雙層分流燃燒室與噴射參數匹配的試驗研究*

齊鯤鵬,隆武強

(1.大連交通大學交通運輸工程學院，大連 116028； 2.大連理工大學能源與動力學院，大連 116023)

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2015089

雙層分流燃燒室與噴射參數匹配的試驗研究*

齊鯤鵬1,隆武強2

(1.大連交通大學交通運輸工程學院，大連 116028； 2.大連理工大學能源與動力學院，大連 116023)

為進一步改善采用雙層分流燃燒室的直噴式柴油機的燃燒性能，在單缸柴油機臺架上對不同噴油壓力、噴油提前角和噴嘴伸出長度等噴射參數與雙層分流燃燒室的匹配進行了試驗研究。結果表明，通過噴射參數與雙層分流燃燒室的合理匹配可有效地改善柴油機的燃油經濟性和排放性能。

直噴式柴油機；雙層分流燃燒室；噴射參數；數值模擬

前言

在直噴式柴油機的工作過程中，柴油機的燃燒過程和排放性能取決于燃燒室內燃油噴霧的分布特性和混合氣的均勻性。研究表明，噴油系統、進氣渦流和燃燒室形狀是影響柴油機缸內混合氣形成的3個主要因素[1]。其中，燃燒室形狀對柴油機混合氣的形成和缸內的燃燒過程有重大影響[2-8]。

文獻[9]中的研究表明，燃燒室形狀對缸內混合氣流動、溫度場和廢氣排放有重要的作用，不同的燃燒室形狀可以有效地改變氣缸內混合氣的流動特性，從而影響混合氣的形成和柴油機的燃燒與排放性能。文獻[10]中的研究表明，柴油機燃燒室形狀與柴油機工作條件的優化匹配可有效地改善柴油機的燃油消耗率，降幅可達35%。文獻[11]中對比了不同口徑和型式的柴油機燃燒室，結果表明，縮口型燃燒室的燃油蒸發速度、混合氣的混合速度和燃燒速度比圓口型燃燒室的快。文獻[12]中的研究表明，燃燒室幾何結構對缸內的流場、噴霧和燃燒特性都有較大影響，縮口燃燒室的缸內流場強度要大于直口燃燒室，因而縮口燃燒室內混合氣均勻性和柴油機的燃燒過程優于直口燃燒室。文獻[13]中的研究表明，燃燒室幾何形狀與噴油器的匹配對直噴式CNG發動機的缸內流場和混合氣有重要的作用，在燃燒室設計時應充分考慮燃油碰撞機理對燃油噴霧分布的影響。文獻[14]中的研究表明，直噴式柴油機上配置合適形狀的燃燒室，并與適當的噴油時刻相結合，可獲得較高的柴油機性能和較低的有害排放。文獻[15]中的研究表明，徑深比不同的燃燒室對缸內混合氣的形成與燃燒和柴油機的廢氣排放有重要的影響，合適徑深比的燃燒室，配以適當的噴油過程，可改善柴油機的燃燒過程。

為了改善柴油機燃燒室內燃油噴霧空間分布和混合氣的均勻程度，文獻[16]中基于噴霧撞壁導向和燃油空間霧化的原理，提出了一種新的直噴式柴油機雙層分流燃燒系統，可在燃燒室內實現雙層分流和二次霧化，從而形成了相對均勻的混合氣，提高了柴油機的燃燒性能。為進一步改善直噴式柴油機雙層分流燃燒的性能，文中通過試驗對噴油壓力、噴油提前角和噴嘴伸出長度等噴射參數與雙層分流燃燒室的匹配進行了研究。

1 試驗方案和儀器設備

本研究在一臺單缸、水冷、自然吸氣、四氣門135柴油機上進行，柴油機基本參數如表1所示。為了更好地對比不同噴射參數與雙層分流燃燒室的匹配關系，將柴油機由機械泵供油改裝為高壓共軌電控噴油系統供油(考慮到柴油機穩定工作的因素，噴油壓力最大取110MPa)。柴油機試驗方案如表2

表1 柴油機基本參數

表2 柴油機試驗方案

所示。柴油機試驗測試儀器設備如表3所示。

表3 柴油機試驗儀器設備

2 試驗結果與討論

2.1 噴油壓力對柴油機性能的影響

圖1示出在額定轉速和不同負荷下噴油壓力對柴油機各項性能的影響。從圖1(a)可以看出，在額定轉速、100%負荷時，隨著噴油壓力的提高，缸內壓力隨之升高。從圖1(b)中可以看出，在額定轉速、高負荷時，隨著噴油壓力的提高，有效燃油消耗率略有減小。而在額定轉速、低負荷時，隨著噴油壓力的提高，有效燃油消耗率有所增加。從圖1(c)和圖1(d)可以看出，在額定轉速、不同負荷時，隨著噴油壓力的提高，氮氧化物排放隨之增大，而碳煙排放隨之減小。這主要是因為隨著噴油壓力的提高，缸內燃燒壓力升高，這使缸內的燃燒溫度也隨之升高，而且高溫燃燒持續時間也會加長，導致氮氧化物排放增大。而隨著噴油壓力的提高，混合氣的均勻度提高，燃燒過程得到改善，導致擴散燃燒的速度加快，所以碳煙排放減小。

2.2 噴油提前角對柴油機性能的影響

圖2示出在額定轉速和不同負荷下噴油提前角對柴油機各項性能的影響。從圖2(a)看出，在額定轉速、90%負荷時，隨著噴油提前角的增加，缸內壓力隨之升高。同時，從圖2(b)中看出，在額定轉速、部分負荷時，噴油提前角為9°CA BTDC時有效燃油消耗率稍低，但總的來說，噴油提前角對有效燃油消耗率影響不大。從圖2(c)看出，在額定轉速、部分負荷時，隨著噴油提前角的增加，氮氧化物排放隨之增大。這主要是因為隨著噴油提前角的增加，缸內燃燒壓力升高，這使缸內的燃燒溫度也隨之升高，而且高溫燃燒持續時間也會加長，這樣導致氮氧化物排放增大。從圖2(d)看出，在額定轉速、3種不同負荷時都呈現隨著噴油提前角的增加，碳煙排放先下降再升高的規律，約在9°CA BTDC時達到最小，但總的來說，沒有顯著變化。

圖3示出不同噴油提前角時雙層分流燃燒室的燃燒效果。為使試驗結果確實反映不同噴油提前角的影響，每一種噴油提前角下都運轉足夠長的時間(約一天)，且在每個工況點的試驗前，用砂紙清除活塞表面的積碳，以消除先前工況的影響。

從圖中可以看出，與其它噴油提前角相比，噴油提前角為9°CA BTDC時，雙層分流燃燒室的碰撞臺處沒有形成明顯的積碳，燃油噴霧在與圓形導向面發生碰撞后，在燃燒室上、下兩層中與空氣混合比較充分，燃燒效果較好，這表明該噴油提前角下燃油噴霧與雙層分流燃燒室的碰撞角度最佳。

2.3 噴嘴伸出長度對柴油機各項性能的影響

圖4示出在額定轉速和不同負荷時噴嘴伸出長度對柴油機各項性能的影響。從圖4(a)可以看出，在額定轉速、100%負荷時，隨著噴嘴伸出長度的增大，缸內壓力隨之降低。從圖4(b)中可以看出，在額定轉速、高負荷時，有效燃油消耗率變化不大；低負荷時，隨著噴嘴伸出長度的增大，有效燃油消耗率略有增加。這可能是隨著噴嘴伸出長度的增大，燃油噴霧與雙層分流燃燒室碰撞臺的碰撞效果變差，燃油空氣混合物的均勻性降低，導致柴油機的燃燒過程變得不好，所以缸內壓力降低，有效燃油消耗率增加。從圖4(c)和圖4(d)可以看出，在額定轉速、不同負荷時，隨著噴嘴伸出長度的增大，氮氧化物排放隨之減小，而碳煙排放隨之增大，原因同上。因此，對于雙層分流燃燒室應注意噴嘴伸出長度與碰撞臺位置的合理匹配。

從試驗結果可以看出，通過雙層分流燃燒室與噴油壓力、噴油提前角和噴嘴伸出長度等噴射參數的合理匹配，可以有效地改善混合氣的均勻性，提高柴油機的經濟性和排放性能。

3 結論

(1) 通過雙層分流燃燒室圓形導向碰撞臺的分流和二次霧化，能夠擴大燃油噴霧在燃燒室內的空間分布，在燃燒室內形成較均勻的混合氣。

(2) 高的噴油壓力、適當的噴油提前角和噴嘴伸出長度及與雙層分流燃燒室的合理匹配，可以改善柴油機的燃燒過程，提高直噴式柴油機的綜合性能。

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An Experimental Study on the Matching Between Fuel Injection Parametersand Spray-bifurcation Combustion Chamber

Qi Kunpeng1& Long Wuqiang2

1.SchoolofTrafficandTransportEngineering,DalianJiaotongUniversity,Dalian116028;2.SchoolofEnergyandPowerEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116023

In order to further improve the combustion performance of direct injection diesel engine with spray-bifurcation combustion chamber, an experimental study is conducted on the matching between injection parameters (the pressures and advanced angles of fuel injection and nozzle tip protrusions etc.) and spray-bifurcation combustion chamber. The results show that proper matching between injection parameters and spray-bifurcation combustion chamber can effectively improve the fuel economy and emission performance of diesel engine.

DI diesel engine; spray-bifurcation combustion chamber; fuel injection parameters; numerical simulation

*國家自然科學基金(51076024)資助。

原稿收到日期為2013年7月15日，修改稿收到日期為2014年9月24日。