基于燃燒模擬降低重型柴油機燃油消耗的研究

覃星念 李軍成 田 翀 曾麗麗 魏 超

(廣西玉柴機器股份有限公司工程研究院，廣西 南寧 530000)

0 前言

目前，汽車動力系統正在朝著多樣化發展，但內燃機仍是汽車的主要動力來源[1]，所以我國已開始對重型柴油機實施越來越嚴苛的燃油耗和排放法規[2,3]。因此，持續開展傳統內燃機的節能和減排研究，對于提高內燃機競爭力和國民經濟都有著重要的意義[4]。基于計算流體力學的燃燒數值模擬技術是研究內燃機缸內工作過程的有效方法，也是優化燃燒性能的有效手段[5-7]。本文應用數值模擬模型研究了某重型車用柴油機燃燒室的性能，以期降低其燃油消耗。

1 缸內燃燒計算模型

1.1 柴油機參數和幾何模型

柴油機基本參數如表1所示。為提高熱效率，新燃燒室設計將壓縮比由原燃燒室的16.8提高至17.5。圖1為原燃燒室與新燃燒室的形狀對比示意圖。2個燃燒室結構均采用縮口ω形，其主要差異在于中心凸臺形狀和縮口以上至活塞頂面之間的形狀。噴油器中心線位于氣缸中心線上，噴孔相對于氣缸中心呈對稱分布，因此本研究僅對氣缸45°扇形區域進行建模。高壓循環過程的模擬計算開始于進氣門關閉時刻，結束于排氣門開啟時刻，其中指示比油耗(ISFC)是指高壓循環指示比油耗。

表1 柴油機主要技術參數

圖1 燃燒室形狀對比示意圖

1.2 數學模型

利用AVL FIRE軟件建立三維數值模擬模型，主要子模型有WAVE噴霧破碎模型、Dukowicz蒸發模型、Table自著火模型、擴展的相關火焰燃燒模型(ECFM-3Z)、Extended Zeldovich熱力型NO模型和Kinetic炭煙模型。

1.3 模型校核

將計算模型測試工況設定為2種：① 低速全負荷工況，轉速為1 000 r/min，100%負荷；② 標定工況，轉速為1 900 r/min，100%負荷。用原燃燒室的試驗數據對計算模型進行校核，在低速全負荷工況下，缸內壓力和放熱率的計算值與試驗值對比如圖2所示。計算的點火時刻、放熱率型線和燃燒持續期與試驗結果具有良好的一致性，缸內壓力值與試驗值也具有較好的一致性。以柴油機在低速全負荷工況下運行的數據為基準，在2個工況下對運行的氮氧化物(NOx)排放量和炭煙排放量進行當量化，當量化的計算值與試驗值對比情況如圖3所示。模型預測，柴油機在不同工況下運行，NOx排放和炭煙排放變化趨勢與試驗趨勢一致。試驗表明，經過校核的模型能準確預測缸內燃燒過程，可運用于下一步的模擬研究。

圖2 低速全負荷工況下缸內壓力放熱率計算值與試驗值對比

圖3 當量化NOx排放和炭煙排放計算值與試驗值的對比

2 模擬結果與分析

2.1 新燃燒室的燃燒排放性能

更改燃燒室形狀，需要重新評估新燃燒室與噴油嘴凸出高度的適配性。以柴油機在低速全負荷工況下運行的數據為基準，對計算后的數據進行當量化。圖4為噴油嘴凸出高度對新燃燒室燃燒排放性能的影響。由圖4可知，在低速全負荷工況下，噴油嘴凸出高度增大，ISFC增加，NOx排放量降低，炭煙排放量升高。而在標定工況下，噴油嘴凸出高度增大，ISFC降低，NOx排放量升高，炭煙排放量降低。2種工況下的ISFC、NOx排放量和炭煙排放量隨噴油嘴凸出高度的變化出現了相反的變化趨勢。該柴油機常用工況為低速全負荷工況，需要重點考慮柴油機在低速全負荷工況下的燃油經濟性，因此選定噴油嘴凸出高度為2.4 mm。

圖4 噴油嘴凸出高度對新燃燒室當量化ISFC、NOx排放和炭煙排放的影響

以原燃燒室在低速全負荷工況下運行的數據為基準，對原燃燒室和模擬預測的新燃燒室相關數據進行了當量化分析。圖5為原燃燒室和新燃燒室的ISFC、NOx排放量和炭煙排放量進行當量化后分析的對比。與原燃燒室相比，在相同循環壓力峰值下，新燃燒室在2種工況下運行的ISFC分別降低了1.14%和0.48%；NOx排放量分別降低了2.66%和2.57%；炭煙排放量均有所降低，特別是在低速全負荷工況下，其降幅高達79.50%。

圖5 當量化ISFC、NOx排放和炭煙排放數據對比

為使新燃燒室的循環壓力峰值與原燃燒室相同，將新燃燒室噴油時刻推遲曲軸轉角1°(圖6)，新燃燒室的點火時刻也相應推遲。點火后，新燃燒室在急燃期和緩燃期內的放熱速率與原燃燒室相當，但后燃期的放熱速率比原燃燒室快，最終新燃燒室的燃燒持續期略短。

圖6 低速全負荷工況下當量化的累積放熱量對比

2.2 新燃燒室參數化研究

為進一步降低ISFC，采用FIRE ESE DIESEL軟件對新燃燒室形狀在低速全負荷工況下運行進行了參數化研究，以期尋找更優的參數組合。由于FIRE ESE DIESEL軟件中沒有與新燃燒室形狀完全吻合的模塊，因此采用了相似度較高的、被稱為Base模塊的燃燒室模塊來擬合新燃燒室(圖7)。其中，dc為燃燒室的喉口直徑，S為喉口圓弧圓心的距離，φ為中心凸臺斜坡角度，r為燃燒室凹坑半徑，db為燃燒室直徑。

圖7 新燃燒室形狀與Base模塊對比

新燃燒室參數化研究分為以下3個階段。

(1)第1階段計算分析。選擇燃燒室的喉口直徑dc、喉口圓弧圓心的距離S和中心凸臺斜坡角度φ等參數設計了35次計算。計算結果如圖8所示。與Base模塊相比，在第17次計算時的ISFC降幅最大，降低了0.47%，但NOx排放量卻增加了3.80%。

圖8 第1階段燃燒室形狀參數化計算結果

(2)第2階段計算分析。保持第1階段中第17次計算的dc、S和φ等參數取值，進行第2階段燃燒室參數研究。第2階選擇了燃燒室凹坑半徑r和燃燒室直徑db作為參數，共進行了12次計算。其計算結果如圖9所示。由圖9可知，改變參數r和db并未使ISFC顯著降低，僅第6次計算的燃油耗比第1階段的第17次計算值略微降低，NOx排放量和炭煙排放量也略有降低。

圖9 第2階段燃燒室形狀參數化計算結果

(3)第3階段模擬確認。綜合第1階段第17次的計算參數和第2階段第6次的計算參數，設計了一種被稱為“Test”的燃燒室。Test燃燒室的計算結果表明，與新燃燒室相比，Test燃燒室在2種工況下運行的ISFC分別降低了0.10 g/(kW·h)和0.24 g/(kW·h)，炭煙排放量分別增加了24.34%和38.65%。Test燃燒室的ISFC降低效果并不明顯，但炭煙排放則顯著增加。因此，放棄Test燃燒室的制造驗證，僅對新燃燒室進行制造和試驗驗證。

3 試驗驗證

圖10為原燃燒室和新燃燒室試驗的性能對比。由圖10可知，試驗結果與模擬計算預測結果趨勢一致，在低速全負荷工況下運行時，新燃燒室比油耗(BSFC)降低，炭煙排放量顯著降低，NOx排放量略有降低。在標定工況下運行，采用新燃燒室的柴油機有效比油耗降低了0.61%，在轉速為970 r/min的全負荷工況下，其有效比油耗降低了0.72%，炭煙排放量降低了68.48%。

圖10 試驗測試的全負荷工況性能對比

4 結論

本文模擬分析了柴油機原燃燒室和設計的新燃燒室性能，對新燃燒室進行了參數化研究和試驗驗證，得到以下結論。

(1)新燃燒室模擬計算表明，在低速全負荷工況和標定工況條件下，新燃燒室的ISFC比原燃燒室分別降低1.14%和0.48%；NOx排放量分別降低2.66%和2.57%；炭煙排放量均有所降低，特別是在低速全負荷工況下其降幅高達79.50%。

(2)采用FIRE ESE DIESEL軟件中的模塊對新燃燒室進行擬合，并進行了燃燒室參數化研究。根據參數化研究結果設計了Test燃燒室，但其節油效果不明顯，且造成了炭煙排放效果變差。

(3)試驗驗證燃燒模擬計算預測與試驗測試具有良好的一致性。試驗測試表明，設計的新燃燒室達到了降低燃油消耗的目的，且炭煙排放量明顯降低。