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柴油机燃烧室径深比对性能的影响研究

更新时间:2009-03-28

0 引言

由于柴油机具有高效、节能及大扭矩等性能,柴油机被广泛用于大型客车、货车和其他动力装置中.但是随着能源与环境问题的日益突出,排放法规要求的逐步严格,柴油机中的NOx和碳烟排放情况,以及动力性和经济性必须得以更好的优化[1-2].研究表明,通过改进燃烧室的几何形状,有效利用进气涡流在燃烧室内形成的挤流和湍流可以提高燃烧室壁面附近的紊流强度,加快均匀混合气的形成速度,这对柴油机的有效性能以及排放结果有着极其重要的影响[3-4].

为了评估基于SOM的统计模型的预测性能,图4给出了该模型下吉林省各站点的MAE、RMSE、SBrier和Ssig箱线图。根据中位数情况,MAE和RMSE分别为3.12 mm和6.13 mm,SBrier和Ssig分别为0.06和0.51。所有站点对应的MAE均小于4.49 mm,RMSE主要集中在9.25 mm以下,SBrier值几乎都小于0.09;Ssig值均大于0.35,最大达到0.82。RMSE异常值出现在集安和桦甸,SBrier异常值出现在长岭。除了这3个站点,吉林省绝大部分站点的逐日降水预测性能都较好,误差和评分指标都通过了检验。

针对某增压中冷六缸柴油机,在燃烧室形状不做太大变化的基础上,保持压缩比不变,只改变燃烧室的径深比,设计出3种燃烧室进行模拟计算对比,得出柴油机径深比对性能和排放的影响.

1 计算模型

1.1 柴油机结构运行参数

柴油机为V型6缸增压中冷水冷型直喷式柴油机,其缸径为132 mm,冲程为145 mm,连杆长度为260 mm,压缩比为17.5∶1,额定转速2 100 r/min.喷油嘴喷孔直径0.35 mm,喷油夹角160°,喷油开启时刻为上止点前15°,持续转角为30°.从进气门关闭时刻(540°)开始模拟计算到排气门开启时刻(900°)结束.

1.2 燃烧室模型

设计了3种柴油机燃烧室,分别命名为A型、B型和C型,它们有相同的压缩比,但直径与深度比不同.其中A型燃烧室的直径为99 mm,深度为19 mm,径深比为5.2,B型燃烧室的直径比A型略微减少,为94 mm,深度为21.1 mm,径深比为4.45,C型燃烧室的直径长度最小,为89 mm,深度为23.4 mm,径深比为3.8.3种燃烧室的形状如图1所示.

1.3 燃烧室网格

产生涡流与空气进行充分混合.温度图和排放物质量分布图表明,底部因为燃烧集中而温度最高,产生的NO和Soot也聚集在此部位.B型燃烧室里的燃油大部分喷射到了凸台上面,小部分喷射到底部燃烧室内,因此NO多产生在凸台上空和燃烧室底部,而Soot多产生在凸台上方的余隙里.C型燃烧室的燃油几乎全喷射在凸台上面,碰壁后又流向上方,在上方发生扩散,部分燃油扩散到燃烧室余隙里.因此C型燃烧室产生的NO大多聚集在凸台上方,Soot多聚集在燃烧室顶部.

  

图1 3种燃烧室形状对比图Fig.1 Three kinds of combustor shape contrast diagram

  

图2 燃烧室网格Fig.2 Combustion chamber grid

2 计算结果与分析

2.1 模型的可靠性验证

性能指标的模拟计算结果为:A型燃烧室的平均指示压力,扭矩,升功率,比油耗分别为2.032×106Pa,320 N·m,35.56 kW/L,185 g/(kW·h);B 型为 1.677×106Pa,264 N·m,29.35 kW/L,225 g/(kW·h);C型为1.462×106Pa,230 N·m,25.59 kW/L,259 g/(kW·h).A型燃烧室的动力性指标均比B型高17%,比C型高28%,A型的经济型指标比油耗比B型低18%,比C型低28%.总而言之,通过分析其动力性指标和经济性指标可以得出,径深比较大的A型燃烧室的动力性和经济性均优于B型,而径深比较小的C型燃烧室最差.

2.2 燃烧过程分析

  

图3 测量值与计算值对比图Fig.3 Indicator diagram of simulation with measured

在燃烧室的整体结构基本不变的情况下,通过改变径深比,即改变了喷嘴与燃烧室壁面之间的距离,等同于改变了从喷嘴喷出去的燃油在燃烧室中的空间位置和燃油碰壁的时间,将会影响到燃油在燃烧室中的分布和燃烧情况,燃油碰壁后的破碎分裂情况也会受到影响.同时,燃烧室径深比的改变,也会影响到进气涡流在燃烧室内形成的挤流和湍流,以及燃烧室壁面附近的紊流强度[5-6].

3种燃烧室模拟计算时保持喷油规律,喷油量,喷油压力等相同.图4为上止点前6°CA时燃烧室内的湍动能、温度、NO、Soot分布图.由湍动能分布图可知,此时从喷嘴喷出的燃油均未到达燃烧室的壁面,A型燃烧室壁面与喷油嘴相距最远,燃油前沿与壁面也距离最远,B型其次,C型相距最近.A型燃烧室的燃烧室直径最大,气流运动速度最大,在燃烧室具有较强的气流运动.

  

图4 6°CA BTDC时燃烧室内的湍动能、温度、NO、Soot分布图Fig.4 The distribution of turbulent kinetic energy,temperature,NO and Soot in 6 °CA BTDC

Soot的生成条件是高温和缺氧,研究表明,在1 700~2 200 K的温度范围碳烟生成量最大,在2 000 K时达到峰值.由于柴油机边喷油边燃烧的混合气形成和燃烧特点,缸内气体混合不均匀,尽管总体上是富氧燃烧,但局部地方的高温缺氧是导致柴油机产生碳烟的主要原因[9-10].因此,在边喷油边燃烧期间碳烟生成量迅速增加,当喷油结束后不久,碳烟达到峰值,在膨胀过程中已生成的碳烟被氧化使其浓度迅速下降,故碳烟的最终排放量取决于膨胀过程中碳烟的氧化程度.如图10所示,A型燃烧室温度最高,其Soot峰值最大,几乎是B型的二倍,但由于在膨胀过程中氧化程度较大,大量碳烟被氧化,最终排放量小于B型.C型燃烧时温度相对最低,峰值只有1 700 K左右,只产生了少量的碳烟.

柴油机排放物NO和Soot的排放质量主要取决于其缸内温度.在柴油机燃烧过程中,易产生高温富氧条件,所以不可避免地生成NO[7-8].如图8和图9所示,混合气着火之后,温度开始急剧上升,其中A型燃烧室缸内平均温度一直高于B型和C型,且最高温度最大,达到2 100 K左右,生成NO最多.C型燃烧室内温度最低,最高温度只有1 700 K,达不到生成大量NO的条件,故其生成NO最少.过了最高温度点之后,温度开始下降,未燃烧的混合气越来越少,燃烧室内几乎不再生成NO.

图6是上止点后9°CA时湍动能、温度、NO以及Soot质量分布图.湍动能分布表明,上止点后燃烧室内的湍动能已经开始减小了.此时A型燃烧室壁面的湍动能最大,燃油随着紊流继续流入底部燃烧室内,

对于对照组和观察组的血流动力学各项内容进行记录分析后,可得出下表。该统计中观察组和对照组检查前各项目数据,差异无统计学意义(P>0.05)。且统计结果显示,观察组和对照组术前术后各部分数据有较明显差异,差异有统计学意义(P<0.05)。见表1。

2017年培训后,有主动留下来交流的新员工2名,并记录了不同手机型号使用微信公众号登录外文数据库的使用疑问。培训结束后的一周内,到馆实地了解图书馆相关情况的新员工3名。

为了减小计算量,只取燃烧室的1/8来建立模型.A型燃烧室在上止点时网格数目为3 250个,下止点时为10 172个.B型燃烧室在上止点时网格数目为3 309个,下止点时为10 143个.C型燃烧室在上止点时网格数目为3 610个,下止点时为10 098个.建立好的模型如图2所示.

2.3 动力性和经济性分析

  

图5 TDC时燃烧室内的湍动能、温度、NO、Soot分布图Fig.5 The distribution of turbulent kinetic energy,temperature,NO and Soot in TDC

  

图6 9°CA ATDC时湍动能、温度、NO以及Soot质量分布图Fig.6 The distribution of turbulent kinetic energy,temperature,NO and Soot in 9 °CA ATDC

图7和图8分别为3种燃烧室的缸内平均压力图和温度,由图可知,在上止点之前,3种燃烧室的缸内压力和温度基本保持相同.过了上止点后,C型燃烧室压力和温度先到达峰值,依次是B型和A型,并且A型峰值最大,B型次之,C型的峰值压力最小.

  

图7 缸内平均压力图Fig.7 Pressure in cylinder

  

图8 温度变化图Fig.8 Temperate curve

为了验证计算模型的有效性,在额定工况2 100 r/min下,计算其缸内平均压力、功率、扭矩和比油耗.将模拟计算结果与在台架实验上做出的实际测量值进行比较,得出的实际缸内压力测量值与模拟计算结果的对比图如图3所示.从图3中可以看出,计算结果与实验结果在曲线形状,压力峰值上基本相同,误差在3%以内.实际测量柴油机功率、扭矩、比油耗分别为335 kW、1 520 N·m、235 g/(kW·h),模拟计算功率、扭矩、比油耗分别为348 kW、1 584 N·m、225 g/(kW·h),以上性能指标误差均在5%以内.总体来说,所建立的计算模型是可行的.

2.4 排放物分析

图5是上止点时的湍动能、温度、NO以及Soot质量分布图.上止点时,燃烧处于急燃期中期,压力和温度都在急剧增长.从图5中的湍动能分布图得知,C型燃烧室由于其径深比最小,喷嘴相距壁面最近,燃油最先碰壁.同时C型燃烧室凸台较高,燃油几乎全分布在凸台上面,碰壁后的大液滴难以碎裂分溅,而且C型燃烧室直径小,深度大,气流运动分布不均,在燃烧室底部的气流运动较强,而上部气流运动较弱,不利于燃油的雾化.因此C型的燃烧聚集在凸台上面,在壁面上的燃油不能与空气完全混合,导致燃烧不充分而生成Soot.由图5中的排放物质量分布图分析得,C型燃烧室生成的Soot最多,几乎全在凸台右面的壁面上.而生成NO的范围较小,质量分数最高的NO区域主要在喉部偏下方,因为喉部下方燃油较少而且氧气很充分,满足生成NO的高温富氧条件.A型燃烧室由于径深比最大,喷嘴相距壁面最远,导致燃油碰壁最晚.A型燃烧室的凸台最低,喷射的燃油正好碰壁在缩口喉部中间,燃油撞击壁面后分成2部分,形成上下2个涡流,一部分的燃油喷射到了燃烧室的缩口里,另外一部分燃油喷射到凸台上.压缩的涡流将下部分的燃油带到燃烧室底部,与缩口里的空气进行充分混合后燃烧.两部分的混合气都得到了充分的燃烧,产生的Soot比较少,主要集中在燃烧室底部.A型燃烧室中生成NO的范围最大,质量分数分布比较均匀.B型燃烧室的径深比在A和C两者中间,凸台高低也处于两者中间.喷射的燃油碰壁在缩口喉部偏上的位置,燃油撞击壁面后也分成2部分,比较少部分的燃油喷射到了燃烧室的缩口里,另外一部分燃油喷射到凸台上.下部分的燃油被压缩的涡流带到燃烧室底部,与缩口里的空气进行充分混合后燃烧,几乎没有生成Soot.上部分的燃油在上涡流的作用下与凸台上面的空气混合,未能与空气完全混合的壁面上的燃油,燃烧不充分而生成Soot.其NO质量分数分布图和C型相近.

  

图9 NO质量分数图Fig.9 Emissions curve of NO

  

图10 Soot质量分布图Fig.10 Emissions curve of Soot

在6°CA BTDC时,处于急燃期前期,虽然已经开始燃烧了,但是燃烧速率比较小.图4中的温度值表明,此时缸内平均温度比较低,只有1 000 K左右,平均温度达不到NO、Soot生成温度.图4中排放质量分布情况表明,NO、Soot的生成量非常小,NO只生成在燃油的末部,温度较高的区域,而Soot生成在燃油的前端.3种燃烧室的NO、Soot的生成量虽有差别,但因为生成量基数比较小,所以其差别也比较小.

为什么会出现如此不同的结果呢?在实现目标的过程中,不同的孩子会呈现出不同的状态。在制订目标的时候,如果能够保证一定的成功率,那么就会改变很多孩子的成长状态。

3 结论

1)燃烧室径深比越大,形成的混合气气流运动越强,速度和湍动能越大,气流运动分布越均匀,燃油雾化效果越好.

2)随着径深比的增大,燃烧室内混合气更充分,燃烧温度增大,动力性和经济性会更好.

3)随着径深比的增大,燃烧室温度增大,NO的排放量增多,主要分布在温度最高的火焰前部.Soot的排放量峰值也增加,主要分布在高温缺氧的燃烧室壁面和活塞余隙里.

在此,首先要解决的是“绑架”一词的理解问题。这里的“绑架”属于拐卖行为的具体表现。在1997年《刑法》第240条已经将“绑架”规定为“拐卖”的手段行为之一的情况下,1997年《刑法》第416条将“拐卖”与“绑架”并列地加以规定,是不合时宜的。这正如有论者所指出的,1997年《刑法》第240条已把以出卖为目的绑架妇女、儿童的行为规定为拐卖妇女、儿童罪的加重事由,实际上绑架妇女、儿童罪已并入拐卖妇女、儿童罪,拐卖已经包含绑架。因而,《刑法》第416条没有必要将“绑架”与“拐卖”相提并论。[22]

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王琛秋,郑清平,刘晓日,王雅纯,贾新颖
《河北工业大学学报》2018年第02期文献

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