基于標量場協同的柴油機油氣混合特性研究

徐春龍

基于標量場協同的柴油機油氣混合特性研究

徐春龍

（中國北方發(fā)動機研究所，天津 300400）

研究過量空氣系數對柴油機缸內油氣混合特性的影響情況。基于柴油機缸內燃油混合氣濃度和湍流混合速率兩個微觀物理場的耦合作用，定義混合協同效率和混合協同度對缸內混合特性進行定量描述。隨著過量空氣系數的升高，燃油混合氣濃度場和湍流混合場相互作用的持續(xù)時間增長。在過量空氣系數1.3~1.6范圍內，隨著過量空氣系數的增加，混合協同效率的峰值逐漸降低。在過量空氣系數1.6~2.2范圍內，隨著過量空氣系數的增加，混合協同效率的峰值整體呈上升趨勢。過量空氣系數1.7前后混合協同度的變化規(guī)律不同。過量空氣系數達到1.7后，隨著進氣量的增加油氣混合質量改善的空間減小。

柴油機；標量場；混合特性；混合協同效率；混合協同度

柴油機擴散燃燒的特點使得缸內的油氣混合質量對燃燒起著至關重要的作用。因此對缸內混合過程進行研究有助于分析和改善實機的性能，具有非常重要的工程應用價值。

為了理解缸內的油氣混合過程，眾多的學者從傳熱[1]、燃油的屬性[2]及燃燒系統(tǒng)參數[3-4]等對油氣混合的影響的角度進行了大量的研究，但大都是從定性的角度進行研究。為了定量地了解油氣混合過程，部分學者結合數值模擬進行研究。大致分為三種方法：第一種是基于統(tǒng)計學的角度對此展開研究，從濃度方差[5]等數學概念或者對缸內的混合氣進行分區(qū)段研究[6]；第二種是基于相關的燃燒模型從混合的時間尺度[7-8]對此展開研究；第三種是基于柴油機內不同場之間的耦合作用對柴油機混合特性進行研究。多場的耦合作用[9]在強化傳熱方面研究比較多。劉福水等[10]率先將場協同的理念應用于發(fā)動機缸內的油氣混合，從微觀的角度揭示了缸內的油氣混合過程。

文中基于場協同的理念，從宏觀物理場的耦合作用出發(fā)，通過建立混合協同效率和混合協同度兩個參數對過量空氣系數1.3~2.2范圍內的混合特性進行量化研究。對合理組織缸內氣流形成均勻的混合氣具有重要的指導意義。

1 多場耦合作用及相關的計算設置

1.1 多場耦合作用

柴油機缸內存在復雜的氣流運動。隨著活塞的上行，在燃燒室狹小空間內形成的擠流增強了缸內的空氣的擾動。此外在燃油噴射過程中，由于燃油高速噴入氣缸與周圍空氣發(fā)生動量交換而引起的空氣卷吸運動進一步增強了缸內空氣的擾動。這使得燃燒室內存在不同尺度的湍流，進而影響到缸內的油氣混合，并最終體現在缸內的燃燒狀況上。缸內混合氣的燃燒引起缸內局部溫度的急劇升高，溫度梯度的存在引起了缸內的密度分布不均勻，繼而又促進了對流擴散的進行。

可以看出，柴油機的油氣混合過程涉及多個物理場的相互作用，各個物理場相互耦合，造成燃油混合氣分布的差異。所涉及到的物理量可劃分為矢量和標量兩類。柴油機缸內涉及到的矢量包括速度、溫度梯度、濃度梯度等；標量包括傳統(tǒng)的標量（濃度、溫度、壓力等）及燃燒和流動延伸產生的物理量（湍流混合速率、長度尺度等）。為了定性及定量地研究柴油機缸內的油氣混合作用，基于強化傳熱中的場協同理論，選取燃油混合氣的濃度和湍流混合速率兩個標量，研究不同的物理場的耦合作用對油氣混合的影響。

定義燃油混合氣濃度場的空間體積為1；湍流混合場的空間體積為2；混合協同場的空間體積為3；則混合協同效率e=3/1。

其中湍流混合速率是基于對EBU模型的理解，和湍流輸運過程相比，化學反應的時間尺度很小，認為化學反應在瞬間即可完成，所以燃燒速率是由湍流渦旋相互混合的速率決定的，即正比于湍流混合時間的倒數/。構建描述燃燒室內湍流動能變化快慢的標量——湍流混合速率：

式中：m為單元格中氣體的質量；ε為單元格中氣體的湍能耗散率；k為單元格中氣體的湍動能。

圖1為混合協同效率的示意圖。燃油混合氣濃度場的空間分布體積1與湍流混合場2的交集越大，即兩標量場協同作用的空間體積3就越大，則表明湍流混合場對混合氣的影響越大。當1全部處于湍流混合場時，混合協同效率為1，此時湍流混合場對油氣混合的影響最大。

圖1 混合協同效率示意

混合協同度d定義為混合協同效率的時間積分，混合協同度的值越大則表征油氣混合的越好，越有利于燃燒的進行。

1.2 計算設置

文中采用AVL Fire針對四沖程單缸高速柴油機進行研究。在仿真過程中選取-模型對缸內的湍流進行模擬，燃燒模型采用EBU模型，破碎模型采用WAVE模型，自燃模型采用Shell模型。壁面邊界包含氣缸蓋底面、活塞頂面及氣缸壁面，壁面溫度分別為550，520，470K。

所研究的柴油機缸徑和行程為107 mm×107 mm，發(fā)動機轉速為4250 r/min，壓縮比為14.3，噴孔結構為10 mm×0.22 mm，噴油壓力為150 MPa。仿真計算從壓縮下止點（180° CA）到膨脹下止點（540° CA），為了減少計算量，選取1/10柴油機作為計算區(qū)域。在上止點時刻，計算網格的總數為7440，網格見圖2。

圖2 上止點時刻燃燒室的網格

圖3為過量空氣系數為1.7時，實驗與仿真的缸內平均壓力的對比圖，可以看出，實驗與仿真的缸內平均壓力結果具有較好的一致性，驗證了仿真模型的準確性。基于基準模型，通過調節(jié)進氣壓力實現不同的過量空氣系數，研究過量空氣系數對柴油機缸內燃燒特性的影響機制。

圖3 實驗與仿真的缸內平均壓力對比

2 結果分析

由圖4可知，在燃油噴射初始階段，不同過量空氣系數下湍流混合速率基本相同。在353°CA之后湍流混合速率快速上升，且過量空氣系數越低，湍流混合速流的升高率越大。在370°CA附近時達到最大值，過量空氣系數越低湍流混合速率越大，過量空氣系數為1.3時的湍流混合速率是過量空氣系數為2.2時的1.26倍。這是因為湍流混合速率主要受油束的影響，燃油噴射開始之后，過量空氣系數越低，油束卷吸作用越強烈，湍流混合速率越大。

圖4 過量空氣系數對缸內湍流混合速率的影響

隨著燃油噴射的進行以及活塞的上行，缸內燃油混合氣濃度方差迅速升高，混合均勻性變差。燃燒開始后，缸內燃油混合氣迅速消耗，導致燃油混合氣濃度方差上升速率降低。在噴油結束之后，隨著燃油的進一步蒸發(fā)，燃油混合氣與空氣混合越來越充分，混合氣的分布也越來越均勻。過量空氣系數越低，燃油混合氣濃度方差增長速率越快，且出現峰值的時刻推遲。過量空氣系數為1.3時的燃油混合氣濃度方差是過量空氣系數為2.2時的2.34倍，見圖5。

圖5 過量空氣系數對缸內燃油混合氣濃度方差的影響

為了從微觀的角度研究過量空氣系數對燃油混合氣的分布的影響，將燃油混合氣按當量比劃分為0

由上述結果可以看出，在擴散燃燒階段，低過量空氣系數下缸內稀混合氣的比例較少，濃混合氣的比例較多。一方面是由于缸內初始空氣量的不足使得整體的混合氣趨于更濃，另一方面是由于前期形成了更多的稀混合氣在擴散燃燒階段被大量消耗，從而使得更多的過濃混合氣參與到擴散燃燒中。

過量空氣系數對柴油機缸內燃油混合氣分布影響明顯。首先，同一時刻過量空氣系數越低，燃油噴霧的貫穿距離更大，燃油液滴更靠近于凹坑壁面。其次，燃油混合氣更靠近凹坑壁面，在360°CA時刻，隨著過量空氣系數的增大，燃油混合氣距凹坑壁面的距離越遠。最后，不同的過量空氣系數下燃油混合氣的空間分布差別較大。經對比可以看出，在360°CA時刻，過量空氣系數越小，燃油混合氣的空間分布越大。在370°CA時刻，過量空氣系數較小時，燃油混合氣主要集中在燃燒室凹坑、喉口處，并逐漸開始向側隙運動。過量空氣系數較大時，燃油混合氣的觸壁面積減少，向側隙運動的趨勢減弱，見圖7。

圖6 過量空氣系數對不同濃度混合氣質量分數的影響

圖7 過量空氣系數對燃油混合氣軸向分布的影響

由圖8可以看出，過量空氣系數對混合協同效率有較大的影響，主要體現在混合協同效率峰值、峰值出現的時刻及標量場交互作用持續(xù)的時間三個方面。在燃油噴射初期，由于低過量空氣系數下燃燒滯燃期較長，形成較多的混合氣，燃油混合氣濃度場和湍流混合場的混合協同場的體積較大，隨著過量空氣系數的升高混合協同效率逐漸降低。隨著噴霧的發(fā)展及燃燒的進行，低過量系數下燃燒初期形成的大量混合氣迅速消耗，混合協同場的體積減小，混合協同效率降低。對比不同過量空氣系數下的混合協同效率分布的形狀曲線可知，混合協同效率的分布重心出現的時刻逐漸推遲。

圖8 過量空氣系數對混合協同效率的影響

不同過量空氣系數下混合協同效率的峰值存在較大的差異，見圖9。在過量空氣系數1.3~1.6范圍內，隨著過量空氣系數的增加，混合協同效率的峰值逐漸降低。在過量空氣系數1.6~2.2范圍內，隨著過量空氣系數的增加，混合協同效率的峰值整體呈上升趨勢。

在上止點時刻，高混合協同效率區(qū)主要分布在油束末端區(qū)域，隨著過量空氣系數的增加，混合協同效率的空間分布距燃燒室凹坑壁面的距離逐漸增大，油束末端的混合協同效率的空間分布逐漸封閉。過量空氣系數為1.3~1.6時，混合協同效率的分布較廣，油束末端區(qū)域不連通，且部分區(qū)域與缸壁重合。在過量空氣系數1.7~2.2范圍內，隨著過量空氣系數的增大，混合協同效率的空間分布逐漸與壁面分離，在油束末端附近形成封閉區(qū)域，總體的空間分布體積增大，見圖10。

為了更直觀地研究缸內的油氣混合特性，對不同過量空氣系數下的混合協同度進行了研究。由圖11可知，隨著過量空氣系數的增大，混合協同度增大。說明過量空氣系數的增加，促進了燃油混合氣濃度場和湍流混合場的協同作用，有利于混合的進行。過量空氣系數1.7前后，混合協同度的變化規(guī)律發(fā)生了明顯的變化。這說明過量空氣系數達到1.7之前，隨著進氣量的降低，缸內油氣混合質量迅速惡化；過量空氣系數達到1.7后，隨著進氣量的增加，缸內的油氣混合質量改善的空間減小。

圖9 過量空氣系數對混合協同效率峰值的影響

圖10 上止點時刻混合協同效率場的空間分布

圖11 過量空氣系數對混合協同度的影響

3 結論

文中基于場協同的理念，選取瞬時放熱場和湍流混合場兩個標量場，建立混合協同效率和混合協同度兩個參數對過量空氣系數1.3~2.2的柴油機缸內混合特性進行量化，研究過量空氣系數對缸內混合特性的影響。

1）在燃油噴射初期，過量空氣系數越低混合協同效率越高。隨著噴霧和燃燒的進行，在上止點之后，過量空氣系數越低，混合協同效率越低。隨著過量空氣系數的增大，燃油混合氣濃度場和湍流混合場的相互作用時間增長。

2）在過量空氣系數1.3~1.6范圍內，隨著過量空氣系數的增加，混合協同效率的峰值逐漸降低。在過量空氣系數1.6~2.2范圍內，隨著過量空氣系數的增加，混合協同效率的峰值整體呈上升趨勢。

3）隨著過量空氣系數的增大，混合協同度增大，缸內的混合質量變好。過量空氣系數1.7前后混合協同度的變化規(guī)律發(fā)生明顯的變化。過量空氣系數達到1.7之前，隨著進氣量的降低，缸內油氣混合質量迅速惡化；過量空氣系數達到1.7后，隨著進氣量的增加，缸內的油氣混合質量改善的空間減小。

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Mixing Characteristics of Diesel Engine Based on the Coupling Effect of Scalar Field

XU Chun-long

(1.China North Engine Research Institution, Tianjin, 300400)

To study effects of excess air ratio on mixing characteristics in cylinder.Mixing synergistic efficiency and mixing synergistic degree were defined to quantitatively investigate the mixing characteristics in cylinder based on the coupling effect of scalar physical fields of fuel mixture concentration and turbulent mixing rate.With the increase of excess air coefficient, the interaction duration of fuel mixture concentration field and turbulent mixing field also increased. When the excess air coefficient ranged from 1.3 to 1.6, the peak values of mixing synergistic efficiency decreased with the increase of excess air coefficient. In the range from 1.6 to 2.2, the peak value of mixing synergistic efficiency tended to be on the rise with the increase of excess air coefficient.The mixing synergistic is different before and after excess air coefficient of 1.7. When the excess air coefficient reaches 1.7, with the increase of excess air coefficient, the improvement space of mixing quality decreases.

diesel engine; scalar field; mixing characteristics; mixing synergistic efficiency; mixing synergistic degree

10.7643/ issn.1672-9242.2017.10.007

TK421.2

A

1672-9242(2017)10-0035-06

2017-06-27；

2017-08-02

徐春龍（1972-），男，研究員，主要從事內燃機供油及燃燒系統(tǒng)研究。