柴油机喷雾碰壁引燃进气预热特性研究.pdf

2023 年（第 45 卷）第 8 期汽车工程Automotive Engineering2023（Vol.45 ）No.8柴油机喷雾碰壁引燃进气预热特性研究*张翼霄，马骁，卢鑫辉，王志，诸葛伟林，帅石金（清华大学车辆与运载学院，北京100084）摘要 针对低温环境下重型柴油机的冷起动，提出了喷雾撞击热壁面引燃、回流稳焰的进气预热方案。基于自主设计搭建的预热实验装置，研究了不同风速、喷油落点、喷油策略下的温升和燃烧特性，并开展了CFD数值模拟。实验结果表明：着火和温升对喷油落点呈较强的敏感性，加热板存在最佳位置，风速10 m/s下的平均温升速率达到4.24/s。为了兼顾温升速率、燃烧效率和维护成本，高风速下须采取喷射周期为2025 ms、喷射脉宽为13 ms的喷油策略。高速液滴撞击加热板表面后发生回弹和破碎，属于Leidenfrost破碎模式。模拟结果显示：扰流板形成了局部风速低于5 m/s的回流区，促进了蒸发和油气混合，有利于着火和火焰稳定；针对喷射频率合理匹配喷射量，本质上是调控燃烧持续期与喷射周期相适应，使燃油充分利用，提高温升和放热速率。关键词：柴油机；进气预热；喷雾碰壁引燃；回流稳焰；数值模拟An Investigation on Intake Preheating Characteristics Based on Spray Wall Impinging Ignition for Diesel EngineZhang Yixiao，Ma Xiao，Lu Xinhui，Wang Zhi，Zhuge Weilin&Shuai ShijinSchool of Vehicle and Mobility，Tsinghua University，Beijing100084Abstract For the cold start of heavy-duty diesel engine in low temperature environment，an intake preheating scheme using spray ignition by hot wall impinging combined with flame stabilization by recirculation is proposed.Based on the self-designed and built preheating experiment apparatus，the temperature rising and combustion characteristics under different inflow speed，fuel spray targeting and injection strategy are studied，and CFD numerical simulations are conducted.The experimental results show that ignition and temperature rise are strongly sensitive to spray targeting，and there is an optimal position of heating plate，with the mean temperature rising rate reaching 4.24/s at the inflow speed of 10 m/s.To balance the temperature rising rate，combustion efficiency and maintenance cost，the injection strategy with an injection period of 2025 ms and injection pulse width of 13 ms should be adopted at high inflow speed.The fast droplets rebound and break up after impinging the heating plate，which falls in the Leidenfrost breakup mode.The simulation results show that a recirculation region with local flow speed of lower than 5 m/s is formed by the spoiler，which promotes evaporation and fuel-air mixing，and it is conducive to ignition and flame stabilization.For appropriate match between the injection mass with injection frequency，it is essentially to make the combustion duration suitable with injection period，so as to make full use of fuel and increase temperature rise and heat release rate.Keywords：diesel engine；intake preheating；spray wall impinging ignition；flame stabilization by recirculation；numerical simulation doi：10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.08.019*国家自然科学基金（51976100，52211530098）资助。原稿收到日期为 2023 年 01 月 20 日，修改稿收到日期为 2023 年 03 月 03 日。通信作者：马骁，副教授，博士，E-mail：。汽车工程2023 年（第 45 卷）第 8 期前言柴油机因其热效率高、后处理技术成熟、耐久可靠，并且有望应用低/零碳燃料和新型燃烧模式，未来仍将是商用车、非道路机械、特种装备的主要动力形式1-2。然而，目前柴油机在高寒环境中由于压缩上止点温度低、低转速漏气严重、燃油雾化蒸发变差等，导致冷起动困难，制约了其综合性能与应用范围3-4。为此需要采用各种冷起动辅助措施，包括燃油加热、进气预热、机体预热、蓄电池保温等5。其中，进气预热是在-20-40 工作环境下冷起动的必要措施6，提高进气温度可有效提高缸内热力条件，改善冷起动阶段的经济性和排放性7-9，对于保障重型柴油机的应急起动具有重要意义。常用的进气预热装置包括进气管中安装的电加热器、火焰预热塞、储能型热敏陶瓷（PTC）启动器，以及缸内安装的电热塞10-11，其适用的温度范围和机型不同。针对进气预热对发动机冷起动的影响，国内外已开展了大量研究。Payri等12研究了-20 下电加热对于小型柴油机冷起动性能的影响，发现相比电热塞，使用电加热的转速波动更低，欧洲驾驶循环（EDC）下的 HC、CO排放更少。张怡军等13通过冷起动实验测试了电热丝、火焰塞、PTC启动器的性能，发现温度低于-15 时须进行预热，低于-25、-35 时须分别采用火焰塞和PTC启动器才能成功起动。Pastor等 14 基于一台小型高速柴油光学发动机，研究了电热塞辅助起动下的着火与燃烧特性，发现预喷射着火发生在电热塞附近，并显著影响主喷射的着火位置，低喷射压力、短喷射脉宽有利于提高着火成功率。杜巍等 15 针对一款增压柴油机设计了火焰预热塞，结果表明进气温度提高了18.5，转速升高加快，转矩波动减小，循环失火概率降低。Deng等16建立了进气电加热的柴油机仿真模型，采用不同的冷起动控制策略，得到了三维MAP图，并开展了硬件在环的实车测试。Zhang等17对一台涡轮增压的V10柴油机和火焰预热系统建立了一维仿真模型，分析了其温升特性，确定了冷起动极限和喷油策略。Li等18基于实验结果和理论分析建立了柴油机最小进气预热功率（MIPP）在不同环境温度和海拔高度下的MAP图，发现首次喷射点火成功所需的进气温度高于转速升高阶段，随着环境温度降低，MIPP线性增加。由以上可知，火焰预热方式适用于进气流量较大和温度极低的场景，Broatch等19指出只有火焰作为热源才能使每缸排量大于1.5 L的柴油机在低于-40 时成功起动，但有关其特性的研究还较少。Kreun等20开展了预热塞进气加热的一维仿真，发现预热塞辅助冷起动使进气的有效当量比升高、氧浓度下降。张乾坤等21通过实验发现随着空气流速上升和环境温度降低，预热塞的表面温度下降且温升速度变慢。王东方等22实验研究了喷油方向和进气流量对预热塞着火临界温度和火焰形态的影响，发现夹角为90时最容易着火，随着流量的增加，临界温度先降低后升高，火焰变得不稳定但火焰温度升高。Li等23-24针对预热塞的着火和燃烧过程开展了实验和模拟研究，分析了进气流量、燃油流量、加热棒电压等的影响，发现提高空气流速使平均温升先升高后降低，燃烧效率不断增大，促进了涡流运动和火焰发展。此外，一些学者也提出了新型火焰预热方案，例如采用预燃室射流火焰辅助着火25，采用直喷喷油器引燃的预热塞26，利用燃油催化燃烧在旁路加热进气27等。现有研究充分说明，火焰预热对于极寒条件下快速冷起动具有明显优势。基于此，本文提出了一种预热方案，利用喷雾撞击高温壁面实现点火，可以增强雾化混合、加快低温化学反应28-29。同时，为了在高速气流中稳定火焰，借鉴了航空发动机凹腔驻涡燃烧室的原理30-32，引入扰流板形成回流。首先，对不同喷油落点和喷油策略下的温升和燃烧特性开展实验测试。然后，通过CFD数值模拟进一步说明雾化、着火、稳焰及喷射参数影响的内在机制。1预热系统设计与实验方案为了实现火焰观测和传感器布置，基于某型号柴油机进气道的几何尺寸，采用喷雾撞击热壁面引燃结合回流稳焰的预热方案，自行设计搭建了模拟进气预热的可视化实验装置，示意图如图 1 所示。整个管道包括进气段、加热段、尾管段3部分，进气段长度可以保证来流的均匀性，尾管接入轴流式鼓风机进行吸气，最大风速约为10 m/s。对于加热段，将柴油喷射到氮化硅陶瓷加热板上实现点火，加热板为220 V供电，实际功率约为520 W。考虑到装置主要依靠撞壁进行雾化、无须高喷射压力，因此使用了Bosch公司的一款PFI喷油器，具有4个直径0.2 mm的喷孔。通过高压空气维持油压在 0.5 MPa，使用常州易控汽车电子公司的ECU控制喷油。为了提高大流量（即高风速）条件下的火焰稳定性，并促进 14902023（Vol.45）No.8张翼霄，等：柴油机喷雾碰壁引燃进气预热特性研究油气混合，采用逆风向喷射并设置扰流板的方法，降低局部风速、形成回流区。喷油器轴线与水平方向夹角为45，主加热板可在左右、上下20 mm范围内调节。在各管段布置了4个K型热电偶，其中测温点1#、2#（来流温度）分别距离支架中心295、73 mm，测温点3#、4#（预热后温度）分别距离支架中心187、394 mm。实验前，首先启动风机，加热板通电约12 min，待加热功率和空气温度稳定后开始喷油，同步拍摄图像，结束后记录各点温度，关闭加热，待充分冷却后进行下一次实验。实验工况见表 1。环境工况选取常温常压，一方面是受限于低温环境实验的硬件条件，其次是由于低温条件对碰壁引燃过程影响很小，主要影响壁面热损失。选取高、低两个对应于发动机进气流量的典型风速，首先针对不同的喷油落点进行测试，优选出最佳的加热板位置，进而在高风速（10 m/s）下，研究不同喷射周期和喷油脉宽对预热效果的影响。对此喷油器在压力0.5 MPa下的喷射量进行标定，结果如图2所示。可以看出，在脉宽19 ms内流量曲线的线性度较好，满足实验要求。2数值模拟方法采用Converg