燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)柴油機(jī)性能和排放的影響

曲興年 周明勝 李遠(yuǎn)臻 李巖

摘要：本文重點(diǎn)研究了不同的燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)柴油機(jī)性能和排放的影響。通過(guò)ESC試驗(yàn)循環(huán)和穩(wěn)態(tài)滿載測(cè)試確定了滿足要求的燃燒室匹配方案。

Abstract： This paper focuses on the influence of different combustion chamber structure on diesel engine performance and emissions. Through ESC test cycle and steady-state full load test， the combustion chamber matching scheme meeting the requirements is determined.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);燃燒室;排放

Key words： diesel engine;combustion chamber;discharge

中圖分類號(hào)：U664.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0028-02

0? 引言

柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化即為燃燒室形狀、燃油噴射、氣流運(yùn)動(dòng)三者的一個(gè)最優(yōu)匹配。它對(duì)柴油與空氣的混合速率和混合質(zhì)量有著直接的影響，進(jìn)而影響柴油機(jī)的燃燒過(guò)程[1]。因此，燃燒系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、排放特性起著至關(guān)重要的作用。

1? 燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柴油機(jī)燃燒技術(shù)的開(kāi)發(fā)一直伴隨著燃燒室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，燃燒系統(tǒng)其余參數(shù)的變化都要與其相適應(yīng)的燃燒室結(jié)構(gòu)變化相匹配。因此，燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)優(yōu)化的首要內(nèi)容。

燃燒室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受油束射程，油束噴射角度，進(jìn)氣渦流強(qiáng)度以及燃油的霧化程度等因素的綜合影響。目前，噴油壓力逐漸提高，噴孔數(shù)目和噴射角度也有所增加，這都要求燃燒室深度變淺，直徑也要變大，形狀也由縮口型變?yōu)槌ㄩ_(kāi)型。故在燃油噴射末期，可以避免油束和燃燒火焰與氣缸壁碰撞，利于碳煙排放的降低。

綜合考慮排放和冷起動(dòng)性能，同時(shí)借鑒以往機(jī)型的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，壓縮比擬選在17.0～17.5之間。該方案設(shè)計(jì)是基于現(xiàn)有的柴油機(jī)活塞上進(jìn)行的，各個(gè)燃燒室的具體參數(shù)如表1所示，與1號(hào)燃燒室相比，2號(hào)燃燒室開(kāi)口直徑和雙唇直徑增大，凹坑深度減小。

2? 燃燒室優(yōu)化計(jì)算分析

使用三維軟件建模，選取B100工況作為計(jì)算工況，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)獲得柴油機(jī)性能排放數(shù)據(jù)和缸壓曲線，根據(jù)缸壓曲線計(jì)算得到缸內(nèi)瞬時(shí)和累計(jì)放熱率曲線，為三維CFD計(jì)算中的缸內(nèi)噴霧、燃燒和排放物生成模型參數(shù)標(biāo)定提供基礎(chǔ)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果優(yōu)化出6個(gè)不同型線的燃燒室（case1、2、3、4、5、6），其型線如圖1所示。

將優(yōu)化的燃燒室與噴油器（選取三組不同流量的噴油器，A1>A2>A3）進(jìn)行正交計(jì)算，并繪制ISFC-ISNOX和ISFC-ISPM之間的trade-off關(guān)系圖，如圖2所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，大流量噴油器在油耗和PM上均優(yōu)于小流量噴油器，16.3壓縮比燃燒室與A1噴油器組合對(duì)于油耗和PM降低效果最明顯，但NOX排放惡化。所以，將16.3壓縮比燃燒室與A1噴油器組合作為首選方案。定義為1號(hào)燃燒室。case1與A3小流量噴油器在油耗及排放上降幅較小，作為備選方案。定義為2號(hào)燃燒室。

3? 優(yōu)化計(jì)算結(jié)果試驗(yàn)驗(yàn)證分析

進(jìn)行燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)柴油機(jī)性能的影響的試驗(yàn)時(shí)，均采用噴油錐角為148°的8孔噴油器，噴油控制參數(shù)相同，噴油壓力設(shè)為160MPa，并且均為單次噴射。

全負(fù)荷工況下兩者的缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系基本一致。圖3是全負(fù)荷工況下，放熱量為總放熱量50%所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角位置曲線。由圖可知1號(hào)燃燒室放熱稍稍早于2號(hào)，但不明顯。可能因?yàn)槭?號(hào)燃燒室的徑深比Da/T比2號(hào)燃燒室小，油氣混合的質(zhì)量、速度均優(yōu)于2號(hào)燃燒室，故燃燒始點(diǎn)稍有提前。

全負(fù)荷工況下，兩種燃燒室對(duì)應(yīng)的NOX以及soot排放見(jiàn)圖5和圖6。1號(hào)燃燒室和2號(hào)燃燒室有關(guān)NOX的排放值基本相同，但是2號(hào)燃燒室的soot排放優(yōu)于1號(hào)燃燒室，在中高轉(zhuǎn)速時(shí)尤其明顯。可能的原因是：2號(hào)燃燒室過(guò)量空氣系數(shù)較高（圖4），進(jìn)氣流量也略高，有利于缸內(nèi)高溫過(guò)濃區(qū)域的減少，從而降低了soot的比排放;同時(shí)，2號(hào)燃燒室的徑深比Da/T大，有利于soot在新鮮空氣中的氧化。

經(jīng)過(guò)以上的對(duì)比及分析，1號(hào)和2號(hào)燃燒室的全負(fù)荷性能基本相同，NOX排放隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)相差不大，且都處于較低水平。在soot排放方面，2號(hào)燃燒室存在一定的優(yōu)勢(shì)。

4? 結(jié)論

本章對(duì)燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，主要集中在燃燒室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)不同結(jié)構(gòu)的燃燒室進(jìn)行匹配后發(fā)現(xiàn)，1號(hào)和2號(hào)燃燒室的全負(fù)荷性能相差不大，額定點(diǎn)功率都滿足要求。因?yàn)閷?shí)測(cè)壓縮比略有差異，2號(hào)燃燒室比油耗略高于1號(hào)，但基本滿足要求。全負(fù)荷時(shí)，兩者的NOX排放水平相差不大，且都處于較低水平。在soot排放方面，2號(hào)燃燒室明顯優(yōu)于1號(hào)燃燒室。

參考文獻(xiàn)：

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