對置活塞二沖程柴油機燃油系統(tǒng)設(shè)計研究

張子英,楊貴春,董雪飛

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機電與信息工程學(xué)院,北京 100083;2.山西能源學(xué)院機電工程系,山西 晉中 030600;3.中國北方發(fā)動機研究所(天津),天津 300400;4.航天時代飛鴻技術(shù)股份有限公司能源與動力技術(shù)研究室,北京 100094)

為更好地滿足節(jié)能減排的實際需求,內(nèi)燃機朝著更清潔、更高效的方向發(fā)展,一種動力活塞對置布置的二沖程柴油機動力裝置應(yīng)運而生,這主要是因為這種動力系統(tǒng)有功率密度高、燃燒效率高、可適用于多種化石燃料及機械結(jié)構(gòu)靈活布置等諸多優(yōu)勢[1-4]。對置活塞二沖程(Opposed Piston Two Stroke,OP2S)柴油機的概念源于二十世紀初,曾以高效率、高功率密度而著稱,后因排放法規(guī)的出現(xiàn)限制了其應(yīng)用[5-7]。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們已經(jīng)有能力通過現(xiàn)代技術(shù)改善對置活塞二沖程柴油機的排放問題,逐漸將其應(yīng)用于礦山機械、農(nóng)業(yè)機械、航空無人機動力等領(lǐng)域[8-10]。

對置活塞二沖程柴油機采用氣口—氣口式直流掃氣方式,摒棄了傳統(tǒng)柴油機的氣門機構(gòu),其燃燒室由兩個凹坑活塞頂及缸套組成,因此其噴油器只能布置在缸套周向位置。由于燃油一般在上止點附近噴入氣缸,因此油氣混合時間較短,燃油霧化程度及燃油油束的分布對燃燒過程影響很大[11]。因此在設(shè)計OP2S柴油機燃油系統(tǒng)時,不僅要求良好的噴油策略,還需結(jié)合缸內(nèi)工作過程對其噴孔布置進行優(yōu)化。本研究基于動力活塞對置布置的二沖程柴油發(fā)動機,重新改進了燃油系統(tǒng),并進一步優(yōu)化了噴油器的霧束方向,為其整機性能優(yōu)化與匹配提供了基礎(chǔ)條件。

1 對置活塞二沖程柴油機燃油系統(tǒng)方案設(shè)計

本研究的OP2S 柴油機結(jié)構(gòu)及原理見圖1。單個氣缸內(nèi)水平放置兩個對置的活塞(燃燒室),對置的活塞是由類似于傳統(tǒng)二沖程發(fā)動機的曲柄連桿結(jié)構(gòu)連接到曲軸,兩個活塞連接的曲軸由齒輪組進行同步。這樣與傳統(tǒng)二沖程發(fā)動機相比省掉了氣缸蓋與凸輪配氣機構(gòu),同時噴油器只能布置在垂直于氣缸中心線的缸套壁面上。而進排氣系統(tǒng)同樣也無需進排氣門和凸輪機構(gòu),而是由氣缸壁上的氣口配合完成進排氣過程。當(dāng)OP2S柴油機完成掃氣后,兩側(cè)活塞也將新鮮充量壓縮至上止點,在上止點附近完成燃油噴射,進而實現(xiàn)燃油燃燒,推動兩側(cè)活塞做功。與傳統(tǒng)直列或V型柴油機不同,其噴油器一般布置在缸套上,噴油器布置中心線與活塞運動方向垂直。

OP2S柴油機噴油器垂直布置在氣缸壁面上,這種布置方式也直接決定了燃油噴射到缸內(nèi)的霧束分布,噴射燃油的貫穿距離、油束周向布置參數(shù)的選取,直接影響到OP2S柴油機的油氣混合過程,進而影響到OP2S柴油機的缸內(nèi)燃燒情況。設(shè)計一套噴射壓力、噴射定時、循環(huán)噴油量、瞬時噴油速率在柴油機全速全負荷運行范圍內(nèi)實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)的燃油系統(tǒng)是OP2S柴油機正常運行的前提。

1.1 OP2S柴油機高壓共軌系統(tǒng)

本研究的OP2S柴油機為兩缸機,其主要參數(shù)見表1。

表1 OP2S柴油機基本設(shè)計參數(shù)

基于OP2S柴油機的特殊結(jié)構(gòu)及其對燃油霧化效果的需求,本研究開發(fā)了一套高壓共軌燃油系統(tǒng),其物理模型見圖2。

圖2 OP2S柴油機高壓共軌燃油系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)與傳統(tǒng)高壓共軌系統(tǒng)(High Pressure Common Rail System,HPCRS)相比,也采用高壓油泵、共軌管、噴油器及電控單元,而高壓油泵凸輪由OP2S柴油機的輸出軸通過一定的傳動機構(gòu)實現(xiàn)精確驅(qū)動。

1.2 噴油器的布置形式

由于OP2S柴油機結(jié)構(gòu)的特殊性,噴油器只能橫向布置,即其中心線與活塞運動方向相垂直。為防止較大噴油量工況下霧束直接噴射到缸壁上,采用了單缸雙噴油器布置的方式,噴油器結(jié)構(gòu)及其噴射油束分布情況如圖3所示。

圖3 OP2S柴油機噴油器及噴射油束分布

由圖3可見,本研究所采用的HPCRS是將柴油加壓后通過噴油器將柴油噴射到水平對置布置的氣缸內(nèi),噴油器與傳統(tǒng)高壓共軌噴油器的工作原理相同,利用電磁閥控制針閥末端控制室的燃油壓力,動態(tài)調(diào)節(jié)盛油槽與控制室的壓力差及針閥彈簧的合力方向,實現(xiàn)針閥的抬起及落座,從而完成噴油器的噴射開啟和關(guān)閉動作。噴油器的霧束形態(tài)與傳統(tǒng)柴油機的霧束形態(tài)不同,因噴油器與氣缸運動方向垂直,考慮到燃油噴射的霧化水平、壁濕、霧束碰撞融合等因素,需采用非均勻分布的霧束形態(tài),這要求對噴油器的噴孔設(shè)計及霧束形成及碰撞后的狀態(tài)進行深入研究。

傳統(tǒng)柴油機燃燒放熱以擴散燃燒模式為主,且柴油機放熱速率的大小、分布及中間過程的排放生成物均受限于燃油和空氣的混合程度。而燃油與空氣的混合不僅取決于燃油噴射壓力、噴油器噴孔數(shù)量及分布、空氣流場分布,還取決于燃油的霧束在氣缸內(nèi)分布形態(tài),但這種分布形態(tài)在燃油噴射壓力及噴孔大小、噴油持續(xù)期確定后主要取決于噴油器的整體布置方式。而對于OP2S柴油機來說,噴油器的布置嚴重受限于氣缸套的布置與缸套周邊的機械結(jié)構(gòu),垂直對置布置噴油器往往并不容易實現(xiàn),盡管對置噴油器的布置形式有利于燃油霧束的交叉分布霧化。因此需保證兩個噴油器的油束分布盡可能合理,以避免油束直接碰撞,影響霧化效果。在文獻[12-13]中,重點論述了油束夾角分布對其蒸發(fā)性能的影響規(guī)律,本研究不再贅述,采用文獻相關(guān)參數(shù)。

2 單次噴油試驗

2.1 試驗臺架

為充分驗證所述HPCRS,重新設(shè)計了高壓共軌系統(tǒng)單次噴射試驗臺,試驗臺架見圖4。

圖4 高壓共軌系統(tǒng)試驗臺架

圖4中試驗臺架裝置主要由噴油泵試驗臺、ECU、單次噴射儀、單次噴射儀控制儀、計算機、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、HPCRS組成。該試驗臺架可實時模擬柴油油泵轉(zhuǎn)速、燃油溫度和燃油壓力,并且可以通過電控系統(tǒng)對這些參數(shù)進行控制,并通過上位機虛擬儀表在線檢測關(guān)注的參數(shù)與數(shù)據(jù)。表2列出設(shè)備的功率、轉(zhuǎn)速及噴射儀量程參數(shù)。

表2 OP2S共軌單次噴射試驗臺相關(guān)儀器參數(shù)

2.2 噴油量控制

通過調(diào)節(jié)共軌管壓力、轉(zhuǎn)速等變量,可計算出相應(yīng)的噴油脈寬,進而實現(xiàn)對OP2S柴油機循環(huán)油量的控制。本研究中OP2S柴油機共軌單次噴射試驗噴油量圖譜見圖5。

圖5 相同噴油脈寬下不同共軌壓力對應(yīng)的噴油量圖譜

由圖5可見,噴油量調(diào)節(jié)主要依靠共軌壓力及噴油脈寬：噴油脈寬增加,噴油量增加明顯;脈寬大于1.5 ms后增長速度明顯放緩,且噴油壓力越大越明顯。相同噴油脈寬下,共軌管壓力較小時,噴油量隨噴油壓力增加明顯,當(dāng)共軌管壓力大于100 MPa時,噴油量隨共軌管壓力的增加量較少。

2.3 燃油噴射速率

圖6示出軌壓100 MPa 、噴油脈寬1.5 ms時的噴油率波形。由圖6可見,本研究所設(shè)計的OP2S柴油機噴射曲線近似于矩形。結(jié)合圖5表明：在OP2S實際運行過程中,只需對共軌壓力和噴油脈寬進行控制,便可實現(xiàn)油量的控制。然而,噴油量只在宏觀角度量化了OP2S柴油機每循環(huán)輸入油量的多少,卻無法完全描述其能量輸入的大小。因為所輸入油量的能量轉(zhuǎn)化率還取決于燃油噴入氣缸后的燃燒過程,所以還需對噴射燃油的霧束分布、油氣混合等微觀變量進行進一步探究和優(yōu)化。

圖6 軌壓100 MPa,噴油脈寬1.5 ms時的噴射率曲線

3 噴油器噴霧方向優(yōu)化分析

為將本研究設(shè)計的噴射系統(tǒng)應(yīng)用于OP2S柴油機實際工程對象,現(xiàn)利用試驗建立的單次噴射曲線(見圖5),結(jié)合仿真方法對噴油器的油束夾角進行進一步優(yōu)化,以滿足實際工程需求。

3.1 OP2S柴油機三維CFD仿真模型

OP2S 柴油機的燃燒室形狀不同于傳統(tǒng)柴油機,其燃燒室是由氣缸壁面、進氣側(cè)活塞和排氣側(cè)活塞的凹坑組成。建立OP2S柴油機單缸三維CFD仿真分析網(wǎng)格模型(見圖7),CFD計算的初始邊界條件見表3。

表3 OP2S柴油機三維CFD計算邊界條件

圖7 OP2S柴油機三維CFD仿真網(wǎng)格模型

3.2 噴霧方向優(yōu)化匹配

OP2S柴油機每缸安裝兩個噴油器(見圖3),采用完全相同的噴油器A和B,規(guī)定兩個噴油器的第2束霧束的中心線與氣缸壁垂直,這樣就可以更加方便地規(guī)定每個噴油器的其他兩束油束的方向(參見圖3,缸套切面方向上霧束1和霧束3分別與霧束2成θ,γ角)。同時為保證盡可能少地碰撞形成油滴團聚,噴油束1和氣缸中心線垂直,而噴油束2和3在此垂直界面上與油束1均錯開一個角度β。由于燃燒室空間的限制,β應(yīng)盡可能小。因?qū)χ没钊谏现裹c附近燃燒室限制,本研究取β=3°,為定值,因在垂直缸套壁的圓形平面上有較大的空間,因此重點探究θ和γ角對燃油霧化機噴霧發(fā)展的影響規(guī)律。表4列出根據(jù)圓形區(qū)間設(shè)置的12組方案。

表4 霧束夾角γ及θ組合方案

圖8示出噴孔霧束貫穿距仿真值與試驗值[14]的對比。由圖8可知,在空間分布上霧束的貫穿距仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合,因此通過模型校對后的CFD模型在毫秒級時間尺度上可用于探究OP2S柴油機的燃油霧束分布,并由此來確定霧束夾角γ及θ的優(yōu)化方向。

圖8 燃油油束貫穿距仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對比

圖9示出θ=30°條件下,不同霧束夾角γ對應(yīng)的燃油噴霧發(fā)展形態(tài)仿真結(jié)果。由圖可見,γ角越大,越有利于燃油在燃燒室內(nèi)的均勻分布;但γ角過大時,由于噴油器中心線與氣缸垂直,因此油束直接沖擊到氣缸壁的可能性增大,這對燃油蒸發(fā)與燃燒是不利的。

圖9 不同γ角條件下的燃油噴霧發(fā)展

基于以上分析可見,γ、θ在圓形區(qū)域分布決定了OP2S柴油機的霧束分布及霧化過程,進而影響到燃燒室中的燃燒放熱過程。而燃燒過程與單位空間區(qū)域內(nèi)的燃油量強相關(guān),結(jié)合圖10與圖11可見,噴孔較小的噴孔3對應(yīng)較小的噴油量,故γ角變化對燃燒熱效率及最大壓升率的影響小于θ角(30-15,30-30,30-45,30-60),而θ角的變化造成了較大的燃燒放熱率與最大壓升率的變化(15-30,30-30,45-30,60-30)。

圖10 不同方案的燃燒熱效率和燃燒持續(xù)期

圖11 不同方案的最大壓力升高率

對比結(jié)果表明,燃燒熱效率的提高有賴于選擇合適的油束夾角,根據(jù)圖10及前面分析,θ角對燃燒效率的影響較大,故確定θ角的最佳區(qū)間為30°～45°。最大燃燒熱效率點對應(yīng)的夾角組合為45-30,此組合下柴油機效率雖高,但壓升率過大(0.75 MPa/(°)),將會增加燃燒噪聲,因此在對燃燒噪聲有要求時,為追求柴油機NVH性能,需犧牲部分燃燒效率,尋找合適的壓升率作為最佳燃燒參數(shù)匹配目標(biāo)值。基于以上原因,最終選定油束的夾角組合為45-45,不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)θ=45°時,在熱效率僅降低0.54%的前提下,氣缸內(nèi)的最大壓升率下降了0.31 MPa/(°)。為進一步分析優(yōu)化方案的差異,對比了優(yōu)化前的噴油器、方案45-30及方案45-45的放熱率和缸內(nèi)壓力在上止點附近的分布曲線(見圖12和圖13)。

圖12 霧束夾角優(yōu)化前后的放熱率對比

圖13 霧束夾角優(yōu)化前后的缸內(nèi)壓力對比

由圖12可見,γ角從30°增大到45°后,燃燒初始階段的預(yù)混燃燒后移,燃燒前期的預(yù)混放熱量減少,燃燒重心整體向后移動,但整體的放熱量變化不大,這對于后續(xù)柴油機的排放優(yōu)化有重要意義。同時OP2S柴油機最大壓升率明顯降低,這對改善柴油機缸內(nèi)燃燒過程的平穩(wěn)性以降低柴油機的振動噪聲亦具有重要意義。

4 結(jié)論

a) 增加噴油霧束夾角,將會改善油氣混合效果,進而提高燃燒效率;但過大的噴油霧束夾角將增大油霧與缸套、活塞碰撞的可能性,不利于油束霧化;

b) 當(dāng)噴油霧束夾角γ=30°、θ=45°時,OP2S柴油機獲得最大的燃燒熱效率,但此時OP2S柴油機的壓升率較高,燃燒粗暴,燃燒噪聲大;將γ提高至45°,在熱效率降低0.54%前提下壓升率降至0.44 MPa/(°),可有效改善缸內(nèi)燃燒過程的平穩(wěn)性。