柴油機(jī)噴油器積碳對燃燒影響的研究

王憲成， 張永峰， 趙文柱， 楊紹卿

(陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系， 北京 100072)

燃料供給系是柴油機(jī)最為重要的部件之一，噴油器是燃料供給系統(tǒng)的終端，是影響柴油機(jī)燃燒特性的關(guān)鍵部件[1]。柴油機(jī)在使用過程中，由于工作環(huán)境惡劣，噴油器噴孔內(nèi)部的殘余燃料在高溫高壓下形成薄油膜，極易發(fā)生裂化反應(yīng)生成積碳[2-3]。噴孔積碳會(huì)使噴油器流量損失增大、噴霧質(zhì)量下降等，進(jìn)而影響燃燒，使柴油機(jī)性能劣化[4-6]。

裴毅強(qiáng)等[7-8]發(fā)現(xiàn)：當(dāng)燃油噴射壓力分別為4、8、12 MPa時(shí)，積碳噴油器噴孔流量損失增大，各孔噴霧特征參數(shù)的一致性變差，噴霧落點(diǎn)的形態(tài)變化增大，且呈不對稱分布；積碳噴油器尾噴起始時(shí)刻滯后，尾噴持續(xù)期縮短，且尾噴油束的貫穿距和速度減小。韓欣[9]發(fā)現(xiàn)：隨著噴油壓力增大，積碳噴油器噴霧錐角的變化幅度較小。趙文柱等[10-13]通過電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)，當(dāng)積碳噴油器經(jīng)400 h耐久性試驗(yàn)后，噴孔長度和內(nèi)部粗糙度增大；通過單缸柴油機(jī)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噴油器噴孔積碳使缸內(nèi)燃燒劣化，柴油機(jī)性能下降。目前，對噴油器的積碳研究主要集中在噴油器積碳對噴油的影響，而未進(jìn)一步研究噴油器積碳后對燃燒的影響。

鑒于此，筆者基于某型裝甲車輛柴油機(jī)，采用試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法，對干凈、積碳噴油器分別進(jìn)行噴油試驗(yàn)和噴霧試驗(yàn)，獲取燃燒仿真模型的邊界條件，并基于converge軟件建立柴油機(jī)噴霧燃燒模型，分析了噴油器積碳對燃空當(dāng)量比、溫度場、缸壓和燃燒放熱率的影響。

1 噴油試驗(yàn)和噴霧試驗(yàn)

在大氣壓力101 kPa，環(huán)境溫度25 ℃的試驗(yàn)條件下，分別進(jìn)行噴油試驗(yàn)和噴霧試驗(yàn)，其試驗(yàn)參數(shù)如表1所示，其中噴油量由噴油速率曲線由計(jì)算得出。試驗(yàn)噴油器為某型裝甲車輛的零部件，噴孔直徑為0.35 mm，其積碳噴油器在保險(xiǎn)期臺架工作400 h。圖1為積碳噴油器噴孔出口形貌，可以看出：積碳噴油器噴孔存在明顯積碳。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

1.1 噴油試驗(yàn)

基于長管法，通過噴油泵試驗(yàn)臺架(如圖2所示)測量噴油器的噴油壓力，得出噴油速率。

圖1 積碳噴油器噴孔出口形貌

圖2 噴油泵試驗(yàn)臺架

試驗(yàn)測取噴油器嘴端壓力，對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、順滑處理，曲軸轉(zhuǎn)速1 400 r/min時(shí)干凈噴油器的噴油壓力變化曲線如圖3所示。可以看出：噴油壓力的峰值逐漸減小。

圖3 曲軸轉(zhuǎn)速1 400 r/min時(shí)干凈噴油器的噴油壓力變化曲線

根據(jù)圖3提取有效噴油壓力，噴油速率Q的計(jì)算分式為

(1)

式中：A為細(xì)長管截面積；u為燃料在管中的流速；a為聲速；ρ為燃油密度；p為噴油壓力。

曲軸轉(zhuǎn)速1 400、2 000 r/min時(shí)的噴油速率變化曲線分別如圖4所示。

圖4 噴油速率變化曲線

由圖4可以看出：與干凈噴油器相比，積碳噴油器的噴油速率峰值點(diǎn)提前了0.08 ms，其峰值在曲軸轉(zhuǎn)速1 400 r/min時(shí)降低了11.8 mg/ms，在曲軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)降低了12.1 mg/ms。

1.2 噴霧試驗(yàn)

在噴油泵試驗(yàn)臺架上，采用定容彈體，運(yùn)用直拍法進(jìn)行噴油器的噴霧試驗(yàn)，噴霧試驗(yàn)設(shè)備如圖5所示。定容彈體的背景壓力為2 MPa。試驗(yàn)時(shí)，通過擋片使噴油器的7個(gè)噴孔沿?fù)跗瑖娪停渲?個(gè)噴孔正常噴油，以獲得噴油器的噴霧圖像。

圖5 噴霧試驗(yàn)設(shè)備

曲軸轉(zhuǎn)速為1 400、2 000 r/min時(shí)干凈、積碳噴油器的噴霧圖像分別如圖6、7所示。在噴油器的噴霧圖像中提取噴霧貫穿距和貫穿錐角，其變化曲線分別如圖8、9所示。

圖6 曲軸轉(zhuǎn)速1 400 r/min時(shí)噴油器噴霧圖像

圖7 曲軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)噴油器噴霧圖像

圖8 噴霧貫穿距變化曲線

圖9 噴霧貫穿錐角變化曲線

由圖8、9可以看出：

從突破北緯十七度到走進(jìn)北緯十七度，廣東農(nóng)墾的天然橡膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展與國家“一帶一路”倡議高度契合。特別是在老撾、柬埔寨建立天然橡膠種植基地，為我國打通了東南亞農(nóng)業(yè)資源開發(fā)的戰(zhàn)略通道，并為后續(xù)拓展老撾、柬埔寨、泰國糧油資源奠定基礎(chǔ)，具有重大的經(jīng)濟(jì)、外交、國防戰(zhàn)略意義。

1) 噴霧貫穿距隨時(shí)間的延長而增大；而噴霧貫穿錐角在噴油初期較大，而隨時(shí)間的延長迅速減小至穩(wěn)定值。

2) 與干凈噴油器相比，曲軸轉(zhuǎn)速1 400 r/min時(shí)積碳噴油器的噴霧貫穿距增大了22.4 mm，為干凈噴油器噴霧貫穿距的37%；曲軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)，增大了13.75 mm，為干凈噴油器噴霧貫穿距的21%。

2 模型的建立及驗(yàn)證

2.1 噴霧燃燒模型

以缸內(nèi)氣體流動(dòng)的基本控制方程為基礎(chǔ)[14-18]，聯(lián)立KH-EACT破碎模型、NTC粒子碰撞模型、Frossling蒸發(fā)模型和RNGκ-ε湍流模型[19-22]，采用converge軟件，建立噴霧燃燒模型。缸內(nèi)燃燒網(wǎng)格如圖10所示。柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

2.2 噴霧模型驗(yàn)證

通過噴霧貫穿距對噴霧模型進(jìn)行驗(yàn)證，圖11為曲軸轉(zhuǎn)速1 400 r/min時(shí)干凈噴油器噴霧貫穿距對比圖，可以看出：試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的最大誤差為3.2%，說明二者吻合較好，所建立的噴霧模型可靠。

圖10 缸內(nèi)燃燒網(wǎng)格

參數(shù)數(shù)值燃燒室型式直噴淺ω型供油提前角/℃A28±0.5缸徑/mm150行程/mm180壓縮比13.5

圖11 曲軸轉(zhuǎn)速1 400 r/min時(shí)干凈噴油器噴霧貫穿距對比

3 仿真分析

將試驗(yàn)中的噴油速率作為燃燒模型的邊界條件，在曲軸轉(zhuǎn)速為1 400、2 000 r/min時(shí)進(jìn)行仿真。

3.1 缸內(nèi)燃空當(dāng)量比

2種曲軸轉(zhuǎn)速下的缸內(nèi)燃空當(dāng)量比如圖12、13所示，可以看出，干凈、積碳噴油器的燃空當(dāng)量比隨曲軸轉(zhuǎn)角的增大均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢：

1) 當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角<-6 ℃A時(shí)，與干凈噴油器相比，積碳噴油器的缸內(nèi)燃空當(dāng)量比較小。這是因?yàn)椋寒?dāng)曲軸轉(zhuǎn)角相同時(shí)，與干凈噴油器相比，積碳噴油器的噴霧貫穿距較大，噴油初期的噴霧錐角油束截面積及燃料濃度較低。

2) 當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角>-6 ℃A時(shí)，與干凈噴油器相比，積碳噴油器的缸內(nèi)燃空當(dāng)量比較大。這是因?yàn)椋涸谌加蛧娚涞闹泻笃冢e碳噴油器的噴霧錐角較小，其霧化效果差，不利于形成可燃混合氣，燃燒遲緩，使得燃空當(dāng)量比下降緩慢。

圖12 曲軸轉(zhuǎn)速1 400 r/min時(shí)缸內(nèi)燃空當(dāng)量比

圖13 曲軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)缸內(nèi)燃空當(dāng)量比

3.2 溫度場

不同曲軸轉(zhuǎn)速時(shí)溫度場如圖14、15所示，可以看出：

1) 當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速相同時(shí)，不同噴油器的燃燒室溫度場變化過程相似，且燃燒室溫度變化的梯度一致(除曲軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，曲軸轉(zhuǎn)角在-8 ℃A附近時(shí))。

2) 與干凈噴油器相比，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)，燃油起噴時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角相同，積碳噴油器的著火始點(diǎn)延遲，積碳噴油器的滯燃期延長；當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，積碳噴油器起噴點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角提前了4 ℃A，著火始點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角提前了2 ℃A，滯燃期延長2 ℃A。這是因?yàn)椋悍e碳噴油器的貫穿角在噴油中后期較小，燃油破碎、蒸發(fā)、與空氣混合形成可燃混合氣的速度慢，使滯燃期延長，預(yù)混合燃燒延遲。

3) 當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)，積碳噴油器的燃燒室底部先燃燒；在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，積碳噴油器的燃燒室底部后燃燒。分析其原因?yàn)椋涸谪灤┚啻髸r(shí)，油束碰壁后的反射高度和速度較大；在貫穿錐角較大時(shí)，油束碰壁后的反射角較大，二者均有利于可燃混合氣的形成。由試驗(yàn)可知，貫穿距和貫穿錐角成負(fù)相關(guān),這表明:當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)，貫穿距差別對燃燒室底部燃燒的影響大于貫穿錐角差別；當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，貫穿錐角差別對燃燒室底部燃燒的影響大于貫穿距影響。

圖14 曲軸轉(zhuǎn)速1 400 r/min時(shí)溫度場

圖15 曲軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)溫度場

3.3 燃燒放熱率

燃燒放熱率曲線如圖16所示，對燃燒放熱率進(jìn)行積分計(jì)算，得到累積燃燒放熱率，并分析累積燃燒放熱率達(dá)到2%、50%時(shí)的相位值。

圖16 燃燒放熱率變化曲線

由圖16可以看出：

1) 當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速相同時(shí)，2個(gè)噴油器的燃燒放熱率曲線形狀相同。

2) 與干凈噴油器相比，積碳噴油器的擴(kuò)散燃燒速度慢，其燃燒放熱率峰值相位提前了0.1 ℃A。其中：(1)當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)，2種噴油器的累積燃燒放熱率達(dá)到2%時(shí)的相位值相同；與干凈噴油器相比，積碳噴油器累積燃燒放熱率達(dá)到50%時(shí)的相位值延后了0.5 ℃A，燃燒放熱率峰值降低了40.7 J/℃A，占干凈噴油器的8.7%;(2)當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，與干凈噴油器相比，積碳噴油器累積燃燒放熱率達(dá)到2%時(shí)的相位值延后了0.1 ℃A，累積燃燒放熱率達(dá)到50%時(shí)的相位值延后了0.1 ℃A，燃燒放熱率峰值降低了10.2 J/℃A，占干凈噴油器的4.8%。

分析其原因?yàn)椋悍e碳噴油器的噴霧貫穿錐角在中后期較小，破碎、蒸發(fā)、與空氣混合形成可燃混合氣的速度慢，燃油霧化質(zhì)量差，形成的可燃混合氣質(zhì)量少，使其燃燒放熱率減小。

3.4 缸內(nèi)壓力

缸內(nèi)壓為曲線如圖17所示。

圖17 缸內(nèi)壓力變化曲線

由圖17可以看出：

1) 當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速相同時(shí)，2種噴油器的缸內(nèi)壓力變化曲線形狀相同。

2) 與干凈噴油器相比，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)，積碳噴油器缸壓峰值降低了0.3 MPa，占干凈噴油器的3.2%，缸壓峰值相位角提前了0.6 ℃A；當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，積碳噴油器缸壓峰值降低了0.2 MPa，占干凈噴油器的2.2%，缸壓峰值相位角提前了0.1 ℃A。

分析其原因?yàn)椋涸谧龉_程中，缸壓因燃燒放熱而增大，又因燃燒室空間變大、傳熱而減小，當(dāng)二者對缸壓的影響幅度大小相同時(shí)，缸壓達(dá)到峰值；積碳噴油器的燃燒放熱率減小，二者對缸壓影響幅度相同時(shí)的相位提前，且在相同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，缸內(nèi)氣體的熱量減少，因此缸壓峰值減小，缸壓峰值相位提前。

4 結(jié)論

筆者分別通過噴油試驗(yàn)、噴霧試驗(yàn)測取噴油速率、噴霧特征，獲得噴霧模型的邊界條件，建立噴霧燃燒模型，研究了噴油器積碳后噴油速率、噴霧的變化，進(jìn)而研究對燃燒產(chǎn)生的影響。主要結(jié)論如下：噴油器積碳后，曲軸轉(zhuǎn)速1 400、2 000 r/min時(shí)的缸壓峰值、燃燒放熱率峰值減小，燃燒放熱率峰值相位提前，燃燒重心后移。

筆者未進(jìn)一步對柴油機(jī)的性能參數(shù)變化進(jìn)行分析。此外，柴油機(jī)噴油器積碳的檢測、清除及其形成機(jī)理仍還需進(jìn)一步研究。