某柴油机碳烟排放改善研究-solarbe文库

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第40卷第6期 2011年12月小型内燃机与摩托车 SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLE V01．40 No．6 Dec．2011 ·排放技术· 某柴油机碳烟排放改善研究赵春生刘艳利丁技峰中国北方发动机研究所山西大同037036 摘要从柴油机碳烟形成机理入手，分析了某柴油机黑烟较重的原因。对影响碳烟的敏感参数进行重点分析，提出了改进技术措施，并完成了性能仿真与试验验证，取得了较好的效果。关键词碳烟敏感参数设计匹配中图分类号TK421．5 文献标识码A 文章编号167106302011060083一03 Study of ImproVing Soot Emissions from Diesel Engine Zhao Chu璐heng。LiuYann，Ding Jifeng China Nonll Engine Research InstituteDatong，Shall【i，037036，China AbstractThis paper analyzes the re鹪on of diesel en百ne smoking bamy f而m soot fomlation mechanism．Based on the analysis of sensitiVe parameters of innuencing soot eIIlissions，the improved technique counte丌11easures were put forward锄d completed per|’onTlance simulation and experimental verification，which got a 900d efkct． KeywordsS00t，SensitiVe parameters，Design match 引言实现柴油机的排放更加清洁是发动机研制、生产厂商孜孜以求的目标。就减少柴油机的碳烟而言，由于其形成过程比较复杂，影响其生成的因素相对繁多，消除碳烟仍有大量工作要做，减小柴油机碳烟的工作仍在积极进行之中。 1碳烟的形成与氧化在柴油机燃烧室中，碳烟的形成和燃烧是在主燃烧期内同时进行的，而部分碳烟在作功行程开始时即烧掉了。在一个循环中碳烟的生成比其被烧掉更重要。燃烧室中碳烟形成的变化总的来说反映出了发动机排烟水平的变化。碳烟有一个基本的生成源，那就是主喷油部分的温度和当量比随时间的变化关系，图l示出了碳烟的生成和氧化过程。碳烟的形成强烈地依赖于温度以及缺氧，而碳烟的氧化强烈地依赖于温度并且需要过量氧。碳烟的最大生成率发生在富油侧，碳烟的最大氧化率发生在贫油侧的高温理想混合区。同时可见，影作者简介赵春生1969一，男，高级工程师，主要从事柴油机总体技术研究。喷 0 · 霉勰1垃m的￡．；÷J}牛 8 L毒嗲鑫蛾塑曼蜷一 200一 } { ／””。6 - 、 150- ≮ r i、4 2 ．一／斗垒 100 0 ．2 累积生成碳烟．O 仨。l 1 ，0 累积净碳烟一．8 |。．6 ．4 ．1 ／、7 F 一，导萼．2 一碳烟的形成．扩铿岱名 n 曲轴转角，℃A 图l 柴油机燃烧过程碳烟的形成和氧化 2 赵赠箍嵋譬是蜇怅万方数据小型内燃机与摩托车第40卷响碳州排放的主要参数为局部温度和当量比。一般来说，将温度曲线向B向移动或将当量比曲线向A向移动均会减小碳烟排放。例如，在燃汕中掺水，降低燃烧初期的火焰温度，延|乏滞燃期，增加在预混合火焰中燃烧的燃油比例，因而减少在扩散火焰中生成碳烟量”。。但是柴油掺水技术凶为使用上的麻烦尚未广泛应用。研究人员经过多年的试验研究，对柴油机的各参数以及各参数问对碳烟的形成和氧化过程的影响有了较为全面的了解，其中高压喷油和空气涡流作为敏感参数改善了燃油雾化及混合气的形成，增加r空气携带量．这将减小燃烧室中富油区的当量比，从根本上减少碳烟生成量。 2某柴油机燃烧系统分析某柴油机为浅I’燃烧室、供油压力80MPa、无涡流、四气门、增压巾冷柴油机。整机性能存在主要问题是油耗较高、排气烟度较大，全负荷最大烟度接近 4Bosch煳度值。为r能直观、深入地r解该柴油机缸内工作过程，利用cFD仿真软件FIRE进行缸内过程分析，可更好地观察和分析燃烧过程中的微小变化。内燃机缸内流动是强瞬变、不定常的湍流流动。燃烧室内的流场情况对喷柬的雾化及油气混合有着强烈的作用和影响。图2给出了lO。cA ATDc、20。cA ATDc和25。cA ATDc缸内流场与燃油分布情况，从图中可以看出，随着喷雾和燃烧过程的进行，逆挤流的作用使得油束两侧的涡团逐渐消失，高温高压气体携带未燃燃油以及中间产物冲出燃烧室寻找新鲜空气，以促使发生二次氧化反应，但由于没有涡流的作用，燃烧室为浅m形对挤流的保持性较差，气流运动只能靠油柬惯性作用。从图2左侧流场轴向分布可以看出，惯性作用下燃油的主要运动方向为凹坑壁面和顶部余隙，由于大量燃油向凹坑壁面发展，必然会导致该区域燃油堆积；向顶部余隙发展的燃油，由于燃烧室．f方区域牵间太小，而且温度较低，与气缸壁面接触的面积增大，从而增加了发生火焰淬熄的几率。通过对3D结果的分析可以发现，该型机燃烧系统存在着不足，由于喷油压力低、无空气涡流．使得燃油雾化不好，油。诫Z合不均匀，造成燃烧过程碳烟的大量生成。 3燃烧系统改进方案分析研究针对影响柴油机碳烟生成的敏感参数一喷油压力、空气涡流，对燃烧室进行了三种不同匹配方案的研究，具体方案见表1。喷油压力与原型机相比均提高至100MPa，考虑了喷孔数和喷孔直径这两个结构参数变化引起贯穿距的相应变化，并针对不同的喷孔数匹配了相应的涡流比，旨在加强油气混合，使燃烧尽可能充分。图3～图7为4i同方案与原型机压力、温度、放热率、剩余燃油量和挤流强度结果对比。表1计算方案方案喷油压力／MPa 喷孔数涡流比 A1 100 10 l A2 100 8 1 5 A1 100 6 2 重奋器 40 2D Z 魁蚂图3方案与原型机压力对比罔曲轴转角，℃A 图4 方案与原型机温度对比图从压力和温度曲线对比情况可以看出，方案A．与 A比较接近，方案凡介于A，、A和原型机之间；从图6 可以发现，原型机与方案相比，燃烧终了时剩余燃油量很大．燃烧持续期最长．导致了最终燃烧效果比较差。寻r目目㈠一_目邕．■l■霹万方数据第6期赵春生等某柴油机碳烟排放改善研究 85 f 2 p ■ ≤ 褂最辎冰≤ 是篓藻曲轴转角／气A 图5方案与原型机放热率对比图曲轴转角，℃A 图6方案与原型机剩余燃油对比图改进后方案A，、A与A3相比，方案A。无论是在急燃期还是在燃烧后期，燃油剩余均是最少的，燃烧最完全，持续时间最短，效率最高，A次之，A，最差。图7为方案与原型机挤流强度对比情况，从图中可以分析出挤流强度峰值高于原型机，喷油系统参数对燃烧室内挤流强度的峰值影响并不大。 f ，昌∑ 越删壤塔图7方案与原型机挤流强度对比图由于缸内挤流强度的大小直接影响着混合气的形成以及燃烧过程的改善，而方案所对应的燃烧室挤流强度较150原型机有明显提高，因此，更有利于促进缸内油气混合过程，这也从一个侧面解释了方案优于原型机的原因。 4试验验证根据分析结果，对原机进行改进设计，验证整机性能及全负荷烟度的改善情况。保持功率不变，柴油机外特性排温、燃油消耗率、烟度对比见图8一图10。 p 赠 J止再 ● 三 ● 渗邑 ● 、些槲耀涎鬟馨图8原机与改进后排温对比图图9原机与改进后燃油消耗率对比图图10原机与改进后烟度对比图试验结果表明，通过提高喷油压力、增加空气涡流，改善了燃油雾化与混合气的形成，空气利用率得以提高。相同功率下整机的排温、燃油消耗率、烟度得到较大幅度的改善。 5结论 1高压喷油改善了非蒸发油束的雾化及混合气的形成，使燃烧持续期缩短，从根本上降低了火焰中碳烟浓度。2提高空气涡流比便提高了空气的携带量，从而减少了油束中富油区的当量比，降低了碳烟生成几率。 3通过试验验证，整机性能指标得到明显改善。参考文献 l郑昕．柴油机排烟的形成及其控制[J]．内燃机，1989 518一19 2刘巽俊．内燃机排放与控制[M]．北京机械工业出版社，2003 收稿日期201l一0324 ”如笛加”m∞∞坦万方数据