径向密封泄漏作用下喷射策略...油转子发动机燃烧过程的影响_陈涛.pdf

第 44卷 第 3期2023年 6月Vol.44 No.3June 2023内燃机工程Chinese Internal Combustion Engine Engineering径向密封泄漏作用下喷射策略对柴油转子发动机燃烧过程的影响陈涛1，雷基林1，邓晰文1，张勇2，王汝雁2，李红2（1.昆明理工大学 云南省内燃机重点实验室，昆明 650500；2.云南西仪工业股份有限公司，昆明 650114）Influence of Injection Strategy on Combustion Process of Diesel Rotary Engine Under Apex Seal LeakageCHEN Tao1，LEI Jilin1，DENG Xiwen1，ZHANG Yong2，WANG Ruyan2，LI Hong2（1.Yunnan Key Laboratory of Internal Combustion Engines，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China；2.Yunnan Xiyi Industrial Co.，Ltd.，Kunming 650114，China）Abstract：In order to improve the performance of diesel rotary engine，the combustion process of diesel rotary engine was studied.In addition，considering the apex seal leakage which is difficult to avoid in the actual working process of the rotary engine，a three-dimensional dynamic calculation model of the peripheral intake rotary engine considering apex seal leakage was established and verified.Combined with the model，the effects of injection time and duration on fuel distribution and combustion process were studied.The results show that when the injection time is 80 in crankshaft angle before top dead center and the injection duration is 50 in crankshaft angle，better combustion and emission characteristics can be obtained.Compared with the original scheme，the in-cylinder peak pressure increased by 11.38%，the soot and CO production decreased by 78.71%and 92.72%，respectively，and the NOx and CO2 production increased.摘要：为进一步提升柴油转子发动机的性能，对柴油转子发动机缸内燃烧过程进行了研究。此外，考虑到转子发动机在实际工作过程中难以避免的径向泄漏，建立了一种考虑径向密封泄漏的周边进气转子发动机三维动态计算模型，并对模型进行了验证。结合该计算模型，研究了柴油喷射时刻和喷射持续期对燃料分布及燃烧过程的影响。结果表明：当喷射时刻为上止点前 80曲轴转角且喷射持续期为 50曲轴转角时可获得较好的燃烧和排放特性。与原方案相比，缸内峰值压力提升了 11.38%，碳烟和 CO 生成量分别降低了 78.71%和 92.72%，NOx和 CO2生成量有所增加。关键词：柴油；转子发动机；喷射策略；径向密封泄漏；燃烧过程；排放Key words：diesel；rotary engine；injection strategy；apex seal leakage；combustion process；emissionDOI：10.13949/ki.nrjgc.2023.03.005中图分类号：TK45文章编号：1000-0925（2023）03-0034-10440031收稿日期：2022-08-22修回日期：2022-09-25基金项目：云南省基础研究专项项目（202201AS070037）；云南省科研专项项目（云财政法 2021 140 号）Foundation Item：Basic Research Project of Yunnan Province（202201AS070037）；Yunnan Provincial Special Research Project（Finance Law of Yunnan Province 2021 NO.140）作者简介：陈涛（1997），男，硕士生，主要研究方向为转子发动机工作过程优化，E-mail：；雷基林（通信作者），E-mail：。内燃机工程2023年第 3期0概述转子发动机作为一种独特的内燃机，具有体积小、质量轻、结构简单、功率密度高等优点1，在农业机械动力、航天航空2和车用动力3等领域得到了广泛应用。但是，转子发动机也存在一些不足，如压缩比低4，难以实现压燃，燃烧室后部燃烧不充分和存在密封问题5，导致燃油经济性差且排放高6。因此，有必要针对转子发动机存在的问题进行研究，改善转子发动机的性能。目前，许多新技术被用于提高转子发动机的性能，如优化端面和径向密封设计以提高密封性能7，利用缸内直喷技术合理组织混合分布8，燃烧氢气9和天然气10等气体燃料，燃烧气体燃料混合氢气以提高火焰传播速度11。缸内直喷技术可以精确控制喷油时刻、喷油角度和喷油压力等喷油参数实现燃油分层分布，有助于改善转子发动机性能。需要注意的是，转子发动机压缩比较低，难以实现压缩点火，一般采用火花塞辅助点火。因此，优化喷射参数保证混合气合理分布在火花塞附近并能可靠点火，对于缸内直喷转子发动机来说非常重要。文献 89 中研究表明直接喷射技术是解决转子发动机不完全燃烧问题的有效方法，并且喷射参数对柴油转子发动机至关重要。几十年来，研究人员一直在优化其喷射策略。文献 12 中研究发现增大柴油喷射角度后燃油分布由前向后转移，延迟喷射时刻，点火时刻缸内燃油分布变窄变集中。文献 13 中研究了不同喷射时刻下的柴油转子发动机性能。在实际工作过程中，转子发动机的径向密封问题会导致一定的燃油泄漏14。针对径向密封泄漏引起的燃油泄漏问题，文献 1516 中为转子发动机设计了不同的密封片来提高密封性能。然而转子发动机的径向密封泄漏问题难以彻底解决，此外泄漏气流会影响缸内的流场和燃料分布从而影响燃烧过程，因此在研究如何合理组织燃料分配和燃烧时，需要考虑径向密封泄漏对燃料组织和缸内燃烧的影响。文献 14，17 中研究了在径向密封泄漏作用下，不同喷射策略对天然气/氢气转子发动机燃烧过程的影响。目前的研究主要针对气体燃料，没有考虑燃料喷射引起的壁面附着和蒸发问题。这些研究工作仅涉及考虑径向密封泄漏的气体燃料转子发动机，针对考虑径向密封泄漏的液体燃料转子发动机的研究较少。为此，建立了考虑径向密封泄漏缝隙的三维仿真模型，并通过试验进行了验证。研究了在径向密封泄漏缝隙作用下柴油直喷转子发动机在不同喷射时刻和喷射持续期下的混合气形成及燃料分布和燃烧特性。重点介绍了缸内直喷柴油转子发动机工作过程中的一些关键信息，如流场、温度场和燃料浓度分布。分析了柴油喷射时刻和喷射持续期对燃料 空气混合和燃烧过程的影响。研究结果可为缸内直喷转子发动机燃料分层混合和燃烧过程的组织提供一定的理论指导，对工程实际应用具有一定的参考价值。1几何模型及网格划分1.1转子发动机基本参数研究对象为美国 Freedom Motors 公司18开发的一款周边进气缸内直喷式柴油转子发动机，转子发动机基本结构参数见表 1，发动机结构示意图见图1。本文中曲轴转角为相对于压缩上止点的角度，曲轴转角在上止点前用负数表示，在上止点后用正数表示。径向密封泄漏缝隙在转子发动机中的位置如图 2 所示。此外，该转子发动机采用火花塞辅助点火，火花塞位于中轴线正下方中心处，点火时刻为-20。喷嘴位于火花塞沿 X 轴 35.0 mm 处，喷孔直径 0.15 mm，喷射压力为 40 MPa。喷射时刻为-90-60，喷射持续期为 3050。表 2 列出了具体的喷射策略，其中工况 8040 为原机方案。1.2计算网格与独立性验证基于表 1 转子发动机的基本参数，建立了径向密封泄漏缝隙为 0.06 mm 的三维仿真模型，如图 3所示。由于网格尺寸对计算结果有影响，在进行仿真计算之前需要进行网格独立性验证。选取了 3 种不同网格尺寸，分别为 1 mm、2 mm 自适应网格加密（AMR）和 3 mm AMR 进行网格独立性验证，如图 4所示，峰值压力随着网格规模的增大而减小。当网格尺寸为 2 mm AMR 时，计算结果趋于稳定，即对表 1转子发动机基本参数项目创成半径 R/mm偏心距 e/mm气缸宽 B/mm平移距 a/mm排量 L/cm3压缩比排气开启时刻/（）排气关闭时刻/（）进气开启时刻/（）进气关闭时刻/（）参数103.515.079.21.564812.94-630-226196585 352023年第 3期内燃机工程网格独立性进行了验证。综合考虑计算精度和计算时间，采用 2 mm AMR 网格。在计算过程中，针对不同计算域进行局部加密来提高网格精度。2数学模型与模型验证2.1数学模型由于 RNG k-湍流模型对复杂流动具有较高的预测精度19，因此选择了 RNG k-湍流模型。对于喷雾模型，采用 KH-RT 破碎模型能够很好地描述燃料一次雾化和二次雾化过程，有效地保证喷雾模拟 的 准 确 性20。对 于 燃 烧 模 型，本 研 究 使 用 的SAGE 模型能够同时求解基元反应的反应速率和输运方程，进而实现详细的化学反应过程和相应中间产物的变化21。点火模型采用直接添加点火能量的方式模拟火花塞的点火工作过程。在燃烧室点火位置设置半径为 0.45 mm 的球形火核，点火能量为“L型”能量规律，分为两个阶段（点火时刻到点火时刻后 0.5时期内、点火时刻到点火时刻后 10.0时期内）分别释放 20 mJ 的点火能量。表 3 总结了本研图 3径向密封泄漏缝隙为 0.06 mm 网格模型图 1转子发动机结构示意图表 2不同喷射策略工况号工况 90 50工况 90 40工况 90 30工况 80 50工况 80 40工况 80 30工况 70 50工况 70 40工况 70 30工况 60 50工况 60 40工况 60 30喷射时刻/（）-90-90-90-80-80-80-70-70-70-60-60-60喷射持续期/（）504030504030504030504030图 4不同尺寸下的网格独立性验证图 2带有径向漏气缝隙的柴油转子发动机 36内燃机工程2023年第 3期究使用的数学模型。2.2边界和初始条件为建立准确的计算模型需要设定合理的边界条件。确定仿真模型边界条件如表 4 所示。试验用转子发动机为自然吸气，故进排气道分别采用压力入口和压力出口边界条件，将进气压力设置为大气压（101 325 Pa），温度为 320 K。转子壁面及燃烧室壁面选择壁面边界条件，温度根据 经 验 设 定为 400 K。液 态 燃 料 初 始 温 度 为 288 K，喷 油 液滴 初 始 直 径 为 0.15 mm，与 喷 孔 直 径 相 同。排气口温度设为 700 K，排气压力 101 325 Pa，排气道壁面温度 500 K。在后面的计算分析中保持转速3 200 r/min、当量比为 0.6 不变。2.3模型可行性验证2.3.1喷雾模型验证将定容燃烧弹喷雾试验数据22和仿真喷雾数据进行对比以验证喷雾模型。主要设备为法国 EFS公司的 8400 喷雾高速摄影试验台，实物如图 5 所示，原理示意图如图 6 所示。试验的基本工况为：喷射压力 160 MPa，环境背压 5 MPa，喷孔数量为 7，喷孔直径 0.129 mm。图 7 为喷雾液相贯穿距对比，图8 为喷雾形状对比。从图 7 可以看出，不同喷射时刻的喷雾整体形状相似。从图 8 可以看出，喷雾液相贯穿距仿真结果与试验结果误差约为 3.85%，表明所建立的喷雾模型可靠。2.3.2燃烧模型验证为了验证 SAGE 燃烧模型的可行性，结合发动机研究中心开发和验证的由 29 种组分和 52 个反应组成的还原正庚烷机理建立了转子发动机三维仿真模型23。图 9 为发动机转速为 3 200 r/min、燃空比为 0.39 工况下的试验与仿真数据对比。从图 9 可以看出，缸内压力的仿真结果与试验数据在进气和压缩阶段基本一致，误差主要在燃烧阶段产生，平均误差为 2.58%。产生误差的原因是模拟中忽略了燃烧室残余排气温度的影响，忽略了特殊涂层在实际转子表面和缸体壁面上的传热。总体而言，仿真结果与试验数据吻合较好，表明所建立的燃烧模型是正确的。表 3关键模型选择对象湍流模型湍流扩散液滴破碎液滴碰撞液滴蒸发燃烧模型碳烟生成NOx生成数学模型RNG k-O RourkeKH-RTNTCFrosslingSAGEHiroyasuThermal NOx图 5喷雾高速摄影试验台图 7喷雾贯穿距对比表 4仿真模型边界条件对象进气口排气口转子壁面进气道排气道缸体壁面火花塞壁面火花塞电极边界条件压力入口条件压力出口条件运动壁面固定壁面压力/Pa101 325温度/K320700400320500400500550图 6喷雾高速摄影试验台原理示意图 372023年第 3期内燃机工程3计算与结果分析3.1压缩阶段缸内流场分析本研究主要针对压缩行程混合气形成与燃烧过程，且柴油在压缩阶段直接喷入缸内，因此有必要阐明这一阶段燃烧室的基本气流过程。图 10 显示了燃烧室压缩阶段前期（-100）、中期（-60）和后期（-20）的气流流线。从图 10（a）中可以明显看出，压缩阶段前期，在高压喷射作用下，伴随着三角转子的转动，流场速度增加，形成较大尺度的涡团。由图10（b）可知，随着转子的转动，燃烧室容积挤压使涡团逐渐破碎，分解成小尺度涡团。如图 10（c）所示，压缩阶段后期燃烧室容积进一步减少，气流变为高速向前单向流。3.2混合气形成和燃料分布在压缩阶段，燃烧室的气流主要以单向流为主，随着喷射时刻的推迟，气流变化过程基本相同。因此，只分析了喷射时刻为-90的柴油空气混合过程。图 11图 14 分别显示了固定喷射时刻下不同喷射持续期的空气流线及燃料质量分数分布。其中，曲轴转角用 C 表示，喷射持续期用 D 表示，如曲轴转角-75、喷射持续期 50表示为 C-75D50。从图 11 可以看出，对于-90喷射时刻，当曲轴转角为-75时，高速喷射的柴油液滴撞击燃烧室中部转子壁面，随后迅速向前后同时扩散。由于柴油具有雾化、蒸发和壁面附着的特性，部分柴油附着在转子壁面上。随着喷射持续期从 50开始缩短，燃油对转子壁面的撞击区域逐渐增大。喷射持续期的缩短使同曲轴转角下已喷射的柴油量增加，柴油扩散的范围随之增加。当曲轴转角为-50时，工况 9050 喷射过程未结束，工况 9040 和工况 9030 喷射过程已完成。曲轴从喷油时刻开始旋转了 40，燃烧室的容积也随之变小，大尺度涡团破碎成小尺度涡团，燃料在涡团的影响下继续扩散。当曲轴转角为-20时，燃烧室内空气流动以单向流动为主。燃油主要受单向流的影响，并在撞击壁面处受单向流的影响继续扩散，部分柴油扩散到端盖壁面两侧，燃油主要分布在燃烧室中、前部。随着喷油持续期图 8不同时刻仿真与试验喷雾形态对比图 10压缩阶段不同曲轴转角下的空气流线图 9试验与仿真的缸内平均压力对比 38内燃机工程2023年第 3期的增大，柴油分布更窄且质量比更高，这主要是因为喷油持续期的增大导致部分柴油扩散的时间缩短，从而限制了在燃烧室中部的扩散。当曲轴转角为-20时，柴油继续向前扩散，其分布区域进一步扩大。随着喷射时刻的推迟，油气混合时间更短，柴油在燃烧室的分布更集中，集中分布在火花塞附近。综上所述，在喷油开始时大尺度涡团对柴油分布影响较大，而喷油结束时小尺度涡团和单向流对柴油分布影响较大。这主要是由于转子的转动所导致的，增大喷射持续期和推迟喷油时刻导致部分柴油扩散的时间缩短，燃料的分布变窄，形成的混合物更集中。3.3燃烧过程分析图 15 显示了不同喷射时刻和喷射持续期的缸内平均压力。对于喷射时刻为-90，工况 9050 的缸内峰值压力最大为 5.577 MPa，工况 9030 的缸内峰值压力最小为 3.316 MPa。对于喷射时刻为-80，工况 8050 的缸内峰值压力最大为 6.086 MPa，工况 8030 的缸内峰值压力最小为 3.654 MPa。对于喷射时刻为-70，工况 7040 的缸内峰值压力最大为 5.917 MPa，工况 7030 的缸内峰值压力最小为5.549 MPa。对于喷射时刻为-60，工况 6050 的缸内峰值压力最大为 5.720 MPa，工况 6030 的缸图 11喷射时刻-90，不同曲轴转角（-75、-50、-20）和喷射持续期下燃烧室内空气流线和柴油质量分数图 12喷射时刻-80，不同曲轴转角（-65、-45、-20）和喷射持续期下燃烧室内空气流线和柴油质量分数图 14喷射时刻-60，不同曲轴转角（-45、-35、-20）和喷射持续期下燃烧室内空气流线和柴油质量分数图 13喷射时刻-70，不同曲轴转角（-55、-40、-20）和喷射持续期下燃烧室内空气流线和柴油质量分数 392023年第 3期内燃机工程内峰值压力最小为 4.864 MPa。由以上分析可得，在不同喷油时刻下最大缸内峰值压力和最小缸内峰值压力的波动较大，说明喷射持续期对缸内峰值压力的影响较大，这主要是因为较早喷射燃油使得燃料空气的混合时间较长，燃料分布区域更广。如图15 所示，随着喷射持续期的缩短，缸内峰值压力呈下降的趋势，这是因为持续期从 50缩短到 30，火花塞附近混合气浓度降低，初期形成的燃烧区域面积变小，整体燃烧速率有所下降。值得注意的是，工况 9030 在点火时刻火花塞附近浓度较低，燃料点燃后火焰未能传播到燃烧室前部两侧高浓度区域，造成大量燃料未燃。从图 15 可知，随着柴油喷射时刻的推迟，缸内峰值压力呈现先增大后减小的趋势。这是由于进一步推迟柴油喷射时刻，在辅助点火时刻空气与燃料混合不充分，燃烧效果变差。选取工况 9050、工况 8050、工况 8040、工况7040 和工况 6050 进行后续分析，其中工况 9050、工况 8050、工况 7040 和工况 6050 为各喷射时刻缸内峰值压力最大的方案，工况 8040 为原机方案。定义燃料从点火开始到燃料燃烧质量分数达到 90%时经历的曲轴转角为发动机的总燃烧周期，记为 CA0-90。图 16 为不同喷射策略下的已燃燃油质量分数。由图 16 可知，工况 9050、工况 8050、工况 8040、工况 7040 和工况 6050 的 CA0-90分别为 29、21、28、21和 28。工况 9050、工况 8050、工况 8040、工况 7040 和工况 6050 在上止点的已燃质量分数分别为 0.296、0.583、0.321、0.581和 0.398。这说明工况 8050 和工况 7040 燃烧较快，主要得益于工况 8050 和工况 7040 在点火时刻燃料质量分数明显较大，点燃后燃烧区域大有利于火焰的传播。转 子 发 动 机 燃 烧 过 程 主 要 受 燃 烧 室 内 流 场和燃料分布的影响，由于点火时刻空气是单向流动 的，因 此 燃 料 分 布 是 影 响 燃 烧 过 程 的 主 要 因素。此外，温度场和临界物种（HO2）在燃烧过程中也非常重要。图 17图 19 显示了工况 90 50、图 15不同喷射时刻和喷射持续期的缸内平均压力随曲轴转角的变化图 16已燃燃油质量分数 40内燃机工程2023年第 3期工况 80 50、工况 80 40、工况 7040 和工况 60 50的 燃 料 分 布、温 度 场 和 HO2浓 度 场。对 于 点 火时刻燃料分布，工况 90 50、工况 80 50、工况 80 40、工况 7040 和工况 60 50 的 燃 料 分 布 差 异 较大，且火花塞附近的燃料浓度不同。工况 9050和工况 8040 燃料分布的区域较大，工况 80 50 和工况 7040 燃料分布较集中，而工况 6050 燃 料分布最集中，但 5 种方案的燃料分布都是主要集中 分 布 在 燃 烧 室 中 前 部。对 于 温 度 场 和 HO2浓度 场，工 况 90 50、工况 80 50、工况 70 40 和工况60 50 温度场和 HO2浓度场的轮廓相交，表明它们的火焰传播速度高于工况 80 40。这主要是由于点火时刻火花塞附近的燃料浓度差异较大，工况90 50、工况 80 50、工况 70 40 和工况 60 50 的 燃料 分 布 更 有 利 于 初 始 火 核 形 成 和 后 续 火 焰 传 播过程。分析表明，为了达到更好的燃烧效果，柴油应在点火时刻均匀分布在燃烧室中前部，这样可以利用转子发动机独特的由后向前的火焰传播形式使附着在燃烧室壁面的燃料充分燃烧。与其他喷射策略相比，工况 8050 的燃烧速率最高，缸内峰值压力为6.086 MPa，比工况 8040（原方案）的 5.464 MPa高 11.38%。3.4主要排放物分析由于排放形成的复杂性，只进行了预测性研究。排放物实际上受许多因素的影响，包括空气燃料混合物的浓度、空气燃料在燃烧室内的混合时间和燃烧温度等。考虑对环境的重要性，主要分析了碳烟、NOx、CO 和 CO2的排放。图 20 为工况 9050、工况 8050、工况 8040、工况 7040 和工况 6050 的缸内平均温度及 NOx、碳烟、CO 和 CO2生成量。如图 20（a）所示，缸内峰值温度与峰值压力具有较高的一致性，上止点后缸内温度迅速升高。由于 NOx的生成与缸内温度高度相关，因此缸内 NOx质量随着温度的升高而增大，随后趋于稳定。由于不同喷射策略缸内燃料分布不同，燃烧速率不同，NOx生成差异较大。因此，采用缸内直喷技术合理控制缸内燃油分布，可以有效降低 NOx排放。如图 20（b）所示，碳烟排放趋势与NOx排放趋势相反，符合往复式活塞柴油发动机NOx和碳烟之间的权衡曲线（trade-off）关系。这是因为碳烟生成不仅受温度的影响，还与燃油浓度有关，碳烟主要是在高温缺氧条件下产生的。与工况8040 相比，工况 8050 的 NOx生成量有所增加，但碳烟生成量明显减少，平均减少了 78.71%。CO与碳烟曲线规律基本类似，因为它们生成条件基本相同，CO 主要是在反应过程或不完全燃烧中产生。CO2的生成量比原方案有所增加，但 CO 的生成量明显降低，与原方案相比 CO 生成量平均降低了 92.72%。总的来说，虽然工况 8050 的 NOx和CO2生成量有所增加，但碳烟和 CO 生成量显著减少。4结论（1）柴油转子发动机压缩阶段缸内气流演变过程中，前期气流以大尺度涡团为主，随后燃烧室容积图 17不同喷射策略下的燃料质量比图 19不同喷射策略下的 HO2质量比图 18不同喷射策略下的温度场 412023年第 3期内燃机工程挤压使涡团逐渐破碎，大尺度涡团破碎为小尺度涡团，最后气流变为高速向前的单向流。（2）在喷油开始时大尺度涡团对柴油分布影响较大，而喷油结束时小尺度涡团和单向流对柴油分布影响较大，这主要是由于转子的转动所导致的。此外，增大喷射持续期和推迟喷油时刻导致部分柴油扩散的时间缩短，燃料的分布变窄，形成的混合物更集中。（3）为了达到更好的燃烧效果，柴油应在点火时刻均匀分布在燃烧室中、前部，这样可以利用转子发动机独特的由后向前的火焰传播形式，有利于点火和火焰传播，减少燃烧室后部未燃区域。（4）综合考虑燃烧效率和排放特性，喷射时刻为-80、喷射持续期为 50是较理想的方案。与原方案（工 况 8040）相 比，缸 内 峰 值 压 力 提 高 了11.38%，碳烟和 CO 生成量分别降低了 78.71%和92.72%，NOx和 CO2生成量有所增加。参考文献：1 裴海灵，周乃君，高宏亮.三角转子发动机的特点及其发展概况综述 J.内燃机，2006（3）：13，10.PEI H L，ZHOU N J，GAO H L.The characteristics and improvement of rotary engines J.Internal Combustion Engines，2006（3）：13，10.2 陈伟.柴油汪克尔发动机燃烧特性及其新型燃烧模式研究D.镇江：江苏大学，2019.CHEN W.Investigation on combustion characteristics and new combustion mode in a diesel Wankel engineD.Zhenjiang：Jiangsu University，2019.3 SHIMIZU R，TADOKORO T，NAKANISHI 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