直噴式柴油機撞壁噴霧燃燒室的仿真與分析*

魏勝利，王 忠，毛功平，倪培永

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

前言

在現(xiàn)代中小型柴油機中，由于高壓噴射帶來的燃油撞壁問題已不可避免［1］。一方面，造成燃油沉積壁面，形成近壁過濃混合氣，導(dǎo)致燃燒惡化、油耗及CO和HC排放升高;而另一方面，積極合理地利用噴霧撞壁，可以改善燃油霧化，促進油氣混合，降低柴油機的油耗和排放。

在傳統(tǒng)的撞壁噴霧方式中，一般是在較長距離下利用從噴孔噴出的油束撞擊面積相對較大的壁面，由于距離較遠，油束撞擊時的動量相對較低;另外油束與碰撞壁面的接觸面積大，導(dǎo)致較多的燃油易附著其上，壁面附近的燃油因無法卷吸足夠的空氣而形成過濃混合氣區(qū)。如能最大限度地利用油束噴射動能并使油束撞擊在指定的局部有限壁面上，則有可能獲得高質(zhì)量的霧化效果。此外，由于碰撞壁面有限，碰撞后的噴霧迅速脫離壁面向空間發(fā)展，在其兩側(cè)均可卷吸大量空氣，減少了局部過濃區(qū)。

在火花點火直噴式汽油機中，利用單孔噴油器噴出的油束撞擊燃燒室中央凸臺來形成圓盤狀的油霧分布，在燃燒室內(nèi)擠流作用下，油霧層上下卷入空氣，快速形成層狀分布的混合氣，稱之為OSKA燃燒系統(tǒng)。隨后，OSKA方式被運用于直噴式柴油機中，稱為 OSKA-D 型［2－3］和 OSKA-DH 型［4－5］。

TRB(TOYOTA Reflex Burn)燃燒系統(tǒng)［6］的特點是在燃燒室凹坑的側(cè)壁上設(shè)有反射凸緣，既可促進空氣卷入，又減少了壁面油膜的沉積和壁面被噴濕的機會，促進了油氣混合氣的形成。實驗證明，TRB燃燒系統(tǒng)不僅大大改善了發(fā)動機性能，而且也有效地減少了HC排放。

BUMP燃燒室［7］利用缸內(nèi)空氣運動使油束在燃燒前分布在燃燒室的適當位置，加快與空氣的混合，形成稀的、較均勻的混合氣。文獻［8］中進行了預(yù)混合壓燃近、遠距撞壁噴霧的研究。文獻［9］中提出了多片噴霧燃燒系統(tǒng)。從多孔油嘴噴出的油束在很短距離內(nèi)(約5mm)以很高動能撞擊設(shè)置于油嘴頭部外圍的多片導(dǎo)向斜壁，碰撞后的油束沿壁面方向迅速擴展成近似扇形片狀的噴霧分布。

1 撞壁噴霧燃燒室的設(shè)計

合理的撞壁噴霧已經(jīng)成為改善混合氣分布的有效手段之一。噴霧撞壁后實現(xiàn)二次霧化，使油、氣接觸面積增大，加強了對空氣的卷吸作用;在靠近上死點時，擠流可以促使燃油在氣流作用下快速運動，有助于形成更大范圍的稀薄混合氣，進而有效地改善形成的混合氣質(zhì)量。因此，燃燒室形狀、噴霧和氣流運動匹配一直是研究的主要任務(wù)之一。

為了改善燃燒室內(nèi)噴霧的空間分布，促進油氣混合，降低排放，本文中提出了一種新型的直噴式柴油機撞壁噴霧燃燒系統(tǒng)，見圖1。該燃燒系統(tǒng)在縮口型燃燒室中央設(shè)有較高的大凸臺，并在燃燒室喉口設(shè)有噴霧碰撞凸緣(大凸臺表面和喉口凸緣面統(tǒng)稱導(dǎo)向面)。大凸臺不僅適應(yīng)噴油錐體的形成，把空氣擠向周邊，還可促使擠流的形成，并在膨脹行程初期，使高溫燃氣以逆擠流形式向活塞頂周邊上空沖出時，主熱流避開了噴嘴端部，使噴嘴不會過熱。

在壓縮行程中，在擠流作用下，氣流經(jīng)中央凸臺與喉口凸緣之間進入燃燒室下方凹坑;高速噴霧以一定角度撞擊中央大凸臺表面或喉口凸緣面，其一小部分被反彈;絕大部分順著導(dǎo)向面擴散成扇形，繼而與導(dǎo)向面剝離，在氣流作用下進入燃燒室下方凹坑。較快的氣流運動和分布范圍較廣的噴霧促進了均勻混合氣的快速形成。

由于噴孔夾角的不同造成油束在燃燒室落點位置有較大差異，從而形成了噴霧落點在中央凸臺的近距撞壁(簡稱近撞)，包括全撞(噴孔夾角130°)和半撞(噴孔夾角140°，噴霧的一半碰撞在凸臺末端，而另一半未與中央凸臺碰撞);噴霧落點在喉口凸緣的遠距撞壁(噴孔夾角150°，簡稱遠撞)，見圖1。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算方案

采用了相同油嘴伸出長度和孔徑不同噴孔夾角的油嘴，對上述3種不同的撞壁噴霧方式的混合氣形成與燃燒過程進行了數(shù)值模擬。采用1/4缸內(nèi)空間模型，每個CFD模型的網(wǎng)格數(shù)在分區(qū)之前都超過了60 000個。

2.2 模型與驗證

計算采用k-ε湍流模型。噴霧破碎子模型采用WAVE模型。撞壁子模型采用Naber Reitz的油粒－壁面碰撞模型，相互作用類型為Walljet1，C2=12，臨界 Weber數(shù)為 50，反射角度小于 5°［10］。噴霧蒸發(fā)采用Dukowicz模型，著火采用Shell自燃模型。

燃燒過程的反應(yīng)速率基于Magnussen的湍流控制模型計算。NOx排放采用擴展的Zeldovich模型，碳煙排放采用Kennedy-Hiroyasu-Magnussen模型。

相關(guān)的計算初始參數(shù)見表1。

表1 計算初始參數(shù)

計算從進氣門關(guān)閉時刻開始，到排氣門打開時刻結(jié)束。該柴油機的進氣門關(guān)閉時刻為上止點前150°CA，進氣壓力0.10MPa，進氣溫度為 297K，考慮傳熱和摩擦轉(zhuǎn)化為熱量對進氣加熱，設(shè)定初始溫度為330K。計算采用100%負荷供油量。

為驗證計算模型的有效性，將計算與實驗結(jié)果進行了比較。圖2為氣缸壓力曲線計算值與實驗值的對比。由于實驗柴油機缸套老化等原因?qū)崪y值與計算值存在一定偏差，但總的看來，采用上述計算模型和邊界條件進行數(shù)值模擬是可信的。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3為在不同撞壁噴霧情況下，燃空比分布隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。由圖可見:總體分布近撞優(yōu)于遠撞方式，半撞優(yōu)于全撞方式。隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化，燃空比分布差異較大，半撞與遠撞在氣流作用下在凹坑內(nèi)發(fā)生明顯的順時針旋轉(zhuǎn)。半撞方式中未發(fā)生撞壁的那部分燃油及撞壁后的噴霧迅速脫離壁面向空間發(fā)展，在其兩側(cè)均可卷吸大量空氣，減少了局部過濃區(qū)。這樣使燃燒室外圍空氣得到充分利用，有利于在較大范圍形成均勻混合氣。在5°CA ATDC時，全撞方式在中央凸臺和通道處混合氣較濃，半撞方式在中央凸臺表面濃混合氣的范圍較小，通道處較均勻，其余受氣流運動影響，分布在凹坑壁面，而遠撞則主要分布在凹坑壁面。在15°CA ATDC時，三者在燃燒室中的過濃區(qū)基本消失，半撞和遠撞的混合氣主要分布在喉口與凸臺圓弧處附近，而全撞方式的混合氣則主要分布在凸臺拐角至喉口上方空間。在20°CA ATDC時，三者的燃空比均在3以下，半撞噴霧在燃燒室中形成的混合氣最均勻，分布范圍較廣，其主要分布于凸臺上方至燃燒室喉口空間。

圖4為全撞、半撞和遠撞噴霧方式在燃燒室內(nèi)溫度場分布對比。在5°CA ATDC時，全撞中高溫區(qū)出現(xiàn)在通道處，半撞中高溫區(qū)出現(xiàn)在通道處及凹坑中，以上兩者最高溫度均在2 500K以上，遠撞中高溫區(qū)則主要出現(xiàn)在凹坑的中心附近，很小部分位于喉口上方，最高溫度達2 300K。在20°CA ATDC時，最高溫度超過了2 700K，三者的溫度場分布已出現(xiàn)較大差異:全撞中高溫區(qū)主要集中在通道到喉口上方，半撞和遠撞則主要分布在凸臺上方。從10°CA～20°CA ATDC燃燒室內(nèi)溫度分布隨曲軸轉(zhuǎn)角變化情況可以看出:凹坑中心的溫度只有1 700K左右，凹坑壁附近的溫度較高，達2 500K左右，在凹坑中溫度形成了中心低、四周高的現(xiàn)象，說明此時溫度場主要受燃燒渦流和逆擠流影響。在30°CA ATDC以后，全撞方式出現(xiàn)了局部高溫區(qū)，而半撞和遠撞高溫區(qū)范圍大，溫度場均勻。全撞中高溫區(qū)呈不連續(xù)帶狀分布，絕大多數(shù)分布在在活塞頂上方，而半撞和遠撞則呈連續(xù)性片狀分布，位于凸臺、通道到喉口上方空間，三者的最高溫度則差別不大。

圖5為不同噴孔夾角的燃燒和排放性能比較曲線。在整個燃燒過程中，半撞具有最高的缸內(nèi)平均溫度，生成NO的質(zhì)量分數(shù)最高，達15.68g/kg，生成碳煙的質(zhì)量分數(shù)最低，為10.70g/kg，遠撞噴霧生成NO的質(zhì)量分數(shù)最低，為9.27g/kg。由于遠碰噴霧方式油霧到達喉口導(dǎo)向面時動能相對較低，噴霧貼近燃燒室壁面無法卷吸足夠的空氣，形成過濃區(qū)，使NO較低，碳煙排放高。半撞噴霧方式在燃燒室中形成的混合氣分布最均勻，油粒與空氣接觸面積較大，因而碳煙排放最低。全撞噴霧方式雖然油束對中央凸臺的撞擊動能較大，但由于其噴霧撞壁后沿凸臺面展開，噴霧緊貼凸臺導(dǎo)向面，如果噴孔數(shù)目較多，則會產(chǎn)生相互干涉而形成過濃區(qū)。燃燒初期全撞的碳煙質(zhì)量分數(shù)大于其他兩者，半撞與遠撞噴霧基本相同，這是因為全撞噴霧方式油霧最早接觸到凸臺碰撞面，油氣未能充分混合，導(dǎo)致碳煙排放高。在燃燒中后期碳煙質(zhì)量分數(shù)最大值從高到底依次為:遠撞噴霧、全撞噴霧、半撞噴霧。

3 結(jié)論

(1)由于噴孔夾角不同導(dǎo)致在燃燒室內(nèi)噴霧落點不同，形成了近撞(包括全撞和半撞)與遠撞噴霧方式。燃空比總體分布近撞噴霧優(yōu)于遠撞方式，其中半撞又優(yōu)于全撞方式。

(2)3種撞壁噴霧方式中，半撞噴霧方式生成的碳煙排放最低，NO排放最高;遠撞噴霧方式生成的碳煙排放最高，NO排放最低。

(3)燃燒渦流和逆擠流對速燃期的燃燒室內(nèi)溫度分布有較大的影響。

(4)在30°CA ATDC以后，全撞中高溫區(qū)呈不連續(xù)帶狀分布，而半撞與遠撞則呈連續(xù)性片狀分布，三者的最高溫度則相差不大。

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