低温环境柴油机活塞烧蚀燃烧过程分析研究

强永平，李海鹰，张炜，檀丽宏，朱伟青，尹艳君，白洪林，刘金龙，李晓娟，贾晓亮

(1.中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400；2.陆军装备部驻北京地区军事代表局驻北京地区第八军事代表室，北京 100072；3.陆军装备部驻北京地区军事代表局驻临汾地区军事代表室，山西 侯马 043011)

发动机在低温环境运行时，由于进气和缸壁温度较低、喷油雾化不良、缸内散热损失大等原因，容易产生不正常燃烧，严重时将导致活塞烧蚀故障。关于发动机活塞烧蚀的原因，大多数学者认为是由于不正常燃烧导致了活塞失效和损坏[1-10]。

何学良等[1]认为柴油机活塞烧蚀与燃烧压力振荡密切相关，所谓燃烧压力振荡就是参与预混燃烧的燃料量过多形成的爆炸式燃烧产生的压力冲击波。天津大学姚春德等[4]认为汽油机爆震燃烧形成的压力冲击波造成活塞熔化、损坏。方会咏等[5]通过试验表明，进气温度小范围变化对超级爆震影响相关性较小，喷油提前角越大、发动机水温越低，发生超级爆震倾向越大。赵明等[6]利用60 kHz高速摄影对光学发动机柴油爆震的过程进行了研究，发现平均最大压升率为18.5 MPa/(°)，最高时可达50 MPa/(°)，呈现的压燃爆震现象与点燃式类似，爆震源于末端混合气的自燃，极其恶劣的循环出现了末端混合气区域急速升高的燃烧放热，导致冲击波产生。陆静安等[7]通过研究运行参数对活塞热负荷及异常燃烧的影响中发现燃烧始点对热负荷影响较大。蔡忠周等[11]针对某柴油机在高原环境出现的活塞烧蚀现象开展了试验研究，结果发现由于预混合阶段燃烧放热量过多，造成燃烧过程粗暴，最大压升率显著增大，是活塞烧蚀的重要原因。强永平等[12]针对低温环境的活塞烧蚀现象进行了复现试验研究，结果发现低温环境下燃烧不稳定导致压力剧烈振荡，循环平均的最大压升率超25 MPa/ms，出现严重的粗暴燃烧是活塞烧蚀的主因。

然而，实际发动机试验中爆燃现象只能通过采集缸压数据进行分析推断，无法有效展现此工况下喷雾发展变化和燃烧发展过程。而揭示发生爆燃现象时的油气混合及燃烧发展变化必须通过燃烧过程三维仿真手段实现。本研究在低温环境活塞烧蚀复现试验结果的基础上，进行燃烧过程三维分析，以试验实测缸压曲线对模型参数进行标定，然后分析活塞烧蚀与未烧蚀两种燃烧过程之间的微观差异，进而阐明低温环境下油气混合和燃烧放热的特点。

1 低温环境活塞烧蚀复现试验

通过设置较低的回水温度模拟低温环境，使柴油机在试验中发生活塞烧蚀。低温环境特点为发动机冷却液温度和进气温度低于正常工况时，发动机在正常工况时冷却液温度基本上在90 ℃左右，进气温度由于中冷作用基本在60 ℃以上。某柴油机模拟低温烧蚀故障试验结果[12]为该柴油机在转速1 500 r/min、70%负荷工况下存在爆燃和烧蚀现象，其爆燃和烧蚀现象与环境温度密切相关。当环境温度(冷却液温度和进气温度)控制在40 ℃以上时，活塞未出现明显烧蚀现象；当回水温度控制在25 ℃左右时，活塞出现部分烧蚀现象；当回水温度控制在15 ℃左右时，活塞出现活塞掉块、严重拉缸的严重烧蚀故障。图1示出了一种部分活塞烧蚀的现象。

图1 活塞烧蚀现象(回水温度25 ℃)

2 计算方案与模型

计算方案以活塞烧蚀复现试验中发生烧蚀现象和未发生烧蚀现象的温度作为低温环境温度。两种计算方案的进气温度和冷却液温度见表1。

表1 两种低温环境温度方案

2.1 发动机模型

本研究采用一台高比功率柴油机，发动机主要技术参数见表2。

表2 发动机主要技术参数

缸内燃烧过程三维仿真计算采用Converge仿真分析软件，最大网格数量在喷油初期，对喷雾发展过程进行了网格加密处理，网格单元数量达到444万。图2示出上止点时刻网格。

图2 上止点时刻网格

仿真区间从进气门关闭时刻到排气门开启时刻，最小计算时间步长为1×10-9s，最大计算时间步长为1×10-6s。相关模型选取为LES湍流模型，KH喷雾破碎模型，O’rourke撞壁模型，CTC燃烧模型。两种低温环境温度方案初始条件和边界条件设置见表3。

表3 两种方案边界条件和初始条件

2.2 模型验证

低温环境下试验与仿真缸压曲线对比见图3和图4。从图中可知，二者燃烧放热缸压突变时刻、缸压快速上升区间以及燃烧膨胀期间都基本吻合，说

图3 试验与仿真缸压对比(低温环境25 ℃)

图4 试验与仿真缸压对比(低温环境40 ℃)

明模型的选取基本合理，仿真的燃烧过程基本能够反映试验工况的燃烧组织情况。后续的结果分析主要以仿真结果为主。

3 燃烧过程分析

首先对两种方案的燃烧放热参数进行对比分析；然后进行燃烧放热过程分析，主要包括缸内压力曲线及压力场分布、缸内温度曲线及温度场分布、放热率曲线；最后进行油气混合过程分析，主要包括喷雾贯穿距离及油滴分布、蒸发率及燃空当量比分布、湿壁量分布。

3.1 燃烧放热参数对比

低温环境下的燃烧放热参数对比见表4。从表中可见，低温环境对最大瞬态放热率影响最大，其次为最大压升率和累计湿壁量，其余参数差别较小。

表4 燃烧放热参数对比

3.2 燃烧放热过程分析

3.2.1 缸内平均压力及压力场分析

从图5可知，两种方案的缸压曲线整体差别不大，方案2燃烧放热产生的缸内压力曲线拐点比方案1略有提前，最高燃烧压力比方案1略低，在缸压上升和燃烧膨胀阶段缸压曲线基本一致。方案1最高燃烧压力为11.4 MPa，方案2为11.2 MPa，方案1最大压升率为6.5 MPa/(°)，方案2为4.8 MPa/(°)，说明两种方案从缸内平均压力看整体差别不大，细微差别通过以下微观压力场进行分析。

图6示出两种方案燃烧室压力场对比。上止点前6°为开始燃烧阶段，由于方案1燃烧始点比方案2滞后约1°，方案1只有局部零星燃烧产生局部较高压力，而方案2已经多点燃烧，压力场整体相对较高。上止点前4°为喷油结束时刻，方案1侧隙和活塞顶面交接处出现一处压力高达20 MPa的区域，而方案2没有高压力区域，说明方案1中在狭窄空间出现了压力积聚。上止点前2°时为压力分层阶段，方案1侧隙和避阀坑附近出现三处压力高达20 MPa的区域，同时侧隙和避阀坑处也出现了两处压力低于10 MPa的区域，而方案2基本都处于12 MPa，说明方案1中在狭窄空间出现了压力积聚和压力衰减，分别对应压力振荡中的波峰和波谷，缸内空间存在明显的压力分层。上止点时刻两种方案大部分压力场处于12 MPa，但方案1侧隙和避阀坑附近仍有两处压力高达17 MPa的区域，而方案2

图5 两种方案缸压对比

图6 燃烧室压力场对比

没有高压区域。综上所述，方案1在上止点附近避阀坑和侧隙存在较多的可燃油气，引起局部剧烈燃烧形成压力振荡，促使压力分层，但伴随振荡强度的迅速衰减，压力分布逐渐均匀。这与赵明等[6]利用高速摄影在光学发动机上研究柴油爆震过程的结果类似——爆震源于末端混合气的自燃，极其恶劣的循环出现了冲击波。

3.2.2 缸内平均温度及温度场分析

从图7缸内平均温度曲线对比可知，方案2缸内平均温度整体稍高于方案1。在上止点前7°左右，方案2缸内平均温度曲线开始快速上升，并且温度曲线拐点比方案1稍微提前，缸内平均温度最大值二者基本相同，均在2 000 K左右。

图7 两种方案缸内温度对比

图8示出两种方案缸内温度场对比。方案1温度分布情况如下：燃烧始点在上止点前6°时，燃烧室内只有零星燃烧产生的局部较高温度场，避阀坑、活塞顶以及侧隙温度场处于600 K左右未燃烧状态的低温区域；在上止点前4°喷油结束时，燃烧室内大部分燃气开始燃烧，燃烧室温度分布不均匀，中间部分有明显低温区域，避阀坑、活塞顶以及侧隙局部温度较高；在上止点前2°为出现压力分层阶段，由于喷雾碰壁后扩展到避阀坑及侧隙，避阀坑、活塞顶以及侧隙形成局部易燃混合区，燃烧后温度高达2 400 K，压力接近20 MPa；上止点时，燃烧室顶面以及侧隙局部温度大部分在1 800 K，避阀坑部分区域温度高达2 400 K。方案2温度分布情况如下：燃烧始点相对靠前，在上止点前6°时，喷雾前端基本都已燃烧，燃烧室内温度较高，温度分布不均匀，避阀坑、活塞顶以及侧隙局部已有2 000 K以上高温区域；在上止点前4°喷油结束时，燃烧室内温度分布较为均匀，中间部分处于高温区域，避阀坑、活塞顶以及侧隙温度与燃烧开始阶段基本一致；上止点前2°时，燃烧室中间部位温度较高，但避阀坑、活塞顶以及侧隙温度较低；上止点时，燃烧室中间部位温度较高，但避阀坑、活塞顶以及侧隙温度较低。说明方案1由于燃烧始点滞后，喷雾碰壁后扩展到避阀坑及侧隙，发生了局部剧烈燃烧，导致避阀坑及凸台环岸处于高温区域时间较长，这与图9中烧蚀活塞故障区域统计结果一致；而方案2由于燃烧始点靠前，喷雾碰壁后在扩展到避阀坑及侧隙前就已蒸发汽化发生燃烧。

图8 缸内温度场对比

图9 烧蚀活塞故障区域统计

3.2.3 放热规律差异分析

由图10 瞬态放热率曲线对比可知，两种方案在上止点时刻主要放热基本结束，放热规律整体表现为预混燃烧作为主导的预混扩散燃烧形式。温度由方案2的40 ℃降低到方案1的25 ℃时，燃烧放热始点推后约2°，相应地，滞燃期较长，预混燃烧占比增加，放热峰值增加，瞬态放热最大值由3 757 J/(°)升高到5 663 J/(°)，瞬态放热最大值对应角度推后了1.3°(靠近上止点)。这与最大压升率变化相一致。

图10 两种方案瞬态放热率对比

图11示出两种方案累计放热量曲线对比。由图11可见，两种方案累计放热量基本相同，主要差别为上止点前方案2累计放热量较多，但上升幅度较缓，上止点到40°阶段，方案1累计放热量较多，40°后二者累计放热量基本一致。

图11 两种方案累计放热量对比

综上所述，两种方案缸内平均压力、缸内平均温度相近，最大压升率和放热峰值存在明显差异。而局部微观压力场、温度场差别较大。二者的差异存在与预混放热阶段混合气的形成过程关系密切，以下分析油气混合过程中的差异。

3.3 油气混合过程对比

3.3.1 喷雾贯穿距离及燃油液滴分布

从图12两种方案喷雾贯穿距离曲线对比可知，二者喷雾过程开始阶段一样，在上止点前12°附近喷雾贯穿距离达到最大，此时油束撞壁。到上止点前6°附近，方案2由于壁面温度和缸内气体温度相对较高，油束蒸发汽化开始燃烧，喷雾贯穿距离快速减小，而方案1由于缸内气体温度和壁面温度较低，油束蒸发汽化和开始燃烧相对靠后。

图12 两种方案喷雾贯穿距离对比

图13示出燃油液滴分布对比，图中喷雾发展过程以壁面附近气体温度表示。选取喷雾碰壁前、碰壁后、燃烧始点、喷油结束这几个特殊时刻进行对比。喷雾碰壁前两种方案喷雾发展和喷雾形态基本一样，说明这一阶段喷雾形态的发展主要取决于喷油规律；喷雾碰壁后未着火前两种方案的喷雾形态只有在喷雾前端略有差异；由于方案1燃烧始点为上止点前6.4°，方案2燃烧始点为上止点前7.7°，故选二者均着火后时刻-6°进行对比，从图中可知，方

图13 燃油液滴分布对比

案1由于进气温度和壁面温度较低，只有一个油束前端开始着火，大部分油束沿避阀坑和燃烧室顶面扩展，方案2温度较高，由于油束前端都已开始着火燃烧，对油束沿避阀坑和燃烧室顶面扩展形成了一定阻挡；喷油结束时刻，喷雾形态主要是碰壁后附壁，由于两种方案均已燃烧，两种方案的缸内气体温度主要影响的是局部燃烧程度。

3.3.2 蒸发率与油气混合

图14示出燃油蒸发率曲线对比，蒸发率是气态的燃油质量与总燃油质量的比值，主要反映可燃气体的数量。主要分析区间为从开始喷油到开始燃烧阶段，上止点前22°开始喷油，上止点前18°燃油开始明显蒸发汽化，之后直到上止点前7°左右为蒸发率快速上升期，在这期间方案2的蒸发率一直高于方案1，说明方案2由于缸内气温稍高有助于燃油蒸发汽化，因此燃烧始点靠前；上止点前7°到上止点前4°阶段，两种方案蒸发率基本一样，主要是方案2在上止点前7°蒸发率出现拐点上升率有所放缓，而方案1直到上止点前5.5°左右蒸发率才出现拐点，上升率放缓；在上止点前4°到上止点阶段，方案2的蒸发率高于方案1，说明喷雾结束后全面燃烧，蒸发率主要取决于液滴附近的气体温度。

图14 燃油蒸发率对比

图15示出两种方案燃烧室壁面燃空当量比对比。上止点前12°时刻喷油刚撞壁，两种方案油气混合程度相差不大，喷雾前端油气混合当量比略有差别；上止点前8°时刻为喷油撞壁后未着火阶段，油束撞壁后向避阀坑扩展且前端外围形成了一圈油气混合较好区域，两种方案碰壁后扩展面积略有差别且油气浓度较高；上止点前6°左右为燃烧始点时刻，由于方案2温度较高，燃烧始点靠前，已全面燃烧，缸内温度较高，油气混合相对较好，壁面附近适合燃烧区域面积较多。而方案1由于刚开始局部燃烧，缸内温度较低，蒸发扩散形成适合的可燃气较少。上止点前4°左右为喷油结束时刻，方案2已燃烧约4°，缸内温度较高，油气混合主要集中在燃烧室坑内，燃烧室顶、避阀坑以及侧隙可燃区域面积较少。而方案1燃烧约2°，缸内温度较低，蒸发扩散较慢，导致燃烧室顶、避阀坑以及侧隙可燃区域面积较多。

图15 燃空当量比对比

3.3.3 燃烧室湿壁量

从图16燃烧室湿壁量曲线对比可知，上止点前12°左右喷雾开始碰壁后燃烧室湿壁量快速增加，在燃烧始点时达到最大值，方案2在上止点前7°左右，方案1在上止点前6°左右；随着蒸发混合和局部燃烧开始，缸内温度上升使蒸发汽化量增加，湿壁量逐渐降低。方案2由于缸内温度和壁面温度较高，燃烧始点相对较早，蒸发汽化量较多，湿壁量相比方案1较少。随低温环境温度由40 ℃降到25 ℃，累计湿壁量由63.6 mg上升到71.7 mg，增幅为12.7%。这是由于燃烧始点缸内平均温度的差异造成的，说明油气混合主要取决于湿壁量和油膜蒸发速率。

图16 燃烧室湿壁量对比

综上，喷雾撞壁后油气混合过程中的差异取决于燃烧始点的缸内温度和油膜蒸发速率。低温环境下油气混合过程中存在明显油束撞壁后向避阀坑和侧隙扩展现象，温度较低时上止点附近避阀坑可燃油气较多。

4 结论

a) 低温环境温度由40 ℃降低到25 ℃时，缸压和缸温曲线相近，压升率和放热率相差较大，最大压升率增幅为35.4%，累计湿壁量增幅为12.7%，瞬态放热率最大值增幅为50.7%，说明环境温度降低时存在机械负荷和热负荷同时增加的趋势；

b) 环境温度较低时，喷雾过程容易出现撞壁后向避阀坑扩展进入侧隙，在上止点附近发生了强烈的压力振荡，促使压力分层，局部最高燃烧压力达到约20 MPa，最高燃烧温度达到2 700 K；

c) 低温环境下喷雾撞壁后湿壁量增加、滞燃期增长，导致急剧燃烧、瞬态放热量剧增的爆燃现象，附壁燃烧和局部急剧燃烧形成高温高压是造成活塞发生烧蚀现象的主要因素。