直噴柴油機低壓縮比雙壁面反射燃燒系統(tǒng)快速燃燒的試驗研究

郭鵬江,高希彥

(大連理工大學內燃機研究所，大連 116024)

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2015112

直噴柴油機低壓縮比雙壁面反射燃燒系統(tǒng)快速燃燒的試驗研究

郭鵬江,高希彥

(大連理工大學內燃機研究所，大連 116024)

本文除在先前對低壓縮比直噴柴油機雙壁面反射燃燒系統(tǒng)試驗研究的基礎上，擴展試驗內容，以進一步驗證該燃燒系統(tǒng)的優(yōu)勢和良好效果之外，著重對該燃燒系統(tǒng)的快速燃燒這一特征進行了試驗研究。結果表明：采用該燃燒系統(tǒng)，在全工況范圍內降低了氣缸爆發(fā)壓力和NOx排放，改善了低速油耗率和煙度排放，只是在高速區(qū)指示熱效率降低，油耗率略有增加。通過外特性工況瞬時放熱率在中高速區(qū)呈單峰趨勢和累積放熱率5%～70%對應的曲軸轉角θ5～θ70范圍內與原機有相同的燃燒速率，證實了低幾何壓縮比的雙壁面反射燃燒系統(tǒng)仍具有快速燃燒的特征。

直噴柴油機；雙壁面反射；燃燒系統(tǒng)；瞬時放熱率；壓縮比

前言

柴油機具有高熱效率和很好的耐久性，被廣泛地應用在汽車上作為動力源。但是柴油機排氣中的NOx和PM物質對環(huán)境造成了嚴重的污染，研究人員積極致力于降低柴油機污染物的研究，開發(fā)了許多低排放燃燒系統(tǒng)，如UNIBUS(Uniform Bulky Combustion System)和MK(Modulated Kinetics)燃燒系統(tǒng)[1-3]。作者基于油束壁面引導噴束和分層理論開發(fā)了一種低壓縮比的雙壁面反射(原稱雙壁面射流)式燃燒系統(tǒng)[4]，它采用較低的壓縮比，降低壓縮終了的缸內壓力，使著火點向后推遲，從而降低燃燒最高溫度，降低NOx排放和燃燒噪聲；再采用“雙壁面反射”燃燒技術彌補了降低壓縮比所帶來的不利影響。通過一系列試驗研究，顯示了該燃燒系統(tǒng)的良好效果[5]。本文作為該燃燒系統(tǒng)系列試驗研究的延續(xù)，一方面在文獻[5]的基礎上，擴展試驗項目，以進一步驗證該燃燒系統(tǒng)的優(yōu)勢；另一方面著重通過試驗研究，更深入地闡明該燃燒系統(tǒng)的快速燃燒機理與特征。

1 試驗方法

本文中所采用的試驗設備與裝置、雙壁面反射燃燒系統(tǒng)和6Φ21與5Φ25噴油器詳見文獻[5]。進氣渦流比在本文中保持不變，與原機相同(Ω=1.732)。在試驗中“雙壁面反射”燃燒系統(tǒng)與原機保持相同的靜態(tài)供油提前角，為12°CA BTDC。為了降低供油速率，減少預混合燃燒量，減少NOx排放，使用了直徑為Φ9.5mm的柱塞。

本試驗研究分兩部分進行，第一部分是低壓縮比“雙壁面反射”柴油機性能補充試驗；第二部分是該燃燒系統(tǒng)快速燃燒特征的試驗驗證。

2 試驗結果與分析

2.1 低壓縮比“雙壁面反射”柴油機性能補充試驗

文獻[5]中試驗研究了原機與配置噴油器5Φ25和6Φ21的低壓縮比“雙壁面反射”燃燒系統(tǒng)，主要著重于負荷特性；本文中將主要補充外特性性能的對比，包括燃燒始點、缸壓、缸內燃燒平均溫度、指示熱效率、NOx與碳煙排放和有效油耗率等。

指導思想是瞬時放熱率的控制。通過降低幾何壓縮比，控制柴油機的著火始點；通過“雙壁面反射”技術和噴油系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、油束貫穿度的優(yōu)化與散熱損失等控制燃燒速率和瞬時放熱率峰值。

圖1為原機與“雙壁面反射”柴油機的著火時刻

對比。由圖可見：“雙壁面反射”柴油機外特性工況的著火點(瞬時放熱率由負變正的點為著火點)比原機滯后1°～2°CA，主要是由于“雙壁面反射”燃燒系統(tǒng)降低了幾何壓縮比，壓縮終了時刻的缸內壓力和溫度都降低，導致著火滯后；配置噴油器5Φ25的“雙壁面反射”燃燒系統(tǒng)著火點，比噴油器6Φ21稍晚一些，主要是因為燃油從噴油器噴出后，油束的外層最先達到著火條件，最先開始燃燒，然后通過燃燒室壁面反射的油束達到著火條件才開始燃燒，形成了從燃燒室中部到外圍的有序燃燒方式，而噴油器6Φ21的孔徑較小，霧化程度要好一些，所以著火點早于噴油器5Φ25。

圖2和圖3是原機與“雙壁面反射”柴油機在低速(1 400r·min-1)、中速(2 100r·min-1)和高速(3 000r·min-1)額定轉矩下的示功圖和缸內燃燒平均溫度。由圖2可見：“雙壁面反射”柴油機的缸壓遠遠低于原機的缸壓，但原機與“雙壁面反射”柴油機的壓力升高率相差不大。由圖3可見：在低速時，配置噴油器6Φ21的“雙壁面反射”燃燒系統(tǒng)的缸內燃燒平均溫度高于原機。這主要是由于在低速時原機的噴射壓力較低，氣流運動較弱，以及活塞運動速率較低，不容易形成較強的反擠流，導致于油氣混合能力較差，燃油不能充分的燃燒，降低了燃燒溫度；而采用了“雙壁面反射”的燃燒方式后，在有限的滯燃期內能實現(xiàn)油氣的快速混合，使缸內燃燒溫度增加；但無論低速、中速還是高速，燃燒后期的缸內燃燒平均溫度都高于原機，隨著活塞的下行，燃燒室的容積不斷增加，導致后期燃燒變得緩慢，燃燒持續(xù)期延長，另外撞擊到壁面上的油膜不能立刻汽化蒸發(fā)參與燃燒，也延長了燃燒持續(xù)期，因此，燃燒不能迅速結束，使缸內平均溫度高于原機。

圖4和圖5是原機與“雙壁面反射”燃燒系統(tǒng)外特性的總指示熱效率與性能對比。由圖4可見：在低速時，原機的油氣混合較差，導致指示熱效率較低；在高速時，對于“雙壁面反射”柴油機來說，隨著活塞的下行，燃燒室容積加大，燃燒后期的燃燒速率較低，能量利用率較差，使指示熱效率下降。由圖5可見：由于“雙壁面反射”燃燒系統(tǒng)的幾何壓縮比降低，NOx排放降低，油耗率有所增加；但是配置噴油器6Φ21的“雙壁面反射”改善了柴油機的低速性能，降低了低速煙度和油耗率，配置噴油器6Φ21和5Φ25的“雙壁面反射”燃燒系統(tǒng)的差別主要體現(xiàn)在低速工況上，配置噴油器6Φ21要好一些。

2.2 低壓縮比“雙壁面反射”燃燒系統(tǒng)快速燃燒的

試驗驗證 綜上所述，采用低壓縮比后的“雙壁面反射”燃燒系統(tǒng)，在全工況范圍內降低了氣缸爆發(fā)壓力和NOx排放，改善了低速油耗率和煙度排放，只是在高速區(qū)由于指示熱效率降低，油耗率略有增加。隨著活塞的下行，燃燒室容積的不斷加大，碳煙在燃燒后期不能迅速被氧化，燃燒室壁面油膜來不及吸收足夠的熱量迅速蒸發(fā)，導致煙度增加。雖然降低了幾何壓縮比，但是“雙壁面反射”燃燒系統(tǒng)仍然具有快速燃燒的特性，下面通過累計放熱率和瞬時放熱率來分析。

圖6是外特性工況的“雙壁面反射”柴油機與原機累計放熱率所對應的曲軸轉角位置。燃料著火后瞬時放熱率由負變正，燃燒向外放熱，但是燃料燃燒的同時，缸內的燃油蒸發(fā)要吸熱，當燃燒的放熱大于蒸發(fā)的吸熱時，火焰生長速度大于油束發(fā)展速度，在這個時期發(fā)生急劇的放熱，這時累計放熱率大于零，所以累計放熱率零點所對應的曲軸轉角要晚于瞬時放熱率零點所對應的曲軸轉角。

圖6中θ5、θ10、θ30、θ50、θ70和θ90分別表示累計放熱率為5%、10%、30%、50%、70%和90%時所對應的曲軸轉角。θ5-θ90可視為燃燒持續(xù)期。在各個轉速下，在θ5-θ70階段，“雙壁面反射”燃燒系統(tǒng)幾乎與原機有相同的燃燒速率，都屬于快速燃燒。在θ70-θ90階段，“雙壁面反射”燃燒系統(tǒng)的燃燒速率變慢，

這主要是由于隨著燃燒的持續(xù)進行，活塞下行，雙壁面射流燃燒室容積大于原機的燃燒室容積，所以燃燒溫度較低，降低了燃燒速率。另外，外特性工況噴油量的增多，壁面上的油膜生成量也增多，壁面上的油膜不能吸收足夠的熱量迅速蒸發(fā)，也導致了燃燒后期燃燒速率的降低。油膜的蒸發(fā)速率取決于很多因素，包括氣體溫度、壁溫、氣體流速、氣體壓力和燃油特性等。油粒被加熱達到平衡溫度，并停留在此溫度下直到完全蒸發(fā)為止。對油膜來說，壁溫一般比燃油中很多化合物的平衡溫度都低，而且與霧化油粒相比，油膜表面質量傳遞面積較小，所以油膜的蒸發(fā)速率估計比油粒小，預計這種油膜是最后蒸發(fā)完[6]。

在外特性的低速和中速工況下，對于累計放熱率θ70-θ90階段，噴油器6Φ21所對應的曲軸轉角要大一些，主要是因為對于相同的噴油時刻，噴油器6Φ21的著火始點要提前(圖1)，滯燃期較短；另外在有限的滯燃期內，噴油器6Φ21噴入氣缸內的燃油量少于噴油器5Φ25，預混合燃燒量要少，擴散燃燒量增多，導致于燃燒后期的持續(xù)時間變長。

圖7為低速、中速和高速額定轉矩下的“雙壁面反射”柴油機與原機的瞬時放熱率。由圖可見：在1 400r·min-1、251N·m工況下，原機的瞬時放熱率呈單峰趨勢，而“雙壁面反射”柴油機的瞬時放熱率呈雙峰的趨勢；隨著轉速的增加，在中速與高速額定轉矩工況，原機與“雙壁面反射”柴油機的瞬時放熱率都呈單峰趨勢，這是因為雙壁面反射燃燒系統(tǒng)具有快速混合的特點，使擴散燃燒部分提前，不至于在預混合燃燒結束后再進行擴散燃燒，具有較短的燃燒持續(xù)期，能實現(xiàn)快速燃燒。

2.3 低壓縮比“雙壁面反射”燃燒系統(tǒng)的燃燒穩(wěn)定性

一般燃燒的穩(wěn)定性通過平均指示壓力變動率δcov來衡量，將平均指示壓力變動率的10%作為燃燒不穩(wěn)定邊界。δcov通過下式計算[7]：

(1)

(2)

(3)

式中pimepi為第i循環(huán)的平均指示壓力，利用燃燒分析儀測得。

圖8為配置6Φ21噴油器的雙壁面反射燃燒系統(tǒng)在每個工況下連續(xù)8個工作循環(huán)的缸壓(第21～28個工作循環(huán))，將第1個循環(huán)壓縮終了時刻對應的曲軸轉角作為0°CA，第21～28個循環(huán)則為14 040°～19 800°CA ATDC。

表1為各個工況平均指示壓力變動率的計算結果。由表1可見：在高速小負荷3 000r/min、26N·m工況下平均指示壓力變動率為108.97%，屬于不穩(wěn)定燃燒，其余工況下平均指示壓力變動率都低于10%，燃燒穩(wěn)定。

表1 各個工況點平均指示壓力變動率計算結果

3 結論

(1) 開發(fā)了一種低壓縮比的雙壁面反射燃燒系統(tǒng)，采用較低的幾何壓縮比，降低壓縮終了時刻的爆發(fā)壓力，使著火點向后推遲，從而降低了燃燒最高溫度、NOx排放和燃燒噪聲。采用“雙壁面反射”燃燒技術彌補了降低壓縮比所帶來的不利影響，因為其具有快速燃燒這一特點，縮短了燃燒持續(xù)期，有利于碳煙的氧化，同時不至于使燃燒相位向后推遲而惡化油耗率。

(2) 通過試驗驗證了“雙壁面反射”燃燒系統(tǒng)具有快速燃燒的特性。主要從累積放熱率和瞬時放熱率來論證。對于累計放熱率，在各個轉速下，在θ5-θ70階段，“雙壁面反射”燃燒系統(tǒng)幾乎與原機有相同的燃燒速率，都屬于快速燃燒。對于瞬時放熱率，在中速與高速額定轉矩工況，由于擴散燃燒部分提前，“雙壁面反射”柴油機的瞬時放熱率呈單峰趨勢。

(3) 在各個工況下連續(xù)采集8個工作循環(huán)的缸壓曲線，通過平均指示壓力變動率δcov對燃燒穩(wěn)定性進行評估，只有在高速小負荷3 000r·min-1、26N·m工況下，δcov遠大于10%，燃燒變得不穩(wěn)定，其余工況下燃燒穩(wěn)定。

[1] Kimura S, AoKi O, et al. Utra-clen Combustion Technology Combining a Low-temperative and Premixed Combustion Concept for Meeting Future Emission Standards[C]. SAE Paper 2001-01-0200.

[2] Shuji Kimura, Osamu Aoki, Hiroshi Ogawa, et al. New Combustion Concept for Ultra-Clean and High-Efficiency Small DI Diesel Engines[C]. SAE Paper 1999-01-3681.

[3] Hiromichi Yanagihara, Yasuo Sato, Junichi Mizuta. A Study of DI Diesel Combustion Under Uniform Higher-dispersed Mixture Formation[C]. JSAE Review,1997,18:247-254.

[4] 郭鵬江,高希彥.直噴柴油機“雙壁面射流”燃燒系統(tǒng)的設計與試驗研究[J].車用發(fā)動機,2010,188(3):8-14.

[5] 郭鵬江,高希彥.直噴柴油機雙壁面射流燃燒系統(tǒng)燃燒特性研究[J].大連理工大學學報,2013,53(2):194-199.

[6] 初綸孔.柴油機供油與霧化[M].大連:大連理工大學出版社,1989:106-109.

[7] 堯命發(fā),張波,鄭尊清,等.廢氣再循環(huán)與燃料辛烷值對均質壓燃燃燒特性影響的試驗研究[J].內燃機學報,2005,23(6):503-509.

An Experimental Study on the Rapid Combustion of Low Compression-ratio“Double Wall Reflection”Combustion System for DI Diesel Engine

Guo Pengjiang & Gao Xiyan

InternalCombustionEngineInstitute,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024

In this paper, firstly some supplementary tests are performed based on previous tests on the low compression ratio “double wall reflection” combustion system of direct injection diesel engine for further verifying its advantage and effectiveness. Then the tests on the rapid combustion features of the combustion system are emphatically carried out. The results show that with the proposed combustion system adopted, the explosion pressure and NOxemission reduce in full working range with specific fuel consumption and soot emission improved, except the decline in indicated thermal efficiency and slight rise of specific fuel consumption in high speed region. The instantaneous heat release rate curve shows a single peak trend in external characteristic condition and the combustion velocity in a crankshaft angle range of θ5～θ70corresponding to an accumulated heat release rate of 5%～70% is the same as in original engine. These validate the rapid combustion feature of low compression ratio “double wall reflection” combustion system.

DI diesel engine; double wall reflection; combustion system; instantaneous heat release rate; compression ratio

原稿收到日期為2011年9月29日，修改稿收到日期為2015年5月29日。