TCD燃燒系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放性能改善效果的試驗(yàn)研究

康與寧，李向榮※，薄大偉，陳彥林，劉 棟，常 江

（1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081；2.中國(guó)人民解放軍陸軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表室，北京100072）

0 引 言

柴油機(jī)具有功率密度高和可靠性好的特點(diǎn)，在生產(chǎn)生活中取得廣泛應(yīng)用，開(kāi)展柴油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)研究對(duì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和國(guó)家能源安全具有重要意義[1-4]。隨著現(xiàn)代柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用高噴射壓力燃油供給系統(tǒng)和新型燃燒室改善柴油機(jī)擴(kuò)散燃燒質(zhì)量成為提高柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性、降低污染物排放的重要途徑[5-8]。現(xiàn)代柴油機(jī)供油系統(tǒng)壓力的不斷提升使得噴霧質(zhì)量得到較大改善，但噴油壓力增大不可避免地引發(fā)燃油濕壁問(wèn)題，導(dǎo)致柴油機(jī)燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)、Soot排放量增加，限制了整機(jī)性能的進(jìn)一步提升[9-12]。

為解決上述問(wèn)題，研究者們?cè)O(shè)計(jì)了能夠充分利用高噴射壓力燃油動(dòng)能的導(dǎo)流燃燒系統(tǒng)，借助特殊的燃燒室結(jié)構(gòu)引導(dǎo)觸壁燃油流動(dòng)并形成燃油空間擴(kuò)散，從而提高油氣混合速率。豐田的TRB（Toyota Reflex Burn）燃燒系統(tǒng)設(shè)有燃燒室反射壁，射流燃油的一部分碰撞反射壁形成壁面射流，與另一部分自由射流二次混合，油氣混合質(zhì)量提高，燃油附壁燃燒現(xiàn)象有所減弱[13]；天津大學(xué)的Bump燃燒系統(tǒng)在燃燒室壁面設(shè)有限流沿，燃油撞壁后經(jīng)限流沿形成向燃燒室中心區(qū)域發(fā)展的二次射流，有效降低了壁面燃油堆積面積，燃燒性能有所提升[14-15]；北京理工大學(xué)研制的雙卷流燃燒系統(tǒng)設(shè)有弧脊結(jié)構(gòu)，燃油撞擊弧脊后夾帶空氣向內(nèi)外室 2個(gè)方向卷動(dòng)，空氣利用率和混合燃燒速度均有所提高[16-18]；北京理工大學(xué)研制的側(cè)卷流燃燒系統(tǒng)在缸內(nèi)壁面設(shè)計(jì)了分流造型，燃油經(jīng)分流造型導(dǎo)向兩側(cè)形成卷流運(yùn)動(dòng)，在相鄰分流造型處形成干涉壁射流，顯著提高了柴油機(jī)熱效率[19-22]。

道依茨公司的 TCD2015（T表示渦輪增壓器，Turbocharger，C表示進(jìn)氣中冷，Charge air cooling，D為柴油顆粒捕集器，Diesel particle filter）系列機(jī)型上配備了帶有環(huán)形凸起的導(dǎo)流燃燒系統(tǒng)，稱之為 TCD燃燒系統(tǒng)，其特點(diǎn)為在傳統(tǒng)ω燃燒系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)一淺盤(pán)形凹坑，采用燃燒室壁面環(huán)狀凸起引導(dǎo)燃油壁面發(fā)展。研究表明該系列柴油機(jī)具備良好的動(dòng)力性能，排放滿足歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)[23-25]，目前具備相似燃燒室特征的導(dǎo)流燃燒系統(tǒng)已在多家公司的柴油機(jī)產(chǎn)品上得到良好應(yīng)用，例如福特公司的倒角縮口燃燒系統(tǒng)（Chamfered Re-entrant Combustion System）[26-27]、奔馳公司的階梯凹口燃燒系統(tǒng)（Stepped Recess Combustion System）[28]和豐田公司的錐緣燃燒系統(tǒng)（Taper Lip Combustion System）[29]等，但目前關(guān)于TCD燃燒系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況下的性能研究和缸內(nèi)油氣混合機(jī)理探索工作相對(duì)較少。

為研究 TCD燃燒系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)性能的影響，揭示TCD燃燒系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況下缸內(nèi)油氣混合的機(jī)理，本文采用試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法對(duì)柴油機(jī)TCD燃燒系統(tǒng)的燃燒和排放性能開(kāi)展研究，通過(guò)對(duì)比TCD燃燒系統(tǒng)和傳統(tǒng)ω燃燒系統(tǒng)在不同負(fù)荷和過(guò)量空氣系數(shù)下的性能參數(shù)分析TCD燃燒系統(tǒng)性能，并借助仿真手段探索TCD燃燒系統(tǒng)缸內(nèi)噴霧和燃燒過(guò)程，以期為后續(xù)柴油機(jī)導(dǎo)流燃燒系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與工況

燃燒性能試驗(yàn)在 1132Z單缸柴油機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)架如圖1a所示，臺(tái)架組成如圖1b所示，單缸柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，采用四氣門(mén)直氣道缸蓋。

表1 單缸柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of single-cylinder diesel engine

試驗(yàn)臺(tái)架采用 Bosch電控單體泵供油系統(tǒng)，柱塞直徑12 mm，最高噴油壓力160 MPa；CW160電力測(cè)功機(jī)由凱邁機(jī)電有限公司生產(chǎn)，最大吸收功率160 kW，最高轉(zhuǎn)速4 500 r/min，扭矩測(cè)量精度±0.2%FS；瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為Kistler公司生產(chǎn)的KiBox系統(tǒng)，其中包括進(jìn)/排氣壓力溫度傳感器、缸壓傳感器、針閥升程傳感器等，曲軸轉(zhuǎn)角分辨率為0.1°，轉(zhuǎn)速測(cè)量精度±2 r/min；CMFG010瞬時(shí)油耗儀用于測(cè)定柴油機(jī)瞬態(tài)燃油消耗，測(cè)量精度為0.12 %FS；排放污染物采集儀器為 Horiba MEXA-720 NOx分析儀和AVL 415S煙度計(jì)，NOx在0～1 000 mL/m3范圍內(nèi)測(cè)量精度為±30 mL/m3，在1 000～2 000 mL/m3范圍內(nèi)測(cè)量精度為±3%，Soot測(cè)量精度為±0.2FSN（Filter Smoke Number）。

試驗(yàn)活塞采用TCD燃燒室和傳統(tǒng)ω燃燒室，主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，2種燃燒室采用相同的容積以保證柴油機(jī)壓縮比不變，均采用 8孔噴油器，噴孔直徑為0.27 mm，TCD燃燒室油束夾角為145°，ω燃燒室油束夾角為150°。燃燒室尺寸和油束夾角均經(jīng)過(guò)優(yōu)化。

試驗(yàn)工況為變轉(zhuǎn)速、變負(fù)荷和變過(guò)量空氣系數(shù)φ工況，如表2所示。轉(zhuǎn)速由高到低選取2 100，1 800，1 500和1 300 r/min，過(guò)量空氣系數(shù)選取柴油機(jī)工況常用值1.8，在最優(yōu)噴油提前角下比較燃燒和排放性能，在此基礎(chǔ)上選擇最大扭矩轉(zhuǎn)速1 800 r/min研究變負(fù)荷和過(guò)量空氣系數(shù)下性能變化情況。對(duì)于變負(fù)荷和過(guò)量空氣系數(shù)工況，為了凸顯不同燃燒系統(tǒng)間的性能差異以便于研究和分析，將噴油提前角減小至9°。

<1)，且各件產(chǎn)品是否為不合格品相互獨(dú)立．

表2 試驗(yàn)工況Table 2 Operating conditions

試驗(yàn)通過(guò)控制進(jìn)氣壓力和噴油脈寬控制進(jìn)氣量和燃油量，每個(gè)工況點(diǎn)下待柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)2 min后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，功率、油耗取5次測(cè)量結(jié)果的平均值，缸壓取100個(gè)連續(xù)工作循環(huán)的平均值，NOx和Soot排放量取3次采集結(jié)果的平均值。

為比較不同燃燒系統(tǒng)的燃燒過(guò)程，分析柴油機(jī)燃燒過(guò)程滯燃期、速燃期、主燃期和后燃期4個(gè)階段的特點(diǎn)，以針閥開(kāi)啟時(shí)刻作為滯燃期起點(diǎn)，瞬時(shí)放熱率起點(diǎn)作為速燃期起點(diǎn)，瞬時(shí)放熱率第一個(gè)波谷位置作為主燃期起點(diǎn)，缸內(nèi)平均溫度達(dá)到最高點(diǎn)位置作為后燃期起點(diǎn)，至95%累計(jì)放熱量點(diǎn)作為燃燒終點(diǎn)，由此計(jì)算各燃燒階段燃燒放熱情況[30-32]。

1.2 仿真模型與分析內(nèi)容

為進(jìn)一步探究 TCD燃燒系統(tǒng)改善燃燒和排放的機(jī)理，采用AVL Fire軟件建立柴油機(jī)三維仿真模型，并選取最大扭矩轉(zhuǎn)速1 800 r/min工況進(jìn)行研究，仿真模型選擇從進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻（上止點(diǎn)前123 °CA）至排氣門(mén)打開(kāi)時(shí)刻（上止點(diǎn)后118 °CA）這一時(shí)間段進(jìn)行計(jì)算。選用的燃燒室網(wǎng)格模型如圖3所示，經(jīng)無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)選取整體網(wǎng)格尺寸為1 mm，TCD燃燒室網(wǎng)格總數(shù)為120 690個(gè)，ω燃燒室網(wǎng)格總數(shù)為105 210個(gè)。

仿真子模型選取 k-ζ-f湍流模型，Wave噴霧破碎模型，Dukowicz噴霧蒸發(fā)模型和 ECFM-3Z燃燒模型。為保證噴霧模型和燃燒模型的準(zhǔn)確性，在定容燃燒彈和試驗(yàn)單缸機(jī)上完成了相應(yīng)的噴霧和燃燒測(cè)試工作，通過(guò)對(duì)比噴霧液相貫穿距、噴霧總貫穿距（含氣相）、缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率數(shù)據(jù)完成仿真模型驗(yàn)證。

2 結(jié)果與分析

2.1 仿真結(jié)果與驗(yàn)證

在轉(zhuǎn)速1 800 r/min，72 kW負(fù)荷工況下的模型驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。由圖可知仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果保持較好的一致性，說(shuō)明仿真模型計(jì)算結(jié)果能夠反映柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況。

2.2 轉(zhuǎn)速對(duì)燃燒和排放性能的影響

不同轉(zhuǎn)速下TCD燃燒系統(tǒng)和ω燃燒系統(tǒng)的燃油消耗率和污染物排放量變化如圖5所示。

由圖5可知，隨著轉(zhuǎn)速升高TCD燃燒系統(tǒng)和ω燃燒系統(tǒng)的燃油消耗率先減小后增大，在 4個(gè)轉(zhuǎn)速工況下，TCD燃燒系統(tǒng)燃油消耗率均低于 ω燃燒系統(tǒng)，其中2 100 r/min下TCD燃燒系統(tǒng)燃油消耗率相比ω燃燒系統(tǒng)降幅達(dá)到最大，為 1.84%（3.8 g/kW·h），表明不同轉(zhuǎn)速下TCD燃燒系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性更好，這是因?yàn)門(mén)CD燃燒系統(tǒng)的導(dǎo)流作用能夠加速缸內(nèi)油氣混合，在高轉(zhuǎn)速大油量工況下對(duì)缸內(nèi)油氣混合的改善效果更加明顯，有利于燃油快速充分燃燒進(jìn)而降低燃油消耗率。排放性能上，TCD燃燒系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的Soot排放量相比ω燃燒系統(tǒng)大幅降低，1 300 r/min下TCD燃燒系統(tǒng)Soot排放量相比ω燃燒系統(tǒng)降幅達(dá)到最大，為53.28%（1.213FSN），這是因?yàn)門(mén)CD燃燒系統(tǒng)缸內(nèi)油氣混合質(zhì)量較好，缸內(nèi)不完全燃燒的燃油量較少，限制了Soot的生成。各轉(zhuǎn)速下TCD燃燒系統(tǒng)的 NOx排放量相比 ω燃燒系統(tǒng)均升高，1 500 r/min下TCD燃燒系統(tǒng)相比ω燃燒系統(tǒng)NOx排放量增幅最大，為16.59%（214.7 mL/m3），這是由于缸內(nèi)燃油快速燃燒導(dǎo)致溫度上升促進(jìn)了 NOx的生成，因而需要借助后處理系統(tǒng)減少NOx排放。

2 100 r/min下的TCD燃燒系統(tǒng)和ω燃燒系統(tǒng)的瞬時(shí)放熱率曲線如圖6所示。由圖6可知，TCD燃燒系統(tǒng)和ω燃燒系統(tǒng)的兩階段放熱峰值基本相同，放熱峰值點(diǎn)后的12~52 °CA區(qū)間內(nèi)TCD燃燒系統(tǒng)的瞬時(shí)放熱率均高于ω燃燒系統(tǒng)，最高相差約22.2 J/°CA，而在52 °CA之后TCD燃燒系統(tǒng)瞬時(shí)放熱率低于ω燃燒系統(tǒng)，由放熱率曲線積分可得到2 100 r/min下TCD燃燒系統(tǒng)的后燃期放熱比例為23.2%，相比ω燃燒系統(tǒng)減少3.8%，表明TCD燃燒系統(tǒng)內(nèi)燃燒放熱集中，后燃燃油比例較小，這是由于 TCD燃燒系統(tǒng)在高轉(zhuǎn)速大油量工況下能夠起到良好的導(dǎo)流作用，缸內(nèi)油氣混合速率較快，燃燒持續(xù)期縮短，后燃燃油量少，有利于燃油充分燃燒從而降低Soot排放量和排氣熱量損失，提高柴油機(jī)熱效率。

2.3 負(fù)荷對(duì)燃燒和排放性能的影響

最大扭矩轉(zhuǎn)速1 800r/min不同負(fù)荷下TCD燃燒系統(tǒng)和ω燃燒系統(tǒng)的燃油消耗率和污染物排放量如圖7所示。由圖7可知，隨著負(fù)荷增大TCD燃燒系統(tǒng)和ω燃燒系統(tǒng)的燃油消耗率先減小后增大，在4個(gè)負(fù)荷工況點(diǎn)下TCD燃燒系統(tǒng)的燃油消耗率均低于ω燃燒系統(tǒng)，72 kW工況下TCD燃燒系統(tǒng)相比ω燃燒系統(tǒng)燃油消耗率降幅最大，為3.53%（7.0 g/kW·h），這是因?yàn)榇筘?fù)荷工況下TCD燃燒系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮燃油導(dǎo)流作用，增大燃油擴(kuò)散面積從而促進(jìn)均勻混合氣的形成與燃燒，降低燃油消耗率。排放性能方面，隨著負(fù)荷的增大 NOx排放量逐漸增大而 Soot排放量逐漸減小，不同負(fù)荷下 TCD燃燒系統(tǒng)NOx排放量高于ω燃燒系統(tǒng)同時(shí)Soot排放量明顯低于ω燃燒系統(tǒng)，36 kW工況下 NOx排放量增幅最大，為26.35%（280.7 mL/m3），54 kW工況下Soot排放量降幅最大，為86.67%（2.657 FSN），這是因?yàn)門(mén)CD燃燒系統(tǒng)能夠?qū)⒂|壁燃油引導(dǎo)至遠(yuǎn)離壁面的區(qū)域進(jìn)而提高空氣利用率，緩解壁面燃油堆積帶來(lái)的燃油不完全燃燒問(wèn)題，起到抑制Soot的生成和促進(jìn)Soot高溫氧化的作用，同時(shí)高燃燒速率使缸內(nèi)平均溫度升高促進(jìn)了NOx的生成。

1 800 r/min、72 kW負(fù)荷工況下TCD燃燒系統(tǒng)和ω燃燒系統(tǒng)的瞬時(shí)放熱率曲線如圖8所示。由圖可知TCD燃燒系統(tǒng)的擴(kuò)散燃燒峰值略高于ω燃燒系統(tǒng)，在45 °CA前的放熱率下降段TCD燃燒系統(tǒng)瞬時(shí)放熱率高于ω燃燒系統(tǒng)，最高相差約 22.8 J/°CA，由放熱率曲線可得1 800 r/min、72 kW工況下，TCD燃燒系統(tǒng)后燃期放熱比例為22.5%，相比ω燃燒系統(tǒng)減少2.3%，表明TCD燃燒系統(tǒng)的后燃現(xiàn)象較輕，這是由于TCD燃燒系統(tǒng)相比ω燃燒系統(tǒng)具有更強(qiáng)的燃油導(dǎo)流能力，在高負(fù)荷大油量工況下能夠有效促進(jìn)油氣混合，燃油燃燒更加集中，因而有利于柴油機(jī)熱效率提高和Soot排放降低。

2.4 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)燃燒和排放性能的影響

最大扭矩轉(zhuǎn)速1 800 r/min不同過(guò)量空氣系數(shù)下TCD燃燒系統(tǒng)和ω燃燒系統(tǒng)的燃油消耗率和污染物排放量變化如圖9所示。

由圖9可知隨著過(guò)量空氣系數(shù)增大TCD燃燒系統(tǒng)和ω燃燒系統(tǒng)的燃油消耗率逐漸降低，在不同過(guò)量空氣系數(shù)下TCD燃燒系統(tǒng)對(duì)應(yīng)燃油消耗率均低于ω燃燒系統(tǒng)，過(guò)量空氣系數(shù)為1.2時(shí)TCD燃燒系統(tǒng)燃油消耗率相比ω燃燒系統(tǒng)降幅最大，為7.01%（15.8 g/kW·h），表明TCD燃燒系統(tǒng)在低過(guò)量空氣系數(shù)下經(jīng)濟(jì)性相比 ω燃燒系統(tǒng)更好，這是因?yàn)榈瓦^(guò)量空氣系數(shù)下燃油在TCD燃燒系統(tǒng)的導(dǎo)流作用下與空氣迅速，油氣混合質(zhì)量得到改善。不同過(guò)量空氣系數(shù)下 TCD燃燒系統(tǒng)對(duì)應(yīng) Soot排放量相比 ω燃燒系統(tǒng)均下降，NOx有所上升，過(guò)量空氣系數(shù)為1.6時(shí)TCD燃燒系統(tǒng)內(nèi)Soot排放量相比ω燃燒系統(tǒng)降幅最大，為81.28%（1.385 FSN），過(guò)量空氣系數(shù)為1.4時(shí)TCD燃燒系統(tǒng)內(nèi) NOx排放量相比 ω燃燒系統(tǒng)增幅最大，為43.05%（509.4 mL/m3），這是因?yàn)?TCD燃燒系統(tǒng)能夠引導(dǎo)燃油流動(dòng)和擴(kuò)散，低過(guò)量空氣系數(shù)下的缸內(nèi)濃混合氣區(qū)域減小，緩解了低過(guò)量空氣系數(shù)導(dǎo)致燃油燃燒不完全引發(fā)的熱效率下降和Soot排放問(wèn)題，同時(shí)高溫促進(jìn)了缸內(nèi)NOx的生成。

1 800 r/min、過(guò)量空氣系數(shù)1.2工況下TCD燃燒系統(tǒng)和ω燃燒系統(tǒng)的瞬時(shí)放熱率曲線如圖10所示。由圖10可知，2種燃燒系統(tǒng)的預(yù)混放熱峰值基本相同，在 8～45°CA區(qū)間內(nèi) TCD燃燒系統(tǒng)燃燒放熱率高于 ω燃燒系統(tǒng)，最大相差29.4 J/°CA，表明TCD燃燒系統(tǒng)擴(kuò)散燃燒速率較快，這是由于TCD燃燒系統(tǒng)的導(dǎo)流作用促進(jìn)了缸內(nèi)油氣混合，空氣利用率提高從而使燃油快速燃燒。隨著燃燒過(guò)程進(jìn)行 2種燃燒系統(tǒng)的瞬時(shí)放熱率逐漸下降，且TCD燃燒系統(tǒng)瞬時(shí)放熱率下降速度明顯大于ω燃燒系統(tǒng)，表明TCD燃燒系統(tǒng)燃燒放熱較為集中，由放熱率曲線可得1 800 r/min、過(guò)量空氣系數(shù)為1.2時(shí)TCD燃燒系統(tǒng)后燃期為29.0%，相比ω燃燒系統(tǒng)減小了4.6%，這是由于低過(guò)量空氣系數(shù)下TCD燃燒系統(tǒng)的導(dǎo)流作用能夠有效引導(dǎo)燃油擴(kuò)散加速油氣混合，燃燒持續(xù)期縮短，后燃燃油比例減少，因而具備更好的燃燒和排放性能。

2.5 燃燒系統(tǒng)油氣混合過(guò)程仿真結(jié)果

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，TCD燃燒系統(tǒng)在不同負(fù)荷和過(guò)量空氣系數(shù)下對(duì)燃燒和排放性能有不同程度的改進(jìn)，為進(jìn)一步研究高負(fù)荷、低負(fù)荷、高過(guò)量空氣系數(shù)和低過(guò)量空氣系數(shù)下TCD燃燒系統(tǒng)改進(jìn)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的差異，揭示TCD燃燒系統(tǒng)促進(jìn)缸內(nèi)油氣混合的機(jī)理，選取柴油機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速 1 800 r/min下的低負(fù)荷 23 kW、高負(fù)荷72 kW、低過(guò)量空氣系數(shù)1.2和高過(guò)量空氣系數(shù)2.0共4個(gè)工況進(jìn)行仿真計(jì)算，通過(guò)切片觀察燃油當(dāng)量比和速度分布情況，分析TCD燃燒系統(tǒng)在不同負(fù)荷和過(guò)量空氣系數(shù)下的油氣混合過(guò)程。

仿真計(jì)算得到1 800 r/min下不同負(fù)荷和過(guò)量空氣系數(shù)下TCD燃燒系統(tǒng)和ω燃燒系統(tǒng)燃油當(dāng)量比分布情況如圖11和圖12所示。由圖可知，TCD燃燒系統(tǒng)內(nèi)油束撞壁時(shí)間早于 ω燃燒系統(tǒng)，在環(huán)狀凸起的導(dǎo)流作用下油束分別向內(nèi)外兩室發(fā)展，且在最優(yōu)油束夾角下內(nèi)室燃油略多于外室。隨著噴油過(guò)程進(jìn)行和活塞向下運(yùn)動(dòng)，TCD燃燒系統(tǒng)中流入外室的燃油逐漸增多，在14 °CA下內(nèi)外室燃油比例大致相同，流入內(nèi)室的燃油經(jīng)燃燒室底部圓弧段向燃燒室中心區(qū)域擴(kuò)散，流入外室的燃油沿淺盤(pán)底面發(fā)展并碰撞側(cè)壁形成向缸蓋底面發(fā)展的射流并向缸蓋底面周?chē)鷧^(qū)域擴(kuò)散，從而擴(kuò)大了燃油擴(kuò)散面積，提高了油氣混合質(zhì)量，而 ω燃燒系統(tǒng)內(nèi)燃油碰壁后主要沿燃燒室側(cè)壁向頂隙和燃燒室底部區(qū)域擴(kuò)散，燃油擴(kuò)散面積相比TCD燃燒系統(tǒng)較小，壁面附近燃油分布集中，因而油氣混合質(zhì)量較差，燃燒性能降低，Soot排放量增大。活塞繼續(xù)下移會(huì)使油束撞擊燃燒室壁面的位置發(fā)生變化，在28 °CA下TCD燃燒系統(tǒng)內(nèi)油束直接撞擊淺盤(pán)側(cè)壁，在缸蓋底面附近形成大面積油氣混合區(qū)域，從而促進(jìn)了燃油燃燒，而ω燃燒系統(tǒng)內(nèi)燃油在28 °CA下直接進(jìn)入頂隙區(qū)域并在活塞頂面聚集，不利于均勻混合氣的形成。對(duì)比各工況燃油當(dāng)量比分布情況可知，不同負(fù)荷和過(guò)量空氣系數(shù)下TCD燃燒系統(tǒng)油氣混合質(zhì)量均優(yōu)于ω燃燒系統(tǒng)，在72 kW負(fù)荷和過(guò)量空氣系數(shù)1.2工況下TCD燃燒系統(tǒng)燃油當(dāng)量比在1附近的區(qū)域更廣，說(shuō)明TCD燃燒系統(tǒng)改善油氣混合的效果更明顯，這是因?yàn)棣厝紵到y(tǒng)在高負(fù)荷工況和低過(guò)量空氣系數(shù)下附壁燃油更加集中，難以與周?chē)諝饪焖倩旌闲纬删鶆蚧旌蠚猓焕谌加涂焖偃紵鳷CD燃燒系統(tǒng)通過(guò)環(huán)狀凸起和淺盤(pán)側(cè)壁的導(dǎo)流作用將燃油帶離壁面并向周?chē)鷧^(qū)域擴(kuò)散，能夠快速形成適合燃燒的均勻混合氣，因而相比ω燃燒系統(tǒng)油氣混合促進(jìn)效果更加明顯。

為更好地分析不同負(fù)荷和過(guò)量空氣系數(shù)下的缸內(nèi)油氣混合過(guò)程，針對(duì)燃油撞壁和噴霧終止后的缸內(nèi)速度分布進(jìn)行分析，如圖13和圖14所示。由圖可知，在8 °CA下兩燃燒系統(tǒng)內(nèi)燃油均發(fā)生撞壁，并在撞壁位置形成低速區(qū)，TCD燃燒系統(tǒng)內(nèi)的低速區(qū)出現(xiàn)在環(huán)狀凸起圓角處，速度約為 40 m/s，在凸起兩側(cè)的壁面附近存在高于100 m/s的高速流動(dòng)區(qū)域，而在ω燃燒系統(tǒng)燃油撞壁區(qū)域形成了低于40 m/s的大面積低速區(qū)，表明TCD燃燒系統(tǒng)環(huán)狀凸起結(jié)構(gòu)能夠起到良好的導(dǎo)流效果，相比 ω燃燒系統(tǒng)的燃油碰壁能量損失更小，從而緩解了燃油壁面堆積和附壁燃燒問(wèn)題。

在 28 °CA下活塞位置下移使油束與壁面撞擊點(diǎn)上移，在TCD燃燒系統(tǒng)內(nèi)燃油直接撞擊淺盤(pán)側(cè)壁并形成高于20 m/s的撞壁射流，在缸蓋底部區(qū)域形成向燃燒室中心和頂隙區(qū)域擴(kuò)散的兩股燃油，從而增大了燃油擴(kuò)散面積促進(jìn)油氣混合，而ω燃燒系統(tǒng)內(nèi)燃油直接噴入頂隙區(qū)域并沿活塞頂面發(fā)展，頂面附近燃油速度迅速降低至20 m/s以下，表明ω燃燒系統(tǒng)內(nèi)燃油發(fā)展受到限制。對(duì)比各工況速度分布情況可知，在72 kW負(fù)荷和過(guò)量空氣系數(shù)1.2工況下TCD燃燒系統(tǒng)內(nèi)燃油在環(huán)狀凸起的壁面導(dǎo)流作用下發(fā)展速度較快，因而相比ω燃燒系統(tǒng)缸內(nèi)油氣混合質(zhì)量更好，這是因?yàn)棣厝紵到y(tǒng)中燃油直接撞擊燃燒室側(cè)壁導(dǎo)致速度下降，在壁面附近產(chǎn)生大面積低速區(qū)，減緩了油氣混合速度，而TCD燃燒系統(tǒng)的環(huán)狀凸起和淺盤(pán)側(cè)壁結(jié)構(gòu)能夠引導(dǎo)燃油沿壁面方向發(fā)展，在高負(fù)荷和低過(guò)量空氣系數(shù)工況下緩解了燃油與壁面接觸導(dǎo)致的速度下降問(wèn)題，加快了油氣混合過(guò)程。

為更好地評(píng)價(jià)TCD燃燒系統(tǒng)內(nèi)油氣混合質(zhì)量，選擇不同燃油當(dāng)量比區(qū)間的燃油質(zhì)量比例作為評(píng)價(jià)參數(shù)，統(tǒng)計(jì)小于1，1～2，2～4和大于4共4個(gè)當(dāng)量比區(qū)間的燃油質(zhì)量占缸內(nèi)總噴油量的百分比進(jìn)行分析[33]，以ω燃燒系統(tǒng)作為對(duì)照。不同燃燒系統(tǒng)變工況下各當(dāng)量比區(qū)間的燃油質(zhì)量比例變化如圖15所示。由圖15可知，隨著油氣混合過(guò)程進(jìn)行燃油當(dāng)量比大于 1的燃油質(zhì)量先增大后減小，燃油當(dāng)量比小于1的燃油質(zhì)量比例逐漸增大，在0～30 °CA范圍內(nèi)TCD燃燒系統(tǒng)內(nèi)燃油當(dāng)量比為2～4和大于4的燃油質(zhì)量比例明顯低于ω燃燒系統(tǒng)，這是因?yàn)門(mén)CD燃燒系統(tǒng)的環(huán)狀凸起結(jié)構(gòu)能夠引導(dǎo)撞壁燃油運(yùn)動(dòng)，限制了濃混合氣區(qū)域形成，燃油發(fā)展速度更快，在過(guò)量空氣系數(shù)1.2工況下TCD燃燒系統(tǒng)燃油當(dāng)量比大于4的燃油質(zhì)量比例相比ω燃燒系統(tǒng)降幅最大，最大降幅為9.75%，這是因?yàn)榈瓦^(guò)量空氣系數(shù)下缸內(nèi)背景密度較低，噴霧貫穿速度較快，燃油在TCD燃燒系統(tǒng)的環(huán)狀凸起導(dǎo)流作用下能夠向更大區(qū)域擴(kuò)散，從而減少了濃混合氣區(qū)域的燃油量。在30～60 °CA范圍內(nèi)TCD燃燒系統(tǒng)相比ω燃燒系統(tǒng)燃油當(dāng)量比小于1的燃油質(zhì)量比例更高，燃油當(dāng)量比1～2的燃油質(zhì)量比例更低，在72 kW負(fù)荷工況下TCD燃燒系統(tǒng)燃油當(dāng)量比小于1的燃油質(zhì)量比例相比ω燃燒系統(tǒng)增幅最大，最大增幅為 7.45%，這是因?yàn)樵诟哂土看筘?fù)荷工況下 TCD燃燒系統(tǒng)的淺盤(pán)結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒆脖谌加涂焖賹?dǎo)向缸蓋底面附近區(qū)域，提高了缸內(nèi)空氣利用率，因而油氣混合更加均勻，有利于緩解燃油后燃現(xiàn)象促進(jìn)燃燒。

3 結(jié) 論

1）TCD燃燒系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和過(guò)量空氣系數(shù)工況下相比傳統(tǒng) ω燃燒系統(tǒng)燃燒放熱速度更快，后燃放熱比例較低，NOx排放量上升的同時(shí)Soot排放量顯著降低，燃油消耗率最大降幅為7.01%，NOx排放量最大增幅為43.05%，Soot排放量最大降幅為86.67%；

2）TCD燃燒系統(tǒng)在高負(fù)荷和低過(guò)量空氣系數(shù)工況下改善柴油機(jī)燃燒和排放性能的效果更佳明顯；

3）TCD燃燒系統(tǒng)的環(huán)狀凸起結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒂|壁燃油導(dǎo)向內(nèi)外兩室，促進(jìn)了燃油發(fā)展，限制了濃混合氣區(qū)域形成，0～30 °CA范圍內(nèi)TCD燃燒系統(tǒng)相比傳統(tǒng)ω燃燒系統(tǒng)濃混合氣區(qū)域燃油質(zhì)量比例最大降幅為9.75%；

4）TCD燃燒系統(tǒng)的淺盤(pán)結(jié)構(gòu)能夠形成向缸蓋底面發(fā)展的燃油撞壁射流，提高了空氣利用率，改善了缸內(nèi)油氣混合質(zhì)量，30～60 °CA范圍內(nèi)TCD燃燒系統(tǒng)相比傳統(tǒng)ω燃燒系統(tǒng)均勻混合氣區(qū)域燃油質(zhì)量比例最大增幅為7.45%。