柴油机喷雾碰壁引燃进气预热特性研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.08.019

摘要/Abstract

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20~25 ms、喷射脉宽为1~3 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

Abstract:

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 20~25 ms and injection pulse width of 1~3 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.

Key words: diesel engine, intake preheating, spray wall impinging ignition, flame stabilization by recirculation, numerical simulation

张翼霄,马骁,卢鑫辉,王志,诸葛伟林,帅石金. 柴油机喷雾碰壁引燃进气预热特性研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(8): 1489-1498.

Yixiao Zhang,Xiao Ma,Xinhui Lu,Zhi Wang,Weilin Zhuge,Shijin Shuai. An Investigation on Intake Preheating Characteristics Based on Spray Wall Impinging Ignition for Diesel Engine[J]. Automotive Engineering, 2023, 45(8): 1489-1498.

图/表 13

图1

表1

图2

图3

表2

表3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

参考文献 38

1	帅石金，王志，马骁，等. 碳中和背景下内燃机低碳和零碳技术路径及关键技术［J］. 汽车安全与节能学报， 2021， 12（4）： 417-439.
	SHUAI S J， WANG Z， MA X， et al. Low carbon and zero carbon technology paths and key technologies of ICEs under the background of carbon neutrality［J］. Journal of Automotive Safety and Energy， 2021， 12（4）： 417-439.
2	MA X， MA Y， WANG Z， et al. Optical study on multi-time ignition mixed-mode combustion with gasoline and PODE［J］. Fuel， 2023， 335： 126910.
3	HAN Z， HENEIN N， NITU B， et al. Diesel engine cold start combustion instability and control strategy ［C］. SAE Paper 2001-01-1237.
4	楼狄明，阚泽超，徐岩，等. 重型柴油机高海拔严寒冷起动性能试验研究［J］. 内燃机工程， 2016， 37（6）： 26-30.
	LOU D M， KAN Z C， XU Y， et al. Experimental study on cold start performance of heavy duty diesel engine in frost plateau environment［J］. Chinese Internal Combustion Engine Engineering， 2016， 37（6）： 26-30.
5	何西常，张众杰，张云飞，等. 柴油机冷起动研究现状［J］. 内燃机， 2012（4）： 1-4，18.
	HE X C， ZHANG Z J， ZHANG Y F， et al. Existing status of diesel engines' cold-starting［J］. Internal Combustion Engine， 2012 （4）： 1-4，18.
6	KARIM G A， KHANNA S. The effect of very low air intake temperature on the performance and exhaust emission characteristics of a diesel engine［C］. SAE Paper 740718.
7	苏岩，刘忠长，韩永强，等. 进气温度对直喷式柴油机冷起动初始期燃烧和排放的影响［J］. 内燃机工程， 2007， 28（6）： 28-32.
	SU Y， LIU Z C， HAN Y Q， et al. Effect of intake air temperature on combustion and emissions of direct injection diesel engine during preliminary start phase［J］. Chinese Internal Combustion Engine Engineering， 2007， 28（6）： 28-32.
8	WANG P， YAO C， HAN G， et al. The impact of intake air temperature on performance and exhaust emissions of a diesel methanol dual fuel engine［J］. Fuel， 2015， 162： 101-110.
9	WOO C， KOOK S， HAWKES E R. Effect of intake air temperature and common-rail pressure on ethanol combustion in a single-cylinder light-duty diesel engine［J］. Fuel， 2016， 180： 9-19.
10	刘瑞林，靳尚杰，孙武全，等. 提高柴油机低温起动性能的冷起动辅助措施［J］. 汽车技术， 2007 （6）： 5-8.
	LIU R L， JIN S J， SUN W Q， et al. The cold starting aids for improving the cold starting ability of diesel engines［J］. Automobile Technology， 2007 （6）： 5-8.
11	程前，杨翱，向成宣，等. 内燃机低温起动技术发展及主要问题［J］. 内燃机， 2014 （5）： 34-36，44.
	CHENG Q， YANG A， XIANG C X， et al. Development and problems in the cold-start techniques of IC engine［J］. Internal Combustion Engine， 2014 （5）： 34-36，44.
12	PAYRI F， BROATCH A， SERRANO J R， et al. Study of the potential of intake air heating in automotive DI diesel engines［C］. SAE Paper 2006-01-1233.
13	张怡军，段春霞. 进气预热对柴油机低温起动影响的研究［J］. 内燃机与动力装置， 2008 （3）： 10-13.
	ZHANG Y J， DUAN C X. Research on effect of air intake preheating on engine start at low temperature［J］. Internal Combustion Engine & Power Plant， 2008 （3）： 10-13.
14	PASTOR J V， GARCÍA-OLIVER J M， PASTOR J M， et al. Ignition and combustion development for high speed direct injection diesel engines under low temperature cold start conditions［J］. Fuel， 2011， 90（4）： 1556-1566.
15	杜巍，黄伟伟，何圣华，等. 进气预热对柴油机起动过程动力性能影响的试验分析［J］. 车用发动机， 2015 （2）： 28-32，39.
	DU W， HUANG W W， HE S H， et al. Effects of intake preheating on diesel engine power performance during starting process［J］. Vehicle Engine， 2015 （2）： 28-32，39.
16	DENG Y， LIU H， ZHAO X， et al. Effects of cold start control strategy on cold start performance of the diesel engine based on a comprehensive preheat diesel engine model［J］. Applied Energy， 2018， 210： 279-287.
17	ZHANG C， LIU B， HU J， et al. Study on cold starting performance of a low compression ratio diesel engine by using intake flame preheating［J］. Thermal Science， 2020， 24（1）： 51-62.
18	LI Y， WANG D， SHI Z， et al. Environment-adaptive method to control intake preheating for diesel engines at cold-start conditions［J］. Energy， 2021， 227： 120423.
19	BROATCH A， LUJÁN J M， SERRANO J R， et al. A procedure to reduce pollutant gases from Diesel combustion during European MVEG-a cycle by using electrical intake air-heaters［J］. Fuel， 2008， 87（12）： 2760-2778.
20	KREUN P K， FAJARDO C M， BAUMANN A S. Simulation of an intake manifold pre-heater for cold engine startup［J］. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power， 2013， 135（7）： 071505.
21	张乾坤，樊丰，王，等. 火焰进气预热塞电加热特性分析［J］. 柴油机， 2018， 40（2）： 30-35.
	ZHANG Q K， FAN F， WANG Y， et al. Study on the electro-thermal characteristics with a flame inlet preheating plug［J］. Diesel Engine， 2018， 40（2）： 30-35.
22	王东方，王，黎一锴，等. 柴油机进气火焰预热系统着火临界温度的研究［J］. 内燃机学报， 2021， 39（4）： 289-296.
	WANG D F， WANG Y， LI Y K， et al. Study on critical ignition temperature of intake flame preheating system of diesel engine［J］. Transactions of CSICE， 2021， 39（4）： 289-296.
23	LI Z， WANG Z， MO H， et al. Effect of the air flow on the combustion process and preheating effect of the intake manifold burner［J］. Energies， 2022， 15（9）： 3260.
24	LI Z， WANG Z， MO H. Effect of the preheating strategy on the combustion process of the intake manifold burner［J］. Applied Sciences， 2022， 12（8）： 3858.
25	周磊，高强，卫海桥，等. 柴油机冷启动射流火焰辅助着火装置及其控制方法： CN111894726A［P］. 2020-11-06.
26	王字满，莫昊扬，李志爽，等. 一种火焰预热塞： CN112855403B［P］. 2021-11-02.
27	马骁，卢鑫辉. 一种旁路进气加热装置： CN112682228B［P］. 2022-04-01.
28	LIU F， YANG Z， LI Y， et al. Experimental study on the combustion characteristics of impinging diesel spray at low temperature environment［J］. Applied Thermal Engineering， 2019， 148： 1233-1245.
29	WANG D， SHI Z， YANG Z， et al. Numerical analysis of heat transfer between a wall and diesel spray： effect on ignition characteristics［J］. Fuel， 2023， 334： 126595.
30	严传俊，范玮. 燃烧学［M］. 3版. 西安：西北工业大学出版社， 2015.
	YAN C J， FAN W. Combustion［M］. 3rd ed. Xi’an： Northwestern Polytechnical University Press， 2015.
31	黄思源，桂业伟，白菡尘. 凹腔火焰稳定器回流区稳焰机理［J］. 推进技术， 2011， 32（5）： 684-689.
	HUANG S Y， GUI Y W， BAI H C. Flame stabilizing mechanism of recirculation-zone of cavity flameholder［J］. Journal of Propulsion Technology， 2011， 32（5）： 684-689.
32	陈炫午，曾青华，甘晓华. 航空发动机高温升燃烧室技术分析［J］. 推进技术， 2023， 44（2）： 8-22.
	CHEN X W， ZENG Q H， GAN X H. Analysis of combustion technology of high temperature rise for aero engines［J］. Journal of Propulsion Technology， 2023， 44（2）： 8-22.
33	LIU Y， JIA M， XIE M， et al. Enhancement on a skeletal kinetic model for primary reference fuel oxidation by using a semidecoupling methodology［J］. Energy and Fuels， 2012， 26（12）： 7069-7083.
34	Convergent Science Inc. CONVERGE v3.0 manual［M］.2018.
35	KUHNKE D. Spray/wall-interaction modelling by dimensionless data analysis［D］. Germany： Technische Universität Darmstadt， 2004.
36	QIN M， YANG T， SONG Y， et al. Subpatterns of thin-sheet splash of a droplet impact on a heated surface［J］. Langmuir， 2022， 38（2）： 810-817.
37	QIN M， GUO Y， TANG C， et al. Spreading and bouncing of liquid alkane droplets upon impacting on a heated surface［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2020， 159： 120076.
38	ZHOU L， ZHAO W， LUO K， et al. Spray–turbulence–chemistry interactions under engine-like conditions［J］. Progress in Energy and Combustion Science， 2021， 86： 100939.

参数	范围
环境压力/MPa	0.1
环境温度/K	300
燃油温度/K	293
加热板位置/mm	0，±5，±10
风机频率/Hz （平均风速/（m·s^-1））	15（3）， 50（10）
喷射周期/ms （喷射频率/Hz）	10（100）， 20（50）， 25（40）， 50（20）
喷射脉宽/ms	1，2，3，…，9
喷射压力/MPa	0.5

模型		描述
喷雾子模型	喷雾破碎	K-H & R-T模型
	喷雾-壁面相互作用	Wall film模型
	湍流弥散	O’Rourke模型
	液滴蒸发	Frossling模型
	液滴碰撞	NTC collision模型
	液滴阻力	Dynamic drop drag模型
湍流子模型		RNG k-ε 模型
燃烧子模型	燃料	柴油（物性）正庚烷（组分）
	燃烧模型	MZ-SAGE模型
	反应机理	Liu等^［33］（48组分，152反应）

参数	Case 1	Case 2	Case 3
环境压力/MPa	0.1
环境温度/K	243
燃油温度/K	293
来流速度/（m·s^-1）	10
加热板位置/mm	0
喷射压力/MPa	0.5
喷射周期/ms	20	20	40
喷射脉宽/ms	1	3	3

[1]	王万腾,李楠,白雪宜,杨抖,栗航,李贵敬. 气体扩散层分层设计对PEMFC电堆性能影响研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(9): 1720-1727.
[2]	陈一哲,范宏德,王祎纯,王辉,李俊,华林. 车用纤维金属层板构件冲压变形行为研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(3): 517-526.
[3]	刘少华,董浩川,申立中. 基于碳烟粒径分布预测的柴油燃烧机理构建与氧含量影响研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(1): 93-103.
[4]	沈颖刚,施伟杰,肖欢容,杨锐敏,陈贵升,毕克刚. CDPF主动再生对SCR性能影响的试验研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(8): 1280-1288.
[5]	王俊,申立中,毕玉华,雷基林. 不同海拔下基于VNT驱动的EGR对轻型柴油机燃烧与排放的影响[J]. 汽车工程, 2022, 44(7): 1088-1097.
[6]	张慧龑,汤旭阳,石磊,邓康耀. 增压系统海拔自适应和调节能力研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(2): 256-263.
[7]	庞子卉,韩济泉,陈平,刘云梅,冯健美,彭学院. 170 kW燃料电池系统引射器关键结构参数影响研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(12): 1889-1895.
[8]	肖仁鑫,梁大平,陈贵升,刘爽. 不同海拔下国六柴油机性能试验研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(12): 1926-1935.
[9]	解方喜,王金港,窦慧莉,李佳星,王斌,洪伟. 预燃室结构参数对汽油热射流发展特性影响[J]. 汽车工程, 2022, 44(11): 1716-1724.
[10]	岳广照,孙振茂,田广东. SCR催化器温度在线预估算法及试验研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(9): 1308-1313.
[11]	刘鹏,邓家福,范立云,吴钢,胡林. 串并联永磁对共轨高速电磁阀电磁力的影响[J]. 汽车工程, 2021, 43(8): 1136-1142.
[12]	靳莹,乔新勇,顾程,郭浩,宁初明. 基于Res⁃CNN和燃油压力波的柴油机喷油器故障诊断方法[J]. 汽车工程, 2021, 43(6): 943-951.
[13]	张韦,解礼兵,陈朝辉,周马益,陈永,范吉文,陶丽. 进气道螺旋段关键结构参数多目标优化设计[J]. 汽车工程, 2021, 43(3): 337-344.
[14]	毕玉华,聂学选,刘少华,肖奔,王鹏,申立中,彭益源. 排气温度、排气流量和海拔高度对SCR系统NO_x转化率和NH₃泄漏量的影响研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(3): 350-357.
[15]	董意,刘建敏,李普,刘艳斌,乔新勇. 柴油机气缸垫状态参数预测与结构优化研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(2): 232-240.