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