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特種車輛柴油機(jī)噴氣燃料燃燒節(jié)能設(shè)計(jì)研究

文檔作者：孫志新鐘海波王憲成文檔來(lái)源：裝甲兵工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年04月27日
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第34卷第3期計(jì)算機(jī)仿真2017年3月
文章編號(hào)：1006—9348(2017)03—0133—05
特種車輛柴油機(jī)噴氣燃料燃燒節(jié)能設(shè)計(jì)研究
孫志新。鐘海波。王憲成
(裝甲兵工程學(xué)院。北京100072)
摘要：針對(duì)特種車輛可能出現(xiàn)的燃料短缺問題，為了快速有效預(yù)測(cè)車輛柴油機(jī)燃用噴氣燃料后缸內(nèi)噴霧、燃燒及發(fā)動(dòng)機(jī)性能
的變化，建立了特種車輛柴油機(jī)燃用柴油和航空煤油的缸內(nèi)燃燒模型。上述模型針對(duì)噴氣燃料與柴油之問理化性質(zhì)的差
別，利用噴霧試驗(yàn)結(jié)果對(duì)KH—RT破碎子模型進(jìn)行了標(biāo)定，同時(shí)耦合了針對(duì)不同燃料的不同化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，具有較高
的仿真精度。計(jì)算結(jié)果表明，相比柴油，柴油機(jī)燃用航空煤油噴霧破碎過程中霧化質(zhì)量提高；燃燒過程中缸內(nèi)滯燃期縮短，
放熱率峰值下降；柴油機(jī)燃用航空煤油相比燃用柴油功率略有下降，油耗率相當(dāng)。綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、機(jī)械
負(fù)荷及熱負(fù)荷，噴氣燃料在燃料短缺的緊急情況下可替代柴油作為特種車輛的應(yīng)急代用燃料使用。
關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；噴氣燃料；燃燒；數(shù)值仿真
中圈分類號(hào)：TK421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
Energy Saving Combustion Design of Special Vehicle
Diesel Engine Fuelled with Jet fuel
SUN Zhi-xin，ZHONG Hai-bo，WANG Xian-cheng
(Academy of Armored Force Engineering，Bering 100072，China)
ABSTRACT：Aiming at solving the problem of possible fuel shortages for special vehicles，and in order to quickly
and effectively predict spray，combustion and engine performances of vehicle diesel engine fueled with jet fuel，a
combustion model was established for special vehicle diesel engine fuelled with diesel and jet fuel．In this combustion
model，the differences of physical and chemical properties between diesel and jet fuel were considered，and the KH—
RT breakup model wa$calibrated with fuel spray test results．while the mechanism different kinetics of chemical n舯‘
tions for different fuels were coupled for a better accuracy．The result shows that compared with diesel，a better atomization
quality is obtained for jet fuel；ignition delay is shortened and peak of heat release rate is decreased in the cyl·
inder combustion process．The engine power decreases when fuelled with jet fuel and specific fuel consumpfion is ba·
sically the Sanle for beth fuels．Considering the power performance，economy performance，mechanical load and thermal
load of diesel engine，jet fuel Can be an emergency alternative fuel for special vehicles in case of fuel shortage OC·
curs．
KEYWoI山ls：Diesel engine；Jet fuel；Combustion；Numerical simulation
l 引言
車輛在特種任務(wù)作業(yè)中．由油庫(kù)、加油站和輸油管線組
成的燃料補(bǔ)給鏈一旦中斷，將造成車輛燃料短缺，影響任務(wù)
的順利完成。因此，當(dāng)緊急情況下燃料短缺，如何在不對(duì)柴
油機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的情況下，利用一切可利用的能源
及油料。保證車輛的機(jī)動(dòng)性，是目前急需解決的問題。
航空煤油作為石油基中間餾分燃料。其年產(chǎn)量高、可獲
得性好。20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)外學(xué)者利用臺(tái)架試驗(yàn)方法
基金項(xiàng)目：軍隊(duì)科研基金項(xiàng)目(2014CJl0)
收稿日期：2016—04—15修回日期：2016—05—22
對(duì)柴油機(jī)燃用航空煤油的性能和排放開展了研究[1。]。然
而，傳統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)方法周期長(zhǎng)、成本高，而且受測(cè)試技術(shù)的
局限難以對(duì)柴油機(jī)瞬態(tài)缸內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和燃燒情況進(jìn)行分
析。因此需要利用數(shù)值方法對(duì)柴油機(jī)使用航空煤油的缸內(nèi)燃
燒狀況進(jìn)行建模分析。而國(guó)內(nèi)外目前尚無(wú)關(guān)于此類計(jì)算的研
究報(bào)道。
針對(duì)以上問題。本文建立特種車輛柴油機(jī)燃用柴油和航
空煤油的缸內(nèi)燃燒模型，利用該仿真模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用柴油
與航空煤油的噴霧、燃燒及發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行分析比較，對(duì)于
特種車輛應(yīng)急代用燃料研究具有指導(dǎo)意義。
一133—
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
2模型建立
2．1幾何模型
幾何模型基于某特種車輛柴油機(jī)燃燒室建立。由于柴
油機(jī)燃燒室的對(duì)稱性，所以為提高計(jì)算效率，根據(jù)噴油器孔
數(shù)(8孔)選取1／8扇形燃燒室作為計(jì)算區(qū)域。采用自適應(yīng)
網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸
為0．002m，在上止點(diǎn)前后300cA范圍內(nèi)進(jìn)行固定嵌入式網(wǎng)
格加密。燃燒室計(jì)算幾何模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。
圖1燃燒室網(wǎng)格劃分
2．2數(shù)學(xué)模型
2．2．1氣液兩相流模型
在發(fā)動(dòng)機(jī)仿真中，噴霧模擬的本質(zhì)是氣液兩相流模擬。
可以采用將燃油噴霧視為由若干離散的具有代表性的計(jì)算
質(zhì)點(diǎn)所組成的離散液滴法(DDM)進(jìn)行噴霧多維模擬。
1)動(dòng)量方程
idui=Fa+F+‘+F6 (1)
mP 面2 + +‘+6 式中
F。一壓力合力；
R一概括了其它外力，包括虛質(zhì)量力、電磁力和馬格納
期力等：
凡一牽引力，可由下式表示
Fd=Dp·“hf (2)
式中
luirel一相對(duì)速度矢量：
D。一為牽引函數(shù)，可由下式表示
D，=—扣。Adcd M。f| (3)
式中
以一環(huán)境氣體密度；
A。一粒子通過的截面面積；
c。一牽引系數(shù)，通常是液滴雷諾數(shù)尺e。的函數(shù)。
2．2．2 破碎模型及參數(shù)修正
破碎模型模擬的是燃油顆粒由大變小的過程，本文中選
取的是Wave破碎模型。Wave破碎模型考慮噴孑L出來(lái)的液
滴表面在受到噴孔內(nèi)部流動(dòng)、環(huán)境氣體擾動(dòng)下，在液滴表面
會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的表面波．在一定的條件下會(huì)導(dǎo)致液滴的破
碎。Wave破碎模型通過計(jì)算空氣動(dòng)力的不穩(wěn)定性帶來(lái)的擾
一1 34一
動(dòng)波最快增長(zhǎng)波長(zhǎng)來(lái)確定液滴如何破碎。最有可能導(dǎo)致破
碎的表面擾動(dòng)波長(zhǎng)以刪和波長(zhǎng)增長(zhǎng)率％為
^一!：!型!±!：竺塑!!!±旦：堡2 (4)
“聃一
(1+0．865Wel 67)o·6
一％=者精蒜據(jù)∞，
式中k為液滴半徑，Z=We∽／Re，L=Z／麗，Re和We分
別為雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)。當(dāng)表面波的振幅達(dá)到最大增長(zhǎng)速率
的波長(zhǎng)A。。時(shí)，液滴將發(fā)生破碎，通過計(jì)算破碎時(shí)間尺度r來(lái)
確定兩次破碎之間的時(shí)間。
下，=：—_!=：=_—!!■堅(jiān)■生一(＼6u，)
Jlr,aArea
式中日，是可調(diào)常數(shù)，可以根據(jù)噴嘴的特征確定。新液滴半
徑r。。通過計(jì)算波長(zhǎng)和原始的液滴半徑來(lái)確定。
r“=日oA肼(7)
玩為模型常數(shù)，一般取值為0．61。
與柴油相比，航空煤油的密度、粘度劑表面張力均減小，
在油滴破碎過程中造成破碎時(shí)間減小。為了使模型適應(yīng)航
空煤油的影響，對(duì)破碎模型中使用的參數(shù)日，進(jìn)行了變參數(shù)
研究。將柴油仿真及航空煤油仿真計(jì)算所采用的B。分別調(diào)
整為60及50，并采取定容彈試驗(yàn)對(duì)模型參數(shù)修正進(jìn)行驗(yàn)證，
其噴霧貫穿距離的仿真的試驗(yàn)及仿真結(jié)果如圖2所示。
0 0 2 04 0 6 0 8 1
噴油后時(shí)間／ms
圖2 噴霧貫穿距仿真及試驗(yàn)結(jié)果
可以看出，噴霧模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，噴
霧貫穿距離最大計(jì)算誤差為5．9％。
2．2．3 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型
在仿真過程中。燃料的化學(xué)反應(yīng)速率直接影響燃燒計(jì)算
結(jié)果?；瘜W(xué)反應(yīng)速率可表示為
，
魄=Σu㈣q (||}=1，?．，K) (8)
i=1
式中％=u”。一u0；，u”“和t，0。分別為基元反應(yīng)逆向和正向
化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量系數(shù)。q．為第i個(gè)基元反應(yīng)正向和逆向反應(yīng)的
速率之差，由下式計(jì)算
K K 。
q。=k 11[五產(chǎn)一k。n[瓦嚴(yán)(9)
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
式中以一第K種物質(zhì)的摩爾濃度；
k，．|}．一第i個(gè)基元反應(yīng)正向、逆向反應(yīng)速率常數(shù)。％?？?
由下式計(jì)算得到
k．A。Tt“exp(齋) (10)
式中，A。矗、E。分別為第i個(gè)基元反應(yīng)的指前因子、溫度指數(shù)、
活化能，均由氣相化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理文件包給出。
本文采用內(nèi)燃機(jī)研究中心提出的正庚烷簡(jiǎn)化機(jī)理作為
柴油的反應(yīng)機(jī)理[6]，該機(jī)理由29種物質(zhì)，52個(gè)反應(yīng)組成；采
用n提出的航空煤油反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行建模計(jì)算[7]，其中航空煤
油主要反應(yīng)步如表1所示。
表1 航空煤油主要反應(yīng)步
編號(hào)反應(yīng)步
JF—+H+c，H3+C2H4+c5Hs
jF—_H+C3H5+C2H1+C5Hs
JF—+C2n2+2C2H4+C4H6
jF+H—+H2+C3H3+C2H4七C5Hs
JF+O_OH+C3H3+C2H4七C5Hs
JF+OH—÷H20+C3n3+C2H4+CsHs
．，F(xiàn)+02_+H02+C3H3+C2日4+C5月8
jF斗H02—÷H202+CjHj+c2H4+CsHs
jF+H—·H2+C3Hs+C2H2+CsHB
jF+0—}OH+C3Hs+C2H2+CsH％
JF+OH_H20+C3n5+C2日2+C5日8
"+02一H02+C3凰+C2峨+C5風(fēng)
JF+H02—’H202+c3月j+C2n2+C51t8
2．2．4燃燒模型
發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒直接決定其性能指標(biāo)。本文采用的渦破
碎(EBU)模型是假設(shè)在預(yù)混湍流火焰中，反應(yīng)物(燃油和氧
氣)處在同一渦中，并與已完成化學(xué)反應(yīng)的“熱渦”相獨(dú)立。
化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間尺度遠(yuǎn)小于湍流輸運(yùn)的時(shí)間尺度。因而，燃
燒的速率是由分子量級(jí)的湍流相互混合的速率決定的，即取
決于渦的耗散率。渦破碎(EBU)模型平均反應(yīng)速率為
五，=爭(zhēng)min(五，等，警) ?)
求最小值的“min()”中第一、二項(xiàng)決定了方程中所給
的燃料或氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；第三項(xiàng)是一種反應(yīng)的概率函數(shù)，
這種概率函數(shù)使火焰不能在缺少熱產(chǎn)物的區(qū)域中傳播。c。
和CP，是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，r。是反應(yīng)湍流混合時(shí)間尺度，S是化學(xué)計(jì)
量比下氧氣和燃料質(zhì)量之比。經(jīng)驗(yàn)系數(shù)c。的值是取決于湍
流和燃油參數(shù)。
2．3模型驗(yàn)證
仿真計(jì)算過程為柴油機(jī)進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻(上止點(diǎn)前132。
CA)至排氣門開啟時(shí)刻(上止點(diǎn)后132。CA)，初始步長(zhǎng)2X
10～S，最小步長(zhǎng)1．5x10～S。
為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，利用與該柴油機(jī)具有相同燃燒室
結(jié)構(gòu)及噴油、配氣參數(shù)的單缸柴油機(jī)測(cè)試結(jié)果對(duì)燃燒模型進(jìn)
行標(biāo)定，發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)及仿真結(jié)果對(duì)比如表2所示。
表2發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
可見，對(duì)于柴油和航空煤油兩種燃料，使用該模型對(duì)發(fā)
動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行仿真．模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差在5％以
內(nèi)，數(shù)值模型具有較高的計(jì)算精度。
3仿真結(jié)果
以柴油機(jī)標(biāo)定工況點(diǎn)為計(jì)算工況點(diǎn)，對(duì)特種車輛柴油機(jī)
燃用柴油和航空煤油的噴霧及燃燒過程進(jìn)行對(duì)比分析。
3．1噴霧特性
燃空是反映氣缸中燃油霧化質(zhì)量的指標(biāo)，圖3所示為不
同時(shí)刻柴油機(jī)燃用柴油和航空煤油缸內(nèi)燃空當(dāng)量比。可以
看出，柴油和航空煤油在噴霧過程中均經(jīng)歷了噴霧、碰壁和
蒸發(fā)等過程。由于航煤的粘度較低，表面張力較小，燃油更
容易破碎、擴(kuò)散．所以其油束在相同時(shí)刻下相比柴油的噴霧
錐角增加、貫穿距減小。圖4所示為柴油機(jī)燃用柴油和航空
煤油噴霧油束索特平均直徑的對(duì)比?？梢钥闯?，兩種燃料的
索特平均直徑在離開噴孔后迅速降低，并趨于穩(wěn)定。整體來(lái)
看，航空煤油油束的索特平均直徑相比柴油降低。其主要原
因是由于航空煤油的粘度及表面張力較低，加之油束和空氣
的卷吸作用強(qiáng)，導(dǎo)致液滴更容易破碎，平均索特平均直徑減
小。
3．2燃燒特性
圖5所示為柴油機(jī)燃用柴油和航空煤油缸壓及放熱率
曲線?？梢钥闯觯胤N車輛柴油機(jī)燃用航空煤油的壓力峰值
為7．06MPa。相比燃用柴油的壓力峰值7．21MPa略有下降。
這是由于航空煤油的熱值相比柴油低，因此柴油機(jī)缸內(nèi)最大
爆發(fā)壓力降低，機(jī)械負(fù)荷得到緩解。與柴油相比，柴油機(jī)燃
用航空煤油滯燃期縮短0．5。CA，預(yù)混合燃燒峰值減低、相位
提前。這是由于航空煤油的霧化質(zhì)量相比柴油提高，使缸內(nèi)
著火準(zhǔn)備時(shí)間縮短、燃燒提前；但由于滯燃期內(nèi)準(zhǔn)備的預(yù)混
合氣體量減小．加之航空煤油熱值低，造成放熱率峰值下降。
3．3發(fā)動(dòng)機(jī)性能
圖6所示分別為柴油機(jī)燃用柴油及航空煤油在標(biāo)定工
一135一
●
2
3
4
5
6
7
8
9
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屹
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萬(wàn)方數(shù)據(jù)
時(shí)刻柴油-- 。：：曩F曩囂焉手籌善ii：曩磊啪～Ⅻ州：罱胃節(jié)蠹=—寡謄意鼉囂等面?咖
．12℃
A
．8℃
A
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圖3缸內(nèi)燃空當(dāng)量比對(duì)比
0．035，————————，————————．——————————、——————————，——————————．—————————，．—————————，—一
??一航空煤油l
0．03k——柴油1
_I
0．025}1 J
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02 04 0 6 0．8 l 1．2
時(shí)間／ms
圖4索特平均直徑對(duì)比
況點(diǎn)及最大扭矩工況點(diǎn)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果對(duì)比。
可見．在標(biāo)定工況點(diǎn)。特種車輛柴油機(jī)燃用航空煤油功
率相比燃用柴油下降5．8％，最大扭矩點(diǎn)功率下降3．8％，兩
種工況下的油耗率相當(dāng)。在柴油短缺的緊急情況下。柴油機(jī)
燃用航空煤油依舊能夠保持特種車輛良好的機(jī)動(dòng)性；同時(shí)考
一136一
(I)缸壓對(duì)比
(b)放熱率對(duì)比
圖5缸壓及放熱率對(duì)比
柴油航空煤油
(1)功率對(duì)比
柴油航空煤油
(b)油耗率對(duì)比
圖6發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比
慮到其機(jī)械負(fù)荷及熱負(fù)荷均有下降，在短時(shí)期內(nèi)可替代柴油
作為特種車輛的應(yīng)急代用燃料使用。
芒_∈田塔
^I(1．事尊∞i端暴
姍
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姍
拋
m
o
參芒*雷
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
4緒論
1)建立了特種車輛柴油機(jī)燃用柴油和航空煤油的缸內(nèi)
燃燒模型，該模型利用噴霧試驗(yàn)結(jié)果對(duì)KH—RT破碎子模型
進(jìn)行了標(biāo)定；同時(shí)考慮化學(xué)反應(yīng)速率對(duì)燃燒的影響．耦合了
燃油的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理。利用單缸機(jī)試驗(yàn)對(duì)仿真模型
進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算誤差在5％以內(nèi)，模型精確度較高。
2)柴油與航空煤油的在噴霧過程中均經(jīng)歷了噴霧、碰壁
和蒸發(fā)等過程。與柴油相比，航空煤油的噴霧錐角增大、貫
穿距離減小，液滴索特平均直徑下降，霧化質(zhì)量提高。
3)特種車輛柴油機(jī)燃用航空煤油相比于柴油缸壓峰值
下降，滯燃期縮短，放熱率峰值下降，缸內(nèi)平均溫度降低；柴
油機(jī)機(jī)械負(fù)荷及熱負(fù)荷得到緩解。
4)在標(biāo)定工況點(diǎn)，特種車輛柴油機(jī)燃用航空煤油功率相
比燃用柴油下降5．8％，最大扭矩點(diǎn)功率下降3．8％，油耗率
相當(dāng)。綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、機(jī)械負(fù)荷及熱負(fù)
荷．航空煤油在燃料短缺的緊急情況下可替代柴油作為特種
車輛的應(yīng)急代用燃料使用。
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要研究領(lǐng)域?yàn)楸靼l(fā)射理論與技術(shù)。

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