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海拔高度對噴霧、燃燒以及排放的影響

2020-02-01 17:11:16·  來源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報  
　
海拔對噴霧、燃燒以及排放的影響引言世界上海拔2000m以上的區(qū)域占全球陸地總面積的13.2%，在我國，該比例高達(dá)33.0%。大氣壓力和空氣密度隨海拔高度的增高而減小
海拔對噴霧、燃燒以及排放的影響

引言
    
世界上海拔2000m以上的區(qū)域占全球陸地總面積的13.2%，在我國，該比例高達(dá)33.0%。大氣壓力和空氣密度隨海拔高度的增高而減小，由于沒有足夠供燃燒需要的氧氣，因此發(fā)動機(jī)的性能隨海拔高度的增高而下降。本次推送將介紹海拔對噴霧、燃燒以及排放的影響。

海拔對噴霧的影響
    
圖1為各轉(zhuǎn)速下噴霧液相貫穿距隨海拔的變化。噴霧發(fā)展過程中，海拔升高后，液相貫穿速度增大，低海拔條件下噴霧最先達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時的液相長度基本保持不變，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的波動是由噴霧液滴與缸內(nèi)氣體邊界的不穩(wěn)定波動造成。對各海拔噴霧穩(wěn)態(tài)的液相長度求均值，結(jié)果如圖1d所示海拔3000m以上時噴霧液相長度明顯增大，海拔從0m升高到4500m，噴霧的最大液相貫穿距增加了15mm左右。根據(jù)發(fā)動機(jī)燃燒室和噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)得到沿噴孔中心線到燃燒室凹坑側(cè)壁的距離約為55mm，由此可知，在轉(zhuǎn)速為1500r/min工況下，缸內(nèi)噴霧與燃燒過程在海拔3000m以上發(fā)生了撞壁現(xiàn)象。
    
同海拔條件下、高轉(zhuǎn)速工況時，一方面，燃油噴射壓力增大，噴射速率增加，與空氣的相對運動速度增大；另一方面，彈體內(nèi)部空氣密度增加，對燃油運動的阻撓作用加強(qiáng)，兩者綜合導(dǎo)致了油束的動能損失增大，噴霧的液相貫穿距減小，達(dá)到最大液相長度的時間縮短。
圖1 各轉(zhuǎn)速下液相貫穿距隨海拔的變化
    
圖2為各轉(zhuǎn)速下噴霧錐角隨海拔的變化。由于試驗采取預(yù)燃燒的方式實現(xiàn)噴霧的熱力條件，受到噴油時刻定容燃燒彈內(nèi)部氣體湍流運動影響，油束表面出現(xiàn)不穩(wěn)定波動，隨液相距離增加，波動振幅更加明顯，在油束的末端，液相表面開始破碎，油束頭部有不規(guī)則擺動現(xiàn)象，導(dǎo)致計算得到的穩(wěn)態(tài)噴霧錐角波動較大。對不同轉(zhuǎn)速各海拔噴霧穩(wěn)態(tài)的噴霧錐角進(jìn)行均值處理，如圖2d所示，隨海拔升高，缸內(nèi)介質(zhì)密度的下降對油束軸向運動的阻礙作用減弱，噴霧的運動速度增加，油束變細(xì)，噴霧錐角減小，海拔從0m升高到4500m，噴霧錐角減小了約10%左右。
圖2 各轉(zhuǎn)速下噴霧錐角隨海拔的變化
    
圖3為各轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)態(tài)時最大液相噴霧體積隨海拔的變化。海拔升高，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的油束體積顯著增大，轉(zhuǎn)速為1500r/min工況下，從海拔0m升高到4500m，噴霧液相體積平均增加了約60%，這主要是因為貫穿距的增加。雖然油束體積增加表明卷吸空氣的體積增加，但高海拔時缸內(nèi)介質(zhì)密度明顯下降，卷吸的空氣單位質(zhì)量減少，使得燃空當(dāng)量比仍舊偏高，也導(dǎo)致了噴霧與燃燒過程中高海拔下著火滯燃期增大。
圖3 各轉(zhuǎn)速下最大液相噴霧體積隨海拔的變化

海拔對性能以及燃燒的影響
    
圖4為發(fā)動機(jī)在不同海拔的燃油消耗率隨負(fù)荷的變化。隨著海拔的增加，由于環(huán)境壓力的降低，進(jìn)氣密度下降導(dǎo)致進(jìn)氣量的減少，使得缸內(nèi)氧含量降低，缸內(nèi)過量空氣系數(shù)降低如圖5所示，混合氣變濃，燃燒惡化，發(fā)動機(jī)的有效熱效率降低如圖6所示，燃油消耗率上升。從1.608km上升至3.280km和從3.280km上升至4.560km，標(biāo)定轉(zhuǎn)速的燃油消耗率平均增幅分別為5.4%和5.0%，最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的平均增幅分別為 5.9%和 3.5%
圖4 不同海拔時的燃油消耗率
圖5 不同海拔時的過量空氣系數(shù)
圖6 不同海拔時的有效熱效率
    
選擇最大轉(zhuǎn)矩點轉(zhuǎn)速和標(biāo)定點轉(zhuǎn)速分析柴油機(jī)的燃燒特性。圖7為這兩個轉(zhuǎn)速下的最高燃燒壓力。隨著海拔高度的增加，在各個測試工況點，柴油機(jī)最高燃燒壓力下降。這是由于海拔增加后，環(huán)境壓力的降低，使得發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量減少，氧氣供給不足，燃燒過程惡化所致。每個測試海拔高度與較低海拔高度相比，最大燃燒壓力平均降幅約為7%。
圖7 最大燃燒壓力
    
圖8給出了1400r/min和2300r/min 兩個轉(zhuǎn)速的燃燒始點(燃燒始點定義為累積放熱率達(dá)到 1%時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角)隨平均有效壓力的變化，在所有海拔高度下，隨著負(fù)荷增加，燃燒始點逐步提前。隨著海拔高度的增加，燃燒始點推遲，海拔高度從3.280km升至4.560km 時，變化幅度相對較大，推遲了0.5～1°CA；而從1.608km上升至3.280km時，燃燒始點的變化幅度相對較小。隨著海拔高度的增加，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量的減少，導(dǎo)致噴油時缸內(nèi)氧含量逐漸降低，使得滯燃期延長；另一方面，隨著海拔高度的增加，噴油時的缸內(nèi)壓力降低，也促進(jìn)了滯燃期的增加，從而使燃燒始點推遲。滯燃期的增加將導(dǎo)致預(yù)混合燃燒比例的增加，使得更多的燃料在預(yù)混合燃燒階段氧化放熱，而擴(kuò)散燃燒階段消耗的燃料相對減少，從而導(dǎo)致燃燒持續(xù)期隨著海拔的上升而出現(xiàn)減小的趨勢，如圖9所示。
圖8 燃燒始點
圖9 燃燒持續(xù)期
   
圖10為燃燒過程中的最高平均溫度。隨著海拔的增加，最高平均溫度顯著增加。海拔從3.280km上升到4.560km時，1400r/min的最高平均溫度平均上升約10.1%；而標(biāo)定轉(zhuǎn)速2300r/min的上升幅度則相對較大，約為12.7%，由于2300r/min的燃燒始點在4.560,km 時推遲幅度較1,400,r/min時大(圖8)，其預(yù)混合燃燒比例的增加也就更多，所以導(dǎo)致預(yù)混合燃燒階段放熱量更大，使得最高平均溫度增幅相對較大。由1.608km上升到3.280km時，最高平均溫度上升幅度相對較小，2300r/min和1400r/min時分別約為3.4%和3.7%。
圖10 最高燃燒溫度

海拔對排放的影響
    
圖11為不同海拔高度時NOx、CO和PM排放。隨著海拔高度的增加，兩個轉(zhuǎn)速下NOx排放量的變化并不明顯，僅在較小負(fù)荷時，不同海拔的NOx排放有所差異，但變化規(guī)律也并不明顯。柴油機(jī)NOx的生成一般由燃燒溫度、氧濃度和反應(yīng)時間決定。當(dāng)海拔上升時，由于環(huán)境壓力的降低引起的進(jìn)氣量減小，缸內(nèi)氧含量的降低，滯燃期延長，燃燒始點推遲，預(yù)混合燃燒比例增加，這將導(dǎo)致燃燒溫度增加，從而促進(jìn)NOx的生成。同時，由于高海拔條件下，缸內(nèi)氧含量的降低，又阻礙了NOx的生成。這兩方面的原因?qū)е铝薔Ox的排放受海拔變化的影響較小。
    
在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時，隨著海拔的增加，CO排放在小負(fù)荷和大負(fù)荷時變化不大，但是在中等負(fù)荷時略有降低；在最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速時，CO排放隨著海拔的增加在小負(fù)荷和大負(fù)荷時顯著增加，在中等負(fù)荷時增幅相對較小。柴油機(jī)中CO的生成一般是由于不完全燃燒導(dǎo)致的，當(dāng)海拔升高時，缸內(nèi)氧含量的下降，不利于CO的氧化，從而可以促進(jìn)CO的生成；另一方面，缸內(nèi)燃燒溫度隨海拔的上升而增加，又有利于CO的氧化，從而可以減少CO的排放。一般當(dāng)柴油機(jī)運行在小負(fù)荷時，由于混合氣較稀，火焰淬熄的可能性增加，從而增加CO的排放；在大負(fù)荷時，由于混合氣較濃，局部缺氧加劇，將導(dǎo)致CO排放增加；而在中等負(fù)荷工況時，柴油機(jī)的CO排放較為理想。因此，隨著海拔的增加，小負(fù)荷和大負(fù)荷由于氧含量不足導(dǎo)致的火焰淬熄和局部缺氧將加劇。同時，中等負(fù)荷又受益于缸內(nèi)燃燒溫度的升高，可以促進(jìn)CO的氧化，其CO排放量的增幅要小于小負(fù)荷和大負(fù)荷。由于標(biāo)定轉(zhuǎn)速更高，其缸內(nèi)油氣混合要優(yōu)于最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速，其受氧含量降低的影響要相對較小，而燃燒溫度的增加將促進(jìn)CO的氧化，所以在2300r/min的中等負(fù)荷隨海拔的增加，CO的排放量有少許降低。
    
由于顆粒物的測試是采用ELPI進(jìn)行的，顆粒物的質(zhì)量排放是由ELPI測試所得的顆粒物粒徑分布的數(shù)據(jù)計算所得。Zervas等的研究表明，在計算顆粒物質(zhì)量時只考慮ELPI前7級所測得的顆粒物，所得的結(jié)果與稱重法所測得的結(jié)果具有良好的一致性。
    
顆粒物的排放在不同海拔的變化如圖11所示。兩個轉(zhuǎn)速的顆粒物排放隨海拔的上升都顯著增加。海拔高度從1.608km上升到3.280km，2300r/min和1400r/min的顆粒物排放平均增幅分別為28.4%和76.6%；海拔高度從3.280km上升到4.560km時，2300r/min和1400r/min的顆粒物排放平均增幅分別為22.3%和53.4%。
    
燃料在開始生成顆粒之前，會發(fā)生燃料分子的分解以及反應(yīng)物原子的重新排列。裂解通常生產(chǎn)許多分子量低的直鏈不飽和碳?xì)浠衔?。燃油裂解一般是吸熱反?yīng)，需要很高的活化能，因此其反應(yīng)速率受溫度影響較大。海拔的增加導(dǎo)致燃燒溫度的升高(圖10)，提高了燃油裂解的反應(yīng)速率，從而促進(jìn)了顆粒物的生成。另一方面，較高海拔的環(huán)境壓力較低，使得柴油機(jī)進(jìn)氣量降低，缸內(nèi)氧含量較低，阻礙了燃燒過程中產(chǎn)生的顆粒物的氧化。這兩方面的原因，導(dǎo)致了顆粒物排放隨海拔升高顯著增加。
 
圖11 不同轉(zhuǎn)速下NOx、CO和PM的排放
 
總結(jié)
隨著海拔升高，缸內(nèi)介質(zhì)密度降低，噴霧液相貫距明顯增加，噴霧在海拔為 3,000,m 以上發(fā)生了撞壁現(xiàn)象；海拔從0m升高到4500m，噴霧錐角減小了約10%,，噴霧體積平均增加了約60%。
    
隨著海拔高度增加，柴油機(jī)在相同工況點的最高燃燒壓力下降，燃燒始點推遲，燃燒持續(xù)期縮短，預(yù)混合燃燒比例增加，最高平均溫度上升。隨著海拔高度增加，最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速時在各種轉(zhuǎn)矩下CO排放均增加，而標(biāo)定轉(zhuǎn)速的CO排放則在中等負(fù)荷略有下降。NOx排放隨海拔高度的變化規(guī)律不明顯，在大部分工況點沒有顯著的增加或減少。顆粒物質(zhì)量排放顯著增加，最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的增幅大于標(biāo)定轉(zhuǎn)速的增幅。
 
文獻(xiàn)來源
[1]劉振明,劉楠,歐陽光耀,周磊,聶濤.高海拔(低介質(zhì)密度)下燃油噴霧與燃燒特性[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報,2018,36(04):314-321.
[2]余林嘯,葛蘊珊,譚建偉,何超,付耿,郭佳棟,王欣.重型柴油機(jī)在不同海拔地區(qū)的燃燒與排放特性[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報,2013,31(06):507-512.
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