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海拔高度对喷雾、燃烧以及排放的影响
2020-02-01 17:11:16· 来源：内燃机学报
海拔对喷雾、燃烧以及排放的影响引言世界上海拔2000m以上的区域占全球陆地总面积的13.2%，在我国，该比例高达33.0%。大气压力和空气密度随海拔高度的增高而减小
海拔对喷雾、燃烧以及排放的影响
引言
世界上海拔2000m以上的区域占全球陆地总面积的13.2%，在我国，该比例高达33.0%。大气压力和空气密度随海拔高度的增高而减小，由于没有足够供燃烧需要的氧气，因此发动机的性能随海拔高度的增高而下降。本次推送将介绍海拔对喷雾、燃烧以及排放的影响。
海拔对喷雾的影响
图1为各转速下喷雾液相贯穿距随海拔的变化。喷雾发展过程中，海拔升高后，液相贯穿速度增大，低海拔条件下喷雾最先达到稳定状态，此时的液相长度基本保持不变，达到稳态后的波动是由喷雾液滴与缸内气体边界的不稳定波动造成。对各海拔喷雾稳态的液相长度求均值，结果如图1d所示海拔3000m以上时喷雾液相长度明显增大，海拔从0m升高到4500m，喷雾的最大液相贯穿距增加了15mm左右。根据发动机燃烧室和喷油器结构参数得到沿喷孔中心线到燃烧室凹坑侧壁的距离约为55mm，由此可知，在转速为1500r/min工况下，缸内喷雾与燃烧过程在海拔3000m以上发生了撞壁现象。
同海拔条件下、高转速工况时，一方面，燃油喷射压力增大，喷射速率增加，与空气的相对运动速度增大；另一方面，弹体内部空气密度增加，对燃油运动的阻挠作用加强，两者综合导致了油束的动能损失增大，喷雾的液相贯穿距减小，达到最大液相长度的时间缩短。
图1 各转速下液相贯穿距随海拔的变化
图2为各转速下喷雾锥角随海拔的变化。由于试验采取预燃烧的方式实现喷雾的热力条件，受到喷油时刻定容燃烧弹内部气体湍流运动影响，油束表面出现不稳定波动，随液相距离增加，波动振幅更加明显，在油束的末端，液相表面开始破碎，油束头部有不规则摆动现象，导致计算得到的稳态喷雾锥角波动较大。对不同转速各海拔喷雾稳态的喷雾锥角进行均值处理，如图2d所示，随海拔升高，缸内介质密度的下降对油束轴向运动的阻碍作用减弱，喷雾的运动速度增加，油束变细，喷雾锥角减小，海拔从0m升高到4500m，喷雾锥角减小了约10%左右。
图2 各转速下喷雾锥角随海拔的变化
图3为各转速达到稳态时最大液相喷雾体积随海拔的变化。海拔升高，达到稳态时的油束体积显著增大，转速为1500r/min工况下，从海拔0m升高到4500m，喷雾液相体积平均增加了约60%，这主要是因为贯穿距的增加。虽然油束体积增加表明卷吸空气的体积增加，但高海拔时缸内介质密度明显下降，卷吸的空气单位质量减少，使得燃空当量比仍旧偏高，也导致了喷雾与燃烧过程中高海拔下着火滞燃期增大。
图3 各转速下最大液相喷雾体积随海拔的变化
海拔对性能以及燃烧的影响
图4为发动机在不同海拔的燃油消耗率随负荷的变化。随着海拔的增加，由于环境压力的降低，进气密度下降导致进气量的减少，使得缸内氧含量降低，缸内过量空气系数降低如图5所示，混合气变浓，燃烧恶化，发动机的有效热效率降低如图6所示，燃油消耗率上升。从1.608km上升至3.280km和从3.280km上升至4.560km，标定转速的燃油消耗率平均增幅分别为5.4%和5.0%，最大转矩转速的平均增幅分别为 5.9%和 3.5%
图4 不同海拔时的燃油消耗率
图5 不同海拔时的过量空气系数
图6 不同海拔时的有效热效率
选择最大转矩点转速和标定点转速分析柴油机的燃烧特性。图7为这两个转速下的最高燃烧压力。随着海拔高度的增加，在各个测试工况点，柴油机最高燃烧压力下降。这是由于海拔增加后，环境压力的降低，使得发动机的进气量减少，氧气供给不足，燃烧过程恶化所致。每个测试海拔高度与较低海拔高度相比，最大燃烧压力平均降幅约为7%。
图7 最大燃烧压力
图8给出了1400r/min和2300r/min 两个转速的燃烧始点(燃烧始点定义为累积放热率达到 1%时所对应的曲轴转角)随平均有效压力的变化，在所有海拔高度下，随着负荷增加，燃烧始点逐步提前。随着海拔高度的增加，燃烧始点推迟，海拔高度从3.280km升至4.560km 时，变化幅度相对较大，推迟了0.5～1°CA；而从1.608km上升至3.280km时，燃烧始点的变化幅度相对较小。随着海拔高度的增加，发动机进气量的减少，导致喷油时缸内氧含量逐渐降低，使得滞燃期延长；另一方面，随着海拔高度的增加，喷油时的缸内压力降低，也促进了滞燃期的增加，从而使燃烧始点推迟。滞燃期的增加将导致预混合燃烧比例的增加，使得更多的燃料在预混合燃烧阶段氧化放热，而扩散燃烧阶段消耗的燃料相对减少，从而导致燃烧持续期随着海拔的上升而出现减小的趋势，如图9所示。
图8 燃烧始点
图9 燃烧持续期
图10为燃烧过程中的最高平均温度。随着海拔的增加，最高平均温度显著增加。海拔从3.280km上升到4.560km时，1400r/min的最高平均温度平均上升约10.1%；而标定转速2300r/min的上升幅度则相对较大，约为12.7%，由于2300r/min的燃烧始点在4.560,km 时推迟幅度较1,400,r/min时大(图8)，其预混合燃烧比例的增加也就更多，所以导致预混合燃烧阶段放热量更大，使得最高平均温度增幅相对较大。由1.608km上升到3.280km时，最高平均温度上升幅度相对较小，2300r/min和1400r/min时分别约为3.4%和3.7%。
图10 最高燃烧温度
海拔对排放的影响
图11为不同海拔高度时NOx、CO和PM排放。随着海拔高度的增加，两个转速下NOx排放量的变化并不明显，仅在较小负荷时，不同海拔的NOx排放有所差异，但变化规律也并不明显。柴油机NOx的生成一般由燃烧温度、氧浓度和反应时间决定。当海拔上升时，由于环境压力的降低引起的进气量减小，缸内氧含量的降低，滞燃期延长，燃烧始点推迟，预混合燃烧比例增加，这将导致燃烧温度增加，从而促进NOx的生成。同时，由于高海拔条件下，缸内氧含量的降低，又阻碍了NOx的生成。这两方面的原因导致了NOx的排放受海拔变化的影响较小。
在标定转速时，随着海拔的增加，CO排放在小负荷和大负荷时变化不大，但是在中等负荷时略有降低；在最大转矩转速时，CO排放随着海拔的增加在小负荷和大负荷时显著增加，在中等负荷时增幅相对较小。柴油机中CO的生成一般是由于不完全燃烧导致的，当海拔升高时，缸内氧含量的下降，不利于CO的氧化，从而可以促进CO的生成；另一方面，缸内燃烧温度随海拔的上升而增加，又有利于CO的氧化，从而可以减少CO的排放。一般当柴油机运行在小负荷时，由于混合气较稀，火焰淬熄的可能性增加，从而增加CO的排放；在大负荷时，由于混合气较浓，局部缺氧加剧，将导致CO排放增加；而在中等负荷工况时，柴油机的CO排放较为理想。因此，随着海拔的增加，小负荷和大负荷由于氧含量不足导致的火焰淬熄和局部缺氧将加剧。同时，中等负荷又受益于缸内燃烧温度的升高，可以促进CO的氧化，其CO排放量的增幅要小于小负荷和大负荷。由于标定转速更高，其缸内油气混合要优于最大转矩转速，其受氧含量降低的影响要相对较小，而燃烧温度的增加将促进CO的氧化，所以在2300r/min的中等负荷随海拔的增加，CO的排放量有少许降低。
由于颗粒物的测试是采用ELPI进行的，颗粒物的质量排放是由ELPI测试所得的颗粒物粒径分布的数据计算所得。Zervas等的研究表明，在计算颗粒物质量时只考虑ELPI前7级所测得的颗粒物，所得的结果与称重法所测得的结果具有良好的一致性。
颗粒物的排放在不同海拔的变化如图11所示。两个转速的颗粒物排放随海拔的上升都显著增加。海拔高度从1.608km上升到3.280km，2300r/min和1400r/min的颗粒物排放平均增幅分别为28.4%和76.6%；海拔高度从3.280km上升到4.560km时，2300r/min和1400r/min的颗粒物排放平均增幅分别为22.3%和53.4%。
燃料在开始生成颗粒之前，会发生燃料分子的分解以及反应物原子的重新排列。裂解通常生产许多分子量低的直链不饱和碳氢化合物。燃油裂解一般是吸热反应，需要很高的活化能，因此其反应速率受温度影响较大。海拔的增加导致燃烧温度的升高(图10)，提高了燃油裂解的反应速率，从而促进了颗粒物的生成。另一方面，较高海拔的环境压力较低，使得柴油机进气量降低，缸内氧含量较低，阻碍了燃烧过程中产生的颗粒物的氧化。这两方面的原因，导致了颗粒物排放随海拔升高显著增加。
图11 不同转速下NOx、CO和PM的排放
总结
随着海拔升高，缸内介质密度降低，喷雾液相贯距明显增加，喷雾在海拔为 3,000,m 以上发生了撞壁现象；海拔从0m升高到4500m，喷雾锥角减小了约10%,，喷雾体积平均增加了约60%。
随着海拔高度增加，柴油机在相同工况点的最高燃烧压力下降，燃烧始点推迟，燃烧持续期缩短，预混合燃烧比例增加，最高平均温度上升。随着海拔高度增加，最大转矩转速时在各种转矩下CO排放均增加，而标定转速的CO排放则在中等负荷略有下降。NOx排放随海拔高度的变化规律不明显，在大部分工况点没有显著的增加或减少。颗粒物质量排放显著增加，最大转矩转速的增幅大于标定转速的增幅。
文献来源
[1]刘振明,刘楠,欧阳光耀,周磊,聂涛.高海拔(低介质密度)下燃油喷雾与燃烧特性[J].内燃机学报,2018,36(04):314-321.
[2]余林啸,葛蕴珊,谭建伟,何超,付耿,郭佳栋,王欣.重型柴油机在不同海拔地区的燃烧与排放特性[J].内燃机学报,2013,31(06):507-512.
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