油機在進氣系統中成功地采用了先進的“HALLO雙進氣道可控渦流”技術，柴油機的每只氣缸蓋上布置有兩個進氣道和一個排氣道。兩個進氣道彼此獨立，一個進氣道為直流進氣道，另一個為渦流氣道。在直流氣道的入口處裝有一個可調節開度的活門，活門的開度由增壓壓力控制的調節桿隨負荷的變化自動進行調節。

氣體經雙進氣道進入氣缸，對燃燒室中混合氣的形成和燃燒發生影響，因此通過對柴油機TBD620可控雙進氣道進行理論分析和實驗研究，探討進氣擋板對TBD620柴油機燃燒過程的影響。

1 TBD620柴油機燃燒放熱率計算

對放熱規律的計算以零維熱力學模型(完全燃燒模型)為基礎進行。

以實測p-φ圖計算放熱率的基礎是熱力學第一定律。在燃燒過程中，燃油燃燒釋放出的熱量等于系統工質總的內能、對外所作的機械功和工質與系統周壁所交換的熱量的總和。所以要計算各工況下的放熱率必須先求出等式中其它三項的值。

計算過程見參考文獻[1]。

2 缸內示功圖測試

為進行TBD620柴油機低負荷運行工況的測試分析，建立了TBD620柴油機測試臺架。試驗臺由TBD620V12柴油機，Y1900-S型水力測功器組成；臺架測試系統由缸內壓力傳感器各種常規溫度、壓力、流量、轉速傳感器、柴油機多功能測試儀和多功能數據采集儀組成。試驗臺架和測試系統組成示意圖如圖1所示。

圖1 性能測試臺架組成示意

TBD620V12型柴油機為增壓中冷V型12缸機，其性能參數見表1[2]。

表1 TBD620V12型柴油機性能參數

由于TBD620柴油機進氣渦流調節，主要是解決長期低負荷運行的問題，因此測試工況主要在額定轉速1 500 r/min、負荷從0至60%、不同進氣渦流擋板開度下進行，并用文獻[3]中的方法對示功圖進行了通道效應的消除和上止點的標定。

圖2給出了30%負荷下的示功圖及計算的放熱規律。

圖2 30%負荷下的示功圖及計算的放熱規律

3 燃燒放熱率計算結果分析

從放熱規律計算結果可以看出，TBD620V12型柴油機的放熱規律表現為典型高速大功率船用柴油機的放熱規律類型，該放熱規律具有兩個峰值，分別對應柴油機燃燒中的預混燃燒和擴散燃燒兩部分。

通過對試驗工況數據進行分析，確定了不同負荷下不同進氣擋板位置對燃燒始點、燃燒終點、預混燃燒峰值位置、預混燃燒峰值大小、預混燃燒比例的影響。

3.1 燃燒始點

圖3為不同負荷的不同進氣擋板開度下，燃燒始點的變化規律。

圖3 燃燒始點變化規

該機的噴油提前角為上止點前29°CA，由此可以確定其滯燃期的變化規律見圖4。

圖4 滯燃期變化規

隨著負荷的提高，滯燃期相應變短，在進氣擋板全關時，由10%負荷時的17.75 °CA縮短為60%負荷時的7.34 °CA。這是由于負荷增加，噴入氣缸的燃油量增加，使得燃油噴射壓力提高，噴油霧化改善，同時由于柴油機增壓壓力提高、進氣量增加，使得油氣混合改善，相應的滯燃期縮短。

在各負荷下，滯燃期都隨著進氣擋板開度的減小而變短，在10%負荷時，滯燃期由擋板全開的18.31 °CA縮短為全關時的17.75 °CA；在60%負荷時，滯燃期由擋板全開的8.28 °CA縮短為全關時的7.34 °CA。這是由于隨著進氣擋板的關閉，柴油機主進氣道流通截面積逐漸減小，新鮮空氣由渦流氣道進入氣缸，提高了進氣渦流比，使柴油機油氣混合改善，相應的滯燃期縮短。

3.2 燃燒持續期

圖5為不同負荷的不同進氣擋板開度下，燃燒持續期的變化規律。

圖5 燃燒持續期變化規律

隨著負荷的增加，柴油機燃燒持續期相應增加，由10%負荷下的69.4 °CA增加為81.9 °CA。隨著進氣擋板位置的關閉，燃燒持續期有稍稍的縮短，但并不是特別的明顯，這說明進氣渦流的增加，可改善燃燒，但對柴油機燃燒持續期的影響并不十分明顯，燃燒持續期主要與柴油機負荷有關。

3.3 預混燃燒峰值

圖6為預混燃燒峰值在不同負荷不同進氣擋板開度下的變化規律。

圖6 預混燃燒峰值變化規

隨著負荷的增加，預混燃燒峰值迅速增加，在進氣擋板關閉，柴油機負荷由10%提高到40%時，預混燃燒峰值由50.2 J迅速提高為141.7 J，但增加到一定程度后，預混燃燒峰值增加則不太明顯，在進氣擋板關閉，柴油機負荷由40%提高到60%時，預混燃燒峰值由141.7 J只增加為148.1 J。這說明隨著柴油機負荷的提高，噴油量隨之增加，預混燃燒量相應的增大，但當噴油量達到一定程度，再增加噴油量只是增加擴散燃燒比例，預混燃燒量增加將不太明顯[4]。

隨著進氣擋板開度變小，預混燃燒峰值提高，但增長幅值不是特別明顯，在10%負荷下，進氣擋板由全開變為全關時，預混燃燒峰值由44.2 J上升為50.2 J。這是因為隨著進氣擋板的關閉，進氣渦流的加強，滯燃期內形成的可燃混合氣量增加，從而使預混燃燒量增大，預混燃燒峰值升高。

3.4 預混燃燒持續期

圖7為預混燃燒持續期在不同負荷不同進氣擋板開度下的變化規律。

圖7 預混燃燒持續期變化規

隨著負荷的增大，預混燃燒持續期迅速增長，在進氣擋板關閉，柴油機負荷由10%提高到30%時，預混燃燒持續期由10.2 °CA迅速提高為12.5 °CA，負荷再進一步增大時，預混燃燒持續期變化不太明顯。

在低負荷時，隨著進氣擋板開度變小，預混燃燒持續期相應增長，但隨著負荷的增加，這個趨勢逐漸的不再明顯。在10%負荷下，進氣擋板由全開變為全關時，預混燃燒持續期由9.74 °CA增長為10.20 °CA。這同樣是因為隨著進氣擋板的關閉，進氣渦流的加強，滯燃期內形成的可燃混合氣量增加，從而使預混燃燒量增大，預混燃燒持續期增長。小負荷下進氣擋板位置的影響明顯，也說明了渦流氣道對改善低負荷的有效性。

3.5 預混燃燒比例

圖8為不同負荷不同進氣擋板開度下，預混燃燒比例的變化規律。

圖8 預混燃燒比例變化規

隨著負荷的增加，預混燃燒比例相應的降低。在進氣擋板全開，由20%負荷增加到60%負荷時，相應的預混燃燒比例由0.311減小為0.231。這是由于隨著負荷的增加，循環噴油量增加，相應的更多燃油不能在滯燃期內迅速形成可燃混合氣而進行擴散燃燒，導致預混燃燒比例相應降低。

隨著進氣渦流擋板的關閉，預混燃燒比例相應增大。在40%負荷下，進氣擋板由完全打開到完全關閉，預混燃燒比例由0.285 相應提高到0.322。這是由于渦流擋板的關閉，提高了進氣的渦流強度，加速了氣缸內的油氣混合，形成了更多的可燃混合氣，使得預混燃燒比例增加。這明顯的說明了渦流進氣道對改善燃燒的作用。

4 結束語

在低負荷下，關閉進氣渦流擋板，可提高進氣渦流比，有效改善缸內可燃混合氣形成質量，縮短滯燃期、增強預混燃燒比例，從而改進柴油機的燃燒過程，結合其它的改善低負荷手段，可保證TBD620型柴油機在低負荷下可靠長期運行。

[1] 周俊杰，邱 東，解茂昭，等.柴油機工作過程數值計算[M].大連：大連理工大學出版社，1990.

[2] 張煜盛，常漢寶.可控進氣渦流對柴油機低負荷性能影響的研究[J].內燃機學報，2004，22(5):419-424.

[3] 王艷武.柴油機示功圖實時修正方法研究[D].武漢：海軍工程大學,2003.

[4] Edwin Knobbe, Phd, Douwe Stapersma, et al.Some New Ideas for Performing Heat Release Analysis[C].Hamburg： CIMAC, 2001.