雙卷流燃燒室與油束夾角匹配對柴油機排放的影響

高浩卜，李向榮，耿文耀，趙陸明，劉文鵬，劉福水

（1.北京理工大學機械與車輛學院，北京100081；2.河北華北柴油機有限責任公司，河北石家莊050081）

雙卷流燃燒室與油束夾角匹配對柴油機排放的影響

高浩卜1，李向榮1，耿文耀2，趙陸明1，劉文鵬1，劉福水1

（1.北京理工大學機械與車輛學院，北京100081；2.河北華北柴油機有限責任公司，河北石家莊050081）

為了優化喉口直徑96 mm的雙卷流燃燒室的排放特性，通過試驗對噴油油束夾角進行匹配。選取油束夾角為155°和160°的噴油器進行試驗。在外特性和部分負荷特性的試驗數據顯示，油束夾角為155°時，顆粒濃度比油束夾角為160°時低0.02～0.27 mg／m3，NOx濃度比油束夾角為160°時高14×10-6～70×10-6（NOx與總排氣體積比的10-6）。通過試驗數據解釋了造成上述排放特性的原因，并運用仿真分析闡明了上述排放特性的形成機理。研究表明采用油束夾角為155°時，可以有效降低顆粒排放，若采用缸外處理NOx，可以達到國4排放標準。

柴油機；雙卷流燃燒系統；油束夾角；排放標準；顆粒濃度；NOx濃度

隨著內燃機技術的發展以及人們環保意識的逐步提高，內燃機排放要求也越來越高，與此同時各國家、地區相繼提出越來越嚴格的排放法規。柴油機燃燒系統匹配效果直接影響排放性能，供油系統參數設計對整個燃燒系統的匹配極為重要［1-2］，而油束夾角是供油系統中有重要影響的一項參數［3-5］，尤其對噴油角度有很高要求的燃燒系統更為重要，比如北京理工大學研發的雙卷流燃燒系統［6-7］、大連理工大學研發的“雙壁面射流”燃燒系統［8］、天津大學研發的BUMP燃燒系統［9］等。對于雙卷流燃燒系統，油束夾角匹配先前主要是以柴油機的動力性和經濟性為優化目標，取得了很好的效果，但是并未探討油束夾角匹配對排放特性的影響。

本文通過對喉口直徑96mm的雙卷流燃燒室（DS96）進行油束夾角匹配的排放特性研究，使雙卷流燃燒系統柴油機在缸內燃燒時降低顆粒生成，缸外處理NOx排放，從而達到國4排放標準。

1 雙卷流燃燒系統

與傳統ω型燃燒室相比，雙卷流燃燒系統的特點在于：利用弧脊的分流作用、燃燒室壁面的引流作用，使油氣分別在內室和外室形成雙卷流，從而改善油氣的混合效果。雙卷流燃燒室油束匹配混合原理見圖1。

圖1 雙卷流燃燒室油束匹配混合原理Fig.1 Schematic diagram of the mixing principle in double swirl combustion chamber

噴油器油束夾角的變化直接影響到燃油在雙卷流燃燒室內觸脊的時間和相對位置，進而影響到燃燒室內的混合氣形成狀況、燃燒性能和排放性能。大量試驗發現，噴油量在內室和外室的分配比例大約在1∶9時，燃燒性能最佳［10］。因此，選擇合理的油束夾角成為影響雙卷流燃燒室性能的重要因素之一。

2 不同油束夾角排放特性試驗

根據噴油量在內室和外室的分配比例，選取油束夾角為150°、155°和160°的3種噴油器進行仿真對比研究。仿真發現，油束夾角為150°時在碳煙顆粒排放和NOx排放上與油束夾角為155°和160°時差別不大，但燃油消耗率明顯升高。出現高油耗的原因是對于雙卷流燃燒室DS96，油束夾角150°已經過小，使得內室噴油量過多，而內室空氣量較少，不能使燃油充分利用空氣并在上止點附近快速混合燃燒。

因此，試驗選取油束夾角為155°和160°2種噴油器進行對比試驗。通過比較分析排放數據和燃燒特性數據，為DS96燃燒室匹配合適的油束夾角。

2.1 主要試驗設備

本實驗臺架為1132Z模擬增壓單缸機試驗臺。缸徑132 mm，沖程145 mm，連桿長度262 mm，最高轉速2 500 r／min，最高燃燒壓力19 MPa。采用喉口直徑96 mm的雙卷流燃燒室。交流電力測功機由凱邁機電有限公司生產，最大吸收功率160 kW，最高轉速4 500 r／min。壓縮比17.5。進氣增壓壓力滿負荷1 300、1 600、1 800和2 100 r／min時分別為290、264、243和247 kPa，1 600 r／min工況點25%、50%、75%部分負荷分別為148、192、243 kPa。單體泵供油系統最大噴油壓力滿負荷1 300、1 600、1 800和2 100 r／min時分別為98、130、139和147 MPa， 1 600 r／min工況點25%、50%、75%部分負荷分別為76、99、107 MPa。油耗儀采用上海同圓環?？萍加邢薰旧a的CMF發動機瞬時油耗儀。顆粒物分析儀為MAHA公司生產的MPM-4分析儀，量程0～1 000 mg／m3，精度±0.01 mg／m3。NOx分析儀為HORIBA公司生產的MEXA-720NOx型分析儀，量程0～3 000×10-6，精度±1×10-6。數據采集分析系統包括：Kistler公司的Kibox燃燒分析儀、進／排氣壓力傳感器、缸壓傳感器、排氣溫度傳感器、針閥升程傳感器等。

2.2 油束夾角對排放影響試驗結果

試驗轉速選擇接近十三工況法的A（1 300 r／min）、B（1 600 r／min）、C（1 900 r／min）轉速點和最大轉速（2 100 r／min）；負荷選擇上述4個轉速下的100%負荷點，以及十三工況法中加權系數最大的B（1 600 r／min）轉速工況點25%、50%、75%、100%負荷。圖2給出了2種不同油束夾角在外特性和1 600 r／min負荷特性的顆粒濃度變化。

由圖2（a）結果顯示，外特性工況點上，油束夾角155°的顆粒濃度比油束夾角160°的低0.02～0.14 mg／m3。圖2（b）結果顯示，1 600 r／min各負荷下，油束夾角155°的顆粒濃度比油束夾角160°的低0.1～0.27 mg／m3。

圖2 不同油束夾角時的顆粒濃度Fig.2 Comparison of emitted PM

由圖3結果顯示，NOx濃度在全部測試工況點上，油束夾角155°的比油束夾角160°的高14×10-6～70×10-6。從圖4所示的燃油消耗率上看，在所有測試工況點，油束夾角155°和油束夾角160°差別不大。

綜上，油束夾角155°與160°相比，排放顆粒濃度較低，NOx濃度較高。這一結果符合PM與NOx生成存在的此消彼長（Trade-Off）關系。

圖3 不同油束夾角NOx濃度Fig.3 Comparison of emitted NOx

圖4 不同油束夾角燃油消耗率Fig.4 Comparison of specific fuel consumption

2.3 油束夾角對排放影響試驗結果分析

2.3.1 顆粒濃度結果分析

現選取工況1 600 r／min滿負荷為例，觀察其放熱規律變化。如圖5（a）所示，10%～90%累積放熱對比顯示，油束夾角為155°的燃燒持續期略短，為52°CA，油束夾角為160°的為53.5°CA。如圖5（b）所示，瞬時放熱率顯示，油束夾角為155°的放熱率在上止點后8～16°CA時較高，在上止點后20～50°CA時較低，顯示了先快后慢的燃燒方式。

圖5 不同油束夾角1 600 r／min滿負荷放熱規律Fig.5 Comparison of heat release variation

因此油束夾角為155°時，能在上止點附近以較短的時間充分燃燒，說明缸內油氣混合迅速、均勻，顆粒物生成量較低。另一方面，燃燒前期的時間相對縮短，燃燒后期顆粒物的氧化時間相對增加。觀察全部測試工況的排溫變化，如圖6所示，2種油束夾角排溫差別不大，可以認為燃燒后期碳煙顆粒的氧化能力基本相同。

圖6 不同油束夾角排氣溫度Fig.6 Comparison of exhaust temperature

綜上，燃燒前期油氣混合迅速，產生的顆粒濃度較低，在后期氧化能力基本相同的條件下，后期氧化時間相對增加。這是造成油束夾角為155°的油束顆粒排放較少的主要原因。

2.3.2 NOx濃度結果分析

NOx生成主要與缸內最高燃燒溫度、氧氣濃度有關。圖7為不同油束夾角的最高燃燒壓力變化。最高燃燒壓力高，燃燒溫度也高。從圖7中發現，在全部測試工況點上，油束夾角155°的缸內最高燃燒壓力都較高，與圖5（b）瞬時放熱率特點相符。油束夾角155°的油束前期燃燒充分，缸內溫度較高，會導致NOx生成偏高。

圖7 不同油束夾角最高燃燒壓力Fig.7 Comparison of maximum combustion pressure

3 油束夾角對排放影響仿真分析

通過實驗數據揭示了造成排放結果的原因。但是，缸內燃燒過程的情況并不清楚。通過仿真模擬，可以進一步補充和解釋試驗數據結果。仿真計算使用CFD軟件AVL FIRE 2009，湍流模型采用k-ε模型，破碎模型和燃燒模型分別為Wave模型和Eddy Breakup model，排放模型中soot生成模型采用Kinetic Model，NOx生成采用Extended Zeldovich模型。所有計算網格全部為六面體網格，網格尺寸約為1 mm，下止點時總網格數量為26 235個。計算分析前，通過單缸機試驗數據對模型進行了充分的校核和驗證。

3.1 顆粒濃度仿真分析

依照試驗確定仿真相關參數，上止點前9°CA噴油，噴油持續期30°CA。雙卷流燃燒室在油束接觸弧脊前為空間燃燒，仿真結果發現大致在上止點后8°CA左右油束開始與弧脊作用，燃燒室產生卷流效果。這與圖5（b）中，在上止點后8°CA前，瞬時放熱率一致，而后，2種油束夾角的瞬時放熱率差值開始變大的趨勢相吻合。

為了觀察燃燒后期顆粒濃度的分布情況，圖8和圖9給出了上止點后30°CA時2種不同油束夾角的未燃燃空比和顆粒濃度分布云圖。

圖8 不同油束夾角未燃燃空比Fig.8 Comparison of combustion unburned equivalence ratio

圖9 不同油束夾角碳煙顆粒濃度分布Fig.9 Comparison of emission soot mass fraction

從圖8（a）與（b）的比較中明顯看出，2種油束夾角的燃燒室內室燃燒已經基本結束。在外室燃燒中，油束夾角為155°時，油束仍然在利用卷流作用將未燃燃料卷帶起來，而油束夾角為160°時，由于夾角偏大，使得一部分燃料直接進入空間相對狹小的頂隙區域，與空氣不能很好地混合。因此，圖8（a）中未燃燃料已明顯少于圖8（b）中的未燃燃料。這也可以解釋圖5（b）中在燃燒后期（上止點后大約20～50°CA），由于剩余燃料較少，油束夾角為155°的瞬時放熱率低于油束夾角160°的現象。

從圖9（a）中可以看出，由于油束夾角155°的混合均勻性好，碳煙顆粒的生成少，后期氧化效果較好，因而碳煙顆粒分布較少。而對于油束夾角為160°時，大量碳煙集中于頂隙區域，如圖9（b）所示。

3.2 NOx濃度仿真分析

由圖5（b）瞬時放熱率上看，15°CA左右時為最大瞬時放熱段，瞬時放熱率越高，缸內溫度就會越高，高溫區越大。因此，截取上止點后15°CA時的溫度云圖（如圖10）和NOx濃度云圖（如圖11），進行NOx生成機理的分析。

從圖10溫度場分布可以看出，弧脊把油束分為2個卷流進行燃燒，在燃燒火焰面附近形成高溫區。為方便描述，將高溫區劃分為A、B、C 3個區域。外室卷流燃燒和空間燃燒疊加形成高溫區A，擠流區燃燒形成高溫區B，內室卷流燃燒，形成高溫區C。對于2種油束夾角，都形成了B、C 2個高溫區。160°油束夾角的外室卷流燃燒效果不明顯，因而A區的溫度較低，如圖10（b）所示。而155°油束夾角的外室卷流燃燒效果較好，因此在A區也形成了一個較高溫度區域，如圖10（a）所示。

圖10 不同油束夾角溫度場分布Fig.10 Comparison of flow temperature

從圖11所示的NOx濃度場分布可以看出，高濃度NOx分布區與圖10所示的高溫區分布是一致的。選用油束夾角155°時，在A、B、C 3個區域形成高濃度NOx，如圖11（a）所示，而油束夾角為160°時，只在B、C區域形成高濃度NOx，如圖11（b）所示。

綜上，油束夾角為155°時，卷流效果好，高溫區分布大，NOx生成總量較大。

圖11 不同油束夾角NOx濃度場分布Fig.11 Comparison of emission NOxmass fraction

4 結論

通過以上論述可知，油束夾角與燃燒室的匹配不同，燃燒情況就會產生差異，從而對排放結果造成很大影響。具體而言，有以下結論：

1）油束夾角為155°時由于充分發揮雙卷流燃燒室的卷流作用，使碳煙顆粒濃度比油束夾角為160°時下降了0.02～0.27 mg／m3。

2）油束夾角為155°時由于燃燒過程產生的高溫區域大，使NOx濃度比油束夾角為160°的高14× 10-6～70×10-6。

3）通過仿真，解釋了2種油束夾角下顆粒和NOx生成規律的機理，補充了試驗結果，為今后油束夾角匹配和燃燒室改進設計提供參考和依據。

對于DS96雙卷流燃燒室采用油束夾角為155°時，可在缸內有效降低顆粒濃度，若采用缸外處理NOx，可以達到國4排放標準。

［1］李曉波，史鏡海.柴油機高壓共軌式燃油噴射系統的仿真研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2008，29（5）：465-468.

LI Xiaobo，SHI Jinghai.Simulating the high pressure common rail fuel injection system of diesel engines［J］.Journal of Harbin Engineering University，2008，29（5）：465-468.

［2］王征，楊建國，方文超.低速高壓共軌柴油機噴油規律計算［J］.哈爾濱工程大學學報，2011，30（11）：1468-1473.

WANG Zheng，YANG Jianguo，FANG Wenchao.A calculation method of the fuel injection law for a low-speed high pressure common rail（HPCR）diesel engine［J］.Journal of Harbin Engineering University，2008，30（11）：1468-1473.

［3］YOON S H，CHA J P，LEE C S.An investigation of the effects of spray angle and injection strategy on dimethyl ether（DME）combustion and exhaust emissions characteristics in a common-rail diesel engine［J］.Fuel Processing Technology，2010，91（11）：1364-1372.

［4］PAN K M，NG H K，GAN S.Investigation of fuel injection pattern on soot formation and oxidation processes in a lightduty diesel engine using integrated CFD-reduced chemistry［J］.Fuel，2012，96（1）：404-418.

［5］ISAMIL H M，NG H K，GAN S.Evaluation of nonpremixed combustion and fuel spray models for in-cylinder diesel engine simulation［J］.Applied Energy，2012，90（1）：271-279.

［6］LI X R，SUN Z Y，DU W，etal.Research and development of double swirlcombustion system for a DI diesel engine［J］.Combustion Science and Technology，2010，182（8）：1029-1049.

［7］SHANG Y，LIU F S，LI X R.Forced swirl combustion chamber in diesel engine：numerical simulation and experimental research［J］.Environmental Engineering and Management Journal，2011，10（7）：925-930.

［8］郭鵬江，高希彥，于鋒，等.空間分散式雙壁面射流燃燒系統燃燒與排放特性的試驗研究［J］.內燃機工程，2011，32（5）：23-30.

GUO Pengjiang，GAO Xiyan，YU Feng，etal.Experimental investigation on combustion and emission characteristics of space-dispersed double wall jet combustion system［J］.Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2011，32（5）：23-30.

［9］SU W H，LIN T J，PEI Y Q.A compound technology for HCCI combustion in a DI diesel engine based on the multipulse injection and the BUMP combustion chamber［J］.SAE paper，doi：10.4271／2003-01-0741.

［10］李向榮，杜巍，范委修，等.雙卷流燃燒系統應用研究新進展［J］.內燃機學報，2008，26（2）：153-160.

LI Xiangrong，DU Wei，FAN Weixiu，et al.Research progress of double swirl combustion system［J］.Transactions of CSICE，2008，26（2）：153-160.

Effects of spray angle on the emissions characteristics of diesel engine matched with double swirl combustion system

GAO Haobu1，LI Xiangrong1，GENG Wenyao2，ZHAO Luming1，LIU Wenpeng1，LIU Fushui1
（1.School of Machine and Vehicle，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.Hebei Huabei Diesel Engine Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050081，China）

For the purpose of optimizing the emission characteristics of a double swirl combustion chamber with a throat size of 96 mm，tests were carried out for selecting a proper spray angle.The spay angles of 155°and 160° were applied for testing an oil sprayer.The data from the tests of the general performance and partial load property showed that，when the spay angle is 155°，the concentration of the particle is lower than that at 160°by 0.02～0.27 mg／m3，and the NOxconcentration is higher by 14×10-6～70×10-6（10-6ofthe ratio between NOxand the totalemitted gas）.The emission results were explained by the experimental data and the formation mechanism of the above emission characteristics was explained by the simulation analysis.The research shows that the emission of the particle may be effectively reduced by the application of a spray angle of155°；in addition，if NOxis processed outside of the cylinder，the CHN4 emission level may be realized.

diesel engine；double swirl combustion system；spray angle；emission characteristics；particle concentration；NOxconcentration

10.3969／j.issn.1006-7043.201301002

TK412.2

A

1006-7043（2014）02-0216-06

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.4271／10.3969／j.issn.1006-7043.201301002.html

2013-01-03.網絡出版時間：2014-1-2 14：57：13.

高浩卜（1988），男，博士研究生；

李向榮（1967），男，教授，博士生導師.

李向榮，E-mail：lixr＠bit.edu.cn