高海拔下壓氣機結構優化對兩級可調增壓柴油機燃燒和排放特性的影響

趙 旻 張眾杰 陳宏威 董素榮 夏 旭

（陸軍軍事交通學院 天津 300161）

引言

高原地區約占我國國土面積的37%[1]，高海拔地區氣壓和雷諾數比較低，氣體流動抗分離能力減弱[2-3]，從而使渦輪增壓系統的核心部件—離心壓氣機的性能下降。壓氣機的性能下降使柴油機在高原環境下工作時的進氣量減少，從而導致柴油機缸內燃燒惡化，使得柴油機性能無法正常發揮[4-6]。鑒于此，本文基于AVL-FIRE 軟件創建高海拔下低壓級壓氣機葉輪優化后柴油機燃燒過程的模擬模型，針對海拔5 500 m、1 200 r/min 柴油機燃燒與排放特性進行研究，對壓氣機及柴油機高海拔性能的提升研究具有重大的意義[7-10]。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

本文將兩級可調渦輪增壓系統某型柴油機的燃燒室作為研究對象，該柴油機有8 個噴油孔，因此取1/8 燃燒室模型作為分析對象。柴油機相關參數為：壓縮比為17.5，總排量為8.6 L，額定功率為258 kW，額定轉速為2 100 r/min。兩級可調增壓系統以可變截面渦輪增壓器JK70S 為高壓級，以固定截面渦輪增壓器JP100S 為低壓級。其中JP100S 是半開式離心葉輪，一共14 個葉片，（主葉片：7 個，分流葉片：7個），葉輪出口角β2是57.3°，葉輪進口直徑是75.5 mm，出口葉片高是101 mm，出口處葉片寬度是7.7 mm，前緣及尾緣頂部間隙都是0.5°，主葉片及分流葉片前緣為前掠葉型，分流葉片向主葉片壓力面偏折。葉片優化前后參數如表1 所示，壓氣機葉輪優化前后三維模型如圖1、2 所示。

圖1 原型壓氣機葉輪三維示意圖

圖2 葉片優化后壓氣機葉輪三維示意圖

表1 葉片優化前后參數 °

1.2 研究方法

本文針對匹配葉片優化前后壓氣機缸內燃燒過程對比分析，葉片優化前柴油機燃燒參數是根據試驗結果得到的，葉片優化后柴油機燃燒參數是根據AVL-FIRE 軟件進行數值計算得到的，所以首先建立柴油機高海拔下缸內燃燒過程的模型，然后根據試驗數據進行修正。

根據兩級可調渦輪增壓系統的某型柴油機1/8燃燒室的實際結構尺寸，利用AVL-FIRE 軟件中2D Sketcher 模塊進行繪制，然后進行網格劃分[11-13]，圖3分別為二維及上止點周圍的網格劃分示意圖，表2為建模過程中所選用的模型。在計算過程中選用進氣門關閉時刻（上頂點前133°CA）及排氣門開啟時刻（上頂點后118°CA）這一區間對缸內燃燒過程進行研究。

圖3 燃燒室網格劃分示意圖

表2 燃燒模型

仿真模型的準確度對數值模擬的精度起著決定性作用。圖4 為海拔5 500 m，柴油機低轉速工況（1 200 r/min）條件下缸壓曲線計算值與柴油機試驗實測值的對比圖，由圖4 可知各處模擬值與試驗值吻合度比較高，誤差均在5%范圍內，重要位置比如壓力峰值與相應曲軸轉角等誤差比較小，符合下一步計算的要求。

圖4 海拔5 500 m、1 200 r/min 模型驗證

2 結果與分析

2.1 高海拔下葉片優化前后柴油機燃燒特性對比研究

圖5 為海拔5 500 m，柴油機低轉速工況（1 200 r/min）下葉片優化后缸內燃空當量比分布云圖，通過分析缸內混合氣分布情況可知，葉片優化后在上止點周圍時，其缸內余隙處、燃燒室底部混合氣過濃區域范圍縮減，伴隨燃燒的進行，氧氣與柴油的混合程度更為均勻，混合氣過濃的范圍小于原機，因此葉片優化后柴油和缸內混合氣混合程度更加均勻，減少了局部缺氧現象，有效改善了缸內燃燒狀況，提高了缸壓。

圖5 葉片優化后燃空當量比對比圖

由模擬及計算結果可知，葉片優化后缸壓比原型機要高，其中最高壓力可達到8.22 MPa，比原型機提高9.53%。葉片優化后柴油機缸壓提高的原因主要是增加了進氣量，從而使燃油與空氣充分混合，同時氧濃度的升高減少了高溫缺氧區域的大量形成，因此使燃燒狀況得到了改善，缸壓得到了提升。

在壓縮過程中，葉片優化前后缸內壓力變化很小，只有在接近上止點周圍時葉片優化后柴油機缸壓高于原型機，而在燃燒做功階段，葉片優化后柴油機不論在最高值周圍還是在膨脹階段，壓力都比原型機高，證明了葉片優化后柴油機燃燒做功能力有所提高。

在滯燃期內燃料會歷經多個復雜的物理化學過程，在高海拔條件下，著火前低溫、低氧的化學準備過程對滯燃期的影響最明顯。式（1）為Shell 模型[14]所給出滯燃期內各反應的化學過程的第一步，即碳氫燃料分子與氧分子之間的反應：

式中：RH 為碳氫燃料（CxHy）為由燃料中產生的自由基。

由式（1）可知，缸內氧濃度對滯燃期存在很大的影響，葉片優化前柴油機氧濃度比葉片優化后低，使得反應速率變低，在整個滯燃期內化學反應的進程均減慢，最終導致滯燃期略有延長。滯燃期的延長表明著火前化學準備過程變緩，著火時刻的燃油蒸發率增大，圖6 為著火時刻葉片優化前后的燃油蒸發率，葉片優化前比葉片優化后高出9.31%。所以在預混燃燒階段葉片優化前柴油機缸內燃燒更加劇烈，相應的放熱率峰值較高，但同時說明葉片優化后柴油機的主要燃燒過程集中在擴散燃燒階段，因此從上止點附近—730°曲軸轉角范圍內葉片優化后柴油機缸內放熱率比原型機高出很多。葉片優化前柴油機全部燃燒進程較葉片優化后滯后，因原型機后燃比較嚴重，但葉片優化后氧氣充足，使得局部缺氧現象進一步緩解、熱量利用率有效提升，所以曲軸轉角730°開始，葉片優化后的柴油機放熱率低于原型機，故葉片優化后柴油機低速工況下（1 200 r/min）的經濟性有效改善。

圖6 葉片優化前后蒸發率對比

圖7 為優化前后海拔5 500 m 條件下柴油機低轉速工況（1 200 r/min）缸內溫度對比圖，通過分析可知，葉片優化后柴油機的整體缸溫低于原機。主要原因有兩個：

圖7 葉片優化前后缸溫對比圖

1）葉片優化后缸內進氣及柴油增加，滯燃期較短，預混燃燒階段的混合氣濃度降低，缸內溫度迅速升高的現象得以緩解；

2）原機后燃較嚴重，導致燃燒后期缸溫高于葉片優化后的柴油機，從而使活塞及氣缸熱負荷升高，排溫變高，污染物的生成與排放增加。

2.2 高海拔下葉片優化前后NO 排放特性研究

圖8 為葉片優化前后海拔5 500 m 條件下柴油機低轉速工況（1 200 r/min）NO 排放對比分析示意圖。通過分析可知，葉片優化前后NO 排放隨曲軸轉角的變化規律相同，燃燒開始階段NO 排放漸漸生成，曲軸轉角在723°～727°區間時排放量無增長，之后NO 的生成量逐步增長，在燃燒末期時生成量為最大值。盡管優化后柴油機缸內溫度比原機低，但是進氣量充足，氧氣濃度比原機高，氧氣濃度會對NO排放產生較大影響，因此葉片優化后柴油機NO 排放量比原機高，優化后較原機最多高17.13%。

圖8 葉片優化前后NOx 排放對比圖

捷式反應機理[15]解釋了圖8 中曲軸轉角在723°～727°區間內NOx的變化規律，NO 的生成量與缸內O含量關系密切，且反應為吸熱反應。

圖9 為葉片優化前后海拔5 500 m 條件下柴油機低轉速工況（1 200 r/min）缸內O 質量分數隨曲軸轉角的變化規律曲線，在722°～727°區間內，葉片優化前缸內燃燒劇烈，缸溫比較高，在該區間時O2在高溫下分解的O 原子含量比葉片優化后柴油機高，因此NO 的生成量要高于葉片優化后柴油機。伴隨著擴散反應，葉片優化后柴油機溫度漸漸升高，加之缸內氧氣充足，氧原子數量不斷增加，導致NO 生成量不斷增加。

圖9 葉片優化前后O 質量分數對比圖

圖10 及11 為葉片優化后海拔5 500 m 條件下柴油機低轉速工況（1 200 r/min）缸內氧濃度及NO生成變化云圖。曲軸轉角為727°時，葉片優化后柴油機油束周圍的氧氣濃度要比原機高，因此該區域NO的生成量也較原機高。當活塞下行時，伴隨著逆擠流運動的進行，余隙內及缸側壁周圍的氧氣含量不斷增加，當曲軸轉角為735°時，葉片優化后柴油機在該區域的氧氣濃度比原機高，從圖11 可以看出該區域NO 生成量較多。在燃燒末期時，原機燃燒室周圍的氧氣基本燃盡，但是葉片優化后柴油機在該區域的氧氣濃度較大，因此葉片優化后柴油機在燃燒室側底部NO 生成量比原機多。

圖10 葉片優化后氧含量對比云圖

圖11 葉片優化后NO 對比云圖

2.3 高海拔下葉片優化前后Soot 排放特性研究

圖12 為葉片優化后海拔5 500 m 條件下柴油機低轉速工況（1 200 r/min）Soot 排放對比圖。通過分析，葉片優化后柴油機Soot 排放最高值下降，比原機下降5.60%。伴隨著燃燒的進行，葉片優化后柴油機缸內溫度比原機低，缸內局部缺氧區域變小，因此Soot 排放量比原型機低，導致氧化進程提前，在燃燒終止時氧化后Soot 排放量比原機小。

圖12 葉片優化后Soot 排放對比圖

圖13 為葉片優化前后海拔5 500 m 條件下柴油機低轉速工況（1 200 r/min）OH 隨曲軸轉角變化曲線。曲軸轉角737°前葉片優化前后柴油機缸內O 及OH 都不斷增加，因葉片優化后柴油機氧氣濃度充足，使得O 及OH 在最高點處分別比原機高22.90%及16.03%。伴隨燃燒的進行，缸內溫度下降，氧氣消耗殆盡，導致O 及OH 質量分數不斷下降，而原機的降低時刻不僅提前且降低幅度較多，因此葉片優化后柴油機對Soot 的氧化作用更強，且質量分數減少的速率更快，氧化后的排量更小。

圖13 葉片優化前后OH 基質量分數對比圖

圖14、15 為葉片優化后海拔5 500 m 條件下柴油機低轉速工況（1 200 r/min）缸內溫度及Soot 排放云圖，通過分析可知，燃燒室底部及余隙處周圍為Soot 的主要生成區域，曲軸轉角727°起，葉片優化后柴油機Soot 生成量明顯減少，這主要與活塞底部內側彎拐處溫度下降及氧濃度增大有關。隨著活塞不斷下行，葉片優化后柴油機在余隙處的溫度不斷降低，此時活性基O 及OH 為最高值，一直高于原型機，導致Soot 生成量低于原型機。

圖14 葉片優化后缸溫對比云圖

圖15 葉片優化后Soot 排放對比云圖

3 結論

通過上述研究得到如下結論：

1）葉片優化后柴油機缸內余隙處、燃燒室底部混合氣分布更為均勻，整體缸溫低于原機，減少了局部缺氧現象，有效改善了缸內燃燒狀況，提高了缸壓；從上止點附近—730°曲軸轉角范圍內葉片優化后柴油機缸內放熱率比原型機高出很多，730°開始，優化后柴油機放熱率低于原型機，葉片優化后柴油機低速工況下的經濟性得到了提高。

2）葉片優化前后NO 排放隨曲軸轉角的變化規律相同，燃燒開始階段NO 排放漸漸生成，曲軸轉角在723°～727°區間時排放量無增長，之后NO 的生成量逐步增長，在燃燒末期時N 生成量為最大值，葉片優化后柴油機NO 排放量比原機高，優化后較原機最多高17.13%。

3）葉片優化后柴油機Soot 排放最高值下降，比原機下降5.60%，主要生成區域為燃燒室底部及余隙處附近，Soot 的氧化作用更強，且質量分數減少的速率更快，氧化后的排量更小。曲軸轉角737°前葉片優化前后柴油機缸內O 及OH 都不斷增加，O 及OH在最高點處分別比原機高22.90%及16.03%。