柴油機側卷流和ω燃燒系統性能試驗與仿真

陳金昊，李向榮，魏福華，陳彥林，劉 棟，常 江

(1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081；2.陸裝北京地區第一軍代室，北京 100072)

0 概述

隨著環境與能源問題日漸嚴峻，當今世界對發動機性能的要求日漸嚴格。柴油機以其良好的動力性和排放性受到重視，有關柴油機的改進研究不斷進行[1]。ω燃燒系統從淺坑形燃燒系統演變而來，相比于球形燃燒系統和淺坑形燃燒系統，ω燃燒系統更加強調利用氣體流動來促進缸內油氣的混合與燃燒，綜合效果更好[2]。科研人員深入地研究了ω燃燒系統內部獨特的流場、燃油與輻射等分布特征[3-5]，各結構參數對燃燒室內燃燒過程[6-8]及動力性、排放性等整體性能的影響[9-11]等等，都說明了ω燃燒系統具有很充足的設計空間，能夠廣泛地滿足各種工況要求。

為了進一步改善缸內的燃燒效果，北京理工大學提出了側卷流燃燒系統(lateral-swirl combustion system，LSCS)。側卷流燃燒系統能顯著減弱壁面附近的燃油堆積現象，提高缸內周向空氣利用率[12]。已有的研究[13-14]表明，側卷流燃燒系統可明顯降低燃油消耗和碳煙排放。目前，對側卷流和ω燃燒系統的對比研究[12-15]主要集中在定容裝置中進行噴霧及著火特性的試驗對比，缺乏實際內燃機工況下缸內的燃燒性能研究；或者利用仿真計算對側卷流和ω燃燒系統進行缸內流動和燃燒特性的對比分析，缺乏試驗數據支撐。本研究中在單缸機試驗臺上完成了側卷流和ω燃燒系統在多種內燃機實際工況下的試驗，得到了兩種燃燒系統缸內的燃燒特性，并對比分析了二者在內燃機實際工況下的燃燒及排放性能，為仿真提供了數據支撐；利用仿真計算的研究方法揭示了側卷流燃燒系統的工作機理，用試驗與仿真相結合的方式研究了側卷流燃燒系統的性能，總結了其工作過程。

1 燃燒系統

ω燃燒系統油束與燃燒室的匹配如圖1所示，其主要對沿噴油軌跡的燃燒室徑向方向上的空氣進行利用，如圖1中的A區域。如果沒有一定強度的進氣渦流，在燃燒室空間中占比較大的B區域中的空氣則無法得到有效利用，而進氣渦流的引入又將導致進氣流動損失，進而導致進氣量的減小。因此ω燃燒系統一般對缸內周向空氣利用不足。此外，近些年柴油機燃油噴射系統的噴射壓力不斷升高，在一定程度上改善了缸內燃油霧化及其與空氣的混合效果，但隨著噴油壓力的升高，燃燒室內的噴霧碰壁現象不可避免地出現，會造成燃料在燃燒室壁面附近堆積，堆積的燃油無法與周圍空氣有效混合，從而造成燃燒過程不充分，使動力性和經濟性變差。

圖1 ω燃燒系統油束與燃燒室的匹配示意圖

側卷流燃燒系統油束與燃燒室的匹配如圖2所示。在正對噴油方向的燃燒室壁面上設置分流造型，燃油接觸分流造型后在分流造型的導流作用下流向兩側的圓弧形壁面，促使兩股強烈的側向卷流在分流造型兩側的圓弧形壁面內形成，以此減少燃油在壁面堆積并在周向促進油氣混合，從而提高缸內周向的空氣利用率，進而改善燃燒及排放，提高柴油機的動力性和排放性。

圖2 側卷流燃燒系統油束與燃燒室的匹配示意圖

2 研究方法

2.1 試驗設備

針對燃燒及排放性能，試驗對比研究了側卷流和ω燃燒系統。試驗在直徑132 mm的單缸發動機(1132Z型單缸柴油機臺架)上進行，單缸機的主要參數如表1所示，其中壓縮比13.5是單缸機試驗統一的壓縮比。采用VHN-16/8空氣壓縮機提供增壓環境；發動機與進氣加熱器AEH100相連接以加熱進氣并建立恒溫環境；采用BOSCH電控單體泵向發動機供油；單缸機臺架的瞬時油耗儀響應時間小于0.1 s，準確度為滿量程的0.12%；采用KISTLER 6052型缸壓傳感器測量缸壓。發動機與燃燒分析儀箱連接，收集和分析試驗數據。在排放數據的測量中，采用AVL 415S煙度計測量廢氣中的煙塵水平，其準確度為0.001 FSN；采用HORIBA MEXA-720 NOx分析儀，測量誤差為±30×10-6(≤1 000×10-6)和±3%(>1 000×10-6)。

表1 單缸機主要參數

試驗過程中，側卷流和ω燃燒系統的幾何參數如圖3所示，結構尺寸均通過優化取得，并控制壓縮比均為13.5。在兩種燃燒系統中噴油器均中置，噴孔直徑均為0.27 mm，噴孔數量均為8。圖4為活塞實物圖。

圖3 兩種燃燒系統的主要尺寸示意

圖4 側卷流活塞和ω活塞實物圖

試驗對比研究了側卷流和ω燃燒系統在不同轉速、負荷和過量空氣系數等多種實際工況下的燃燒及排放特性。試驗設置的具體試驗工況如表2所示，其中變負荷工況下72 kW、54 kW、36 kW和 23 kW 分別對應著平均有效壓力2.40 MPa、1.80 MPa、1.20 MPa和0.77 MPa。通過調節進氣溫度和進氣壓力控制進氣量，調節噴油脈寬控制噴油量。每個工況下均在發動機工作穩定后測量其油耗、排放及缸壓等數據。

表2 試驗工況

2.2 仿真模型

為詳細研究側卷流燃燒系統缸內的工作過程，利用仿真軟件AVL FIRE對側卷流和ω燃燒系統進行仿真分析。根據單缸機參數建立仿真模型，使模型參數與單缸機參數保持一致。

圖5為兩種燃燒系統模型的網格。為了簡化計算過程，只考慮從進氣門關閉(-123°)到排氣門開啟(118°)這一時間段的缸內流動與燃燒情況。由于噴油器中置且在其周向均勻布置8個噴孔，而且兩種燃燒系統均呈周向對稱，故建立1/8燃燒室模型作為計算對象即可滿足要求。模型全部采用六面體網格，主要網格尺寸為1 mm左右。

圖5 側卷流燃燒系統和ω燃燒系統模型網格圖

仿真過程選擇k-zeta-f、Wave破碎和相關火焰模型(coherent flame model, CFM)分別作為湍流、噴霧和燃燒模型。如圖6所示為缸壓和瞬時放熱率的驗證結果。由圖可知，該模型的仿真結果較好地模擬了缸壓和瞬時放熱率的試驗結果，模型可用于研究缸內的燃燒過程。

3 試驗結果

3.1 轉速對兩種燃燒系統性能的影響

不同轉速下兩種燃燒系統燃油消耗率和排放結果的對比如圖7所示，試驗分別在1 300 r/min、1 500 r/min、1 800 r/min和2 100 r/min轉速工況下進行。由圖可知側卷流燃燒系統的燃油消耗率比ω燃燒系統降低了5.82 g/(kW·h)～7.22 g/(kW·h)，這意味著節省了2.85%～3.83%的燃油。排放方面，側卷流較好的油氣混合效果使得碳煙排放降低了 1.37 FSN～1.64 FSN，下降了65.04%～67.50%，效果明顯；但側卷流燃燒系統的NOx排放比ω系統高，整體變化趨勢與碳煙排放呈現此消彼長關系，實際應用時可通過后處理降低NOx排放量。

圖7 不同轉速下兩種燃燒系統燃油消耗率和排放結果

為了進一步分析缸內燃燒過程，對比研究了側卷流和ω燃燒系統在1 800 r/min轉速工況下的缸內燃燒過程分析結果，圖8給出了兩種燃燒系統的缸壓、瞬時放熱率和缸內平均溫度的對比。由圖8可知側卷流燃燒系統幾乎在缸內燃燒的整個過程中都比ω燃燒系統有更大的缸壓、瞬時放熱率和缸內平均溫度，其中缸壓和瞬時放熱率的區別在0°～20°過程中尤其明顯，而此過程可能與側卷流燃燒系統中油束接觸分流造型有關。

圖8 1 800 r/min下兩種燃燒系統缸內燃燒過程分析

3.2 負荷對兩種燃燒系統性能的影響

不同負荷下兩種燃燒系統燃油消耗率和排放結果的對比如圖9所示。試驗在轉速1 800 r/min條件下進行，功率分別在23 kW、36 kW、54 kW和 72 kW，即平均有效壓力在0.77 MPa、1.20 MPa、1.80 MPa和2.40 MPa之間變化。結果表明：隨著發動機平均有效壓力從0.77 MPa增大到2.40 MPa，側卷流燃燒系統的燃油消耗率比ω燃燒系統降低了1.84 g/(kW·h)～5.98 g/(kW·h)，其中平均有效壓力0.77 MPa工況下下降幅度最大，下降了2.79%。排放方面，側卷流燃燒系統的碳煙排放量只有 0.44 FSN～1.52 FSN，僅占到ω燃燒系統碳煙排放量的17.79%～40.40%。由表2數據可知，負荷越大，噴油量越大，則電控單體泵的噴油壓力越大，霧化越好，碳煙排放越低。

圖9 不同平均有效壓力下兩種燃燒系統燃油消耗率和排放結果

如圖10所示為側卷流和ω燃燒系統在平均有效壓力2.40 MPa工況下缸內燃燒過程分析結果。由圖10可知，側卷流燃燒系統幾乎在缸內燃燒的整個過程中都比ω燃燒系統具有更好的燃燒效果，尤其是側卷流燃燒系統始終具有更高的缸內平均溫度，這意味著側卷流燃燒系統缸內分流造型能有效地加速油氣混合，加快燃燒速度，從而顯示出更高的缸內平均溫度。這種燃燒特性可以使側卷流燃燒系統獲得更低的燃油消耗率和碳煙排放，但也會增加NOx的排放。

圖10 平均有效壓力2.4 MPa下兩種燃燒系統缸內燃燒過程

3.3 過量空氣系數對兩種燃燒系統性能的影響

不同過量空氣系數下兩種燃燒系統燃油消耗率和排放結果的對比如圖11所示。試驗在轉速 1 800 r/min 條件下進行，過量空氣系數分別在1.2、1.4、1.6和1.8之間變化。由圖11可知，隨著過量空氣系數從1.2增大到1.8，燃油消耗率呈現出大幅減小的趨勢。側卷流燃燒系統的燃油消耗率比ω燃燒系統降低了2.76 g/(kW·h)～6.36 g/(kW·h)，過量空氣系數為1.2時下降幅度最大，下降了2.82%,而過量空氣系數為1.8時下降幅度最小，為1.40%，呈現出隨著過量空氣系數的減小，兩者的燃油消耗率差距增大的現象。這表明空氣量不足時，側卷流的作用顯現得更充分。側卷流燃燒系統的碳煙排放量相比于ω燃燒系統降低了1.17 FSN～2.00 FSN，其中過量空氣系數為1.8時下降幅度最大，為71.03%。

圖11 不同過量空氣系數下兩種燃燒系統燃油消耗率和排放

圖12為側卷流和ω燃燒系統在過量空氣系數為1.2時的缸內燃燒過程分析結果對比。由圖12可知，相比于ω燃燒系統，側卷流燃燒系統的瞬時放熱率在10° 附近出現了明顯的增長，這意味著可能在這一點附近燃油與壁面接觸，造成兩種燃燒系統缸內混合氣形成過程的不同。側卷流燃燒系統中設置的分流造型有效地促進了燃燒室內的油氣混合過程，進而促進缸內燃燒快速進行，這種快速燃燒的特性改善了燃燒效果和排放性能。

圖12 過量空氣系數1.2下兩種燃燒系統缸內燃燒過程分析

3.4 仿真結果

為了深入研究側卷流燃燒系統促進油氣混合及改善燃燒和排放性能的機理，揭示側卷流和ω燃燒系統在燃燒過程中的聯系和差異，對側卷流和ω燃燒系統在轉速1 800 r/min、平均有效壓力2.40 MPa工況下的缸內當量比和速度分布進行仿真研究。圖13為不同曲軸轉角下兩種燃燒系統中油氣當量比的分布示意圖。在圖13中可以看出，燃油沒有與壁面接觸(4°)時，兩種燃燒系統缸內燃油的分布區域基本相同；然而燃油與壁面接觸(12°)后，燃油的分布情況在兩種燃燒系統內出現了區別。在側卷流燃燒系統中，燃油被導流向分流造型兩側，并開始沿圓弧形壁面形成側向卷流；而此時在ω燃燒系統中，壁面并未對燃油進行及時的導流，甚至產生了阻礙的作用，使得燃油接觸壁面后難以擴散，出現了燃油在壁面大量堆積的現象，阻礙了混合氣的形成過程。20°時，在側卷流燃燒系統分流造型兩側的圓弧形壁面內，兩束側向卷流已經成型，燃油的分布區域比ω燃燒系統更廣，增加了燃油與空氣的混合面積；而此時ω燃燒系統中燃油依然集中于壁面附近，擴散緩慢。這意味著側卷流燃燒系統比ω燃燒系統更有利于燃油擴散，可以加速油氣混合過程，增強燃燒效果，減少碳煙生成。

圖13 不同曲軸轉角下兩種燃燒系統中油氣當量比分布對比

不同曲軸轉角下兩種燃燒系統中的速度矢量分布如圖14所示。在圖14中可以看出，12°時，ω燃燒系統中燃油在碰壁后出現了滯止區，這意味著燃油在壁面附近出現了堆積現象，燃油的擴散過程受到了阻礙。燃油向壁面兩側的擴散過程在ω燃燒系統中較為緩慢，在側卷流燃燒系統中更快速，側卷流燃燒系統中的燃油更快地分布到了沿著壁面更遠的地方，這也是圖13中側卷流燃燒系統缸內燃油分布區域比ω燃燒系統更廣的原因之一，意味著側卷流燃燒系統具有更好的燃油擴散效果。16°至20°曲軸轉角過程中，側卷流燃燒系統缸內，兩個非常明顯的側向卷流在分流造型兩側的圓弧形壁面內逐漸成型；而在ω燃燒系統缸內，雖然燃油碰壁后也形成了兩個側向碰壁射流，但無論是流動速度還是分布面積都不及側卷流燃燒系統。側卷流燃燒系統中分流造型的設置使燃油在壁面堆積的問題得到了有效的改善，燃燒室周向空氣利用率增強，有利于油氣混合與燃燒，可減少碳煙生成。

4 結論

(1)試驗結果表明，相比ω燃燒系統，采用側卷流燃燒系統可有效降低燃油消耗率和碳煙排放，燃油消耗率和碳煙排放的最大降幅分別為3.83%和82.21%。

(2)試驗結果表明，側卷流燃燒系統的缸壓、瞬時放熱率和缸內平均溫度均高于ω燃燒系統。

(3)仿真結果表明，側卷流燃燒系統的分流造型起到了導流的作用，促使燃油及時擴散，避免了燃油在壁面的堆積，從而有利于充分利用周向空氣，可改善燃燒及排放性能。