高浩卜，李向榮，耿文耀，趙陸明，劉文鵬，劉福水

（1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081；2.河北華北柴油機(jī)有限責(zé)任公司，河北石家莊050081）

雙卷流燃燒室與油束夾角匹配對(duì)柴油機(jī)排放的影響

高浩卜1，李向榮1，耿文耀2，趙陸明1，劉文鵬1，劉福水1

（1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081；2.河北華北柴油機(jī)有限責(zé)任公司，河北石家莊050081）

為了優(yōu)化喉口直徑96 mm的雙卷流燃燒室的排放特性，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)噴油油束夾角進(jìn)行匹配。選取油束夾角為155°和160°的噴油器進(jìn)行試驗(yàn)。在外特性和部分負(fù)荷特性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，油束夾角為155°時(shí)，顆粒濃度比油束夾角為160°時(shí)低0.02～0.27 mg／m3，NOx濃度比油束夾角為160°時(shí)高14×10-6～70×10-6（NOx與總排氣體積比的10-6）。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)解釋了造成上述排放特性的原因，并運(yùn)用仿真分析闡明了上述排放特性的形成機(jī)理。研究表明采用油束夾角為155°時(shí)，可以有效降低顆粒排放，若采用缸外處理NOx，可以達(dá)到國(guó)4排放標(biāo)準(zhǔn)。

柴油機(jī)；雙卷流燃燒系統(tǒng)；油束夾角；排放標(biāo)準(zhǔn)；顆粒濃度；NOx濃度

隨著內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及人們環(huán)保意識(shí)的逐步提高，內(nèi)燃機(jī)排放要求也越來(lái)越高，與此同時(shí)各國(guó)家、地區(qū)相繼提出越來(lái)越嚴(yán)格的排放法規(guī)。柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)匹配效果直接影響排放性能，供油系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)燃燒系統(tǒng)的匹配極為重要［1-2］，而油束夾角是供油系統(tǒng)中有重要影響的一項(xiàng)參數(shù)［3-5］，尤其對(duì)噴油角度有很高要求的燃燒系統(tǒng)更為重要，比如北京理工大學(xué)研發(fā)的雙卷流燃燒系統(tǒng)［6-7］、大連理工大學(xué)研發(fā)的“雙壁面射流”燃燒系統(tǒng)［8］、天津大學(xué)研發(fā)的BUMP燃燒系統(tǒng)［9］等。對(duì)于雙卷流燃燒系統(tǒng)，油束夾角匹配先前主要是以柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)，取得了很好的效果，但是并未探討油束夾角匹配對(duì)排放特性的影響。

本文通過(guò)對(duì)喉口直徑96mm的雙卷流燃燒室（DS96）進(jìn)行油束夾角匹配的排放特性研究，使雙卷流燃燒系統(tǒng)柴油機(jī)在缸內(nèi)燃燒時(shí)降低顆粒生成，缸外處理NOx排放，從而達(dá)到國(guó)4排放標(biāo)準(zhǔn)。

1 雙卷流燃燒系統(tǒng)

與傳統(tǒng)ω型燃燒室相比，雙卷流燃燒系統(tǒng)的特點(diǎn)在于：利用弧脊的分流作用、燃燒室壁面的引流作用，使油氣分別在內(nèi)室和外室形成雙卷流，從而改善油氣的混合效果。雙卷流燃燒室油束匹配混合原理見(jiàn)圖1。

圖1 雙卷流燃燒室油束匹配混合原理Fig.1 Schematic diagram of the mixing principle in double swirl combustion chamber

噴油器油束夾角的變化直接影響到燃油在雙卷流燃燒室內(nèi)觸脊的時(shí)間和相對(duì)位置，進(jìn)而影響到燃燒室內(nèi)的混合氣形成狀況、燃燒性能和排放性能。大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噴油量在內(nèi)室和外室的分配比例大約在1∶9時(shí)，燃燒性能最佳［10］。因此，選擇合理的油束夾角成為影響雙卷流燃燒室性能的重要因素之一。

2 不同油束夾角排放特性試驗(yàn)

根據(jù)噴油量在內(nèi)室和外室的分配比例，選取油束夾角為150°、155°和160°的3種噴油器進(jìn)行仿真對(duì)比研究。仿真發(fā)現(xiàn)，油束夾角為150°時(shí)在碳煙顆粒排放和NOx排放上與油束夾角為155°和160°時(shí)差別不大，但燃油消耗率明顯升高。出現(xiàn)高油耗的原因是對(duì)于雙卷流燃燒室DS96，油束夾角150°已經(jīng)過(guò)小，使得內(nèi)室噴油量過(guò)多，而內(nèi)室空氣量較少，不能使燃油充分利用空氣并在上止點(diǎn)附近快速混合燃燒。

因此，試驗(yàn)選取油束夾角為155°和160°2種噴油器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。通過(guò)比較分析排放數(shù)據(jù)和燃燒特性數(shù)據(jù)，為DS96燃燒室匹配合適的油束夾角。

2.1 主要試驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)架為1132Z模擬增壓?jiǎn)胃讬C(jī)試驗(yàn)臺(tái)。缸徑132 mm，沖程145 mm，連桿長(zhǎng)度262 mm，最高轉(zhuǎn)速2 500 r／min，最高燃燒壓力19 MPa。采用喉口直徑96 mm的雙卷流燃燒室。交流電力測(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。壓縮比17.5。進(jìn)氣增壓壓力滿負(fù)荷1 300、1 600、1 800和2 100 r／min時(shí)分別為290、264、243和247 kPa，1 600 r／min工況點(diǎn)25%、50%、75%部分負(fù)荷分別為148、192、243 kPa。單體泵供油系統(tǒng)最大噴油壓力滿負(fù)荷1 300、1 600、1 800和2 100 r／min時(shí)分別為98、130、139和147 MPa， 1 600 r／min工況點(diǎn)25%、50%、75%部分負(fù)荷分別為76、99、107 MPa。油耗儀采用上海同圓環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)的CMF發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗儀。顆粒物分析儀為MAHA公司生產(chǎn)的MPM-4分析儀，量程0～1 000 mg／m3，精度±0.01 mg／m3。NOx分析儀為HORIBA公司生產(chǎn)的MEXA-720NOx型分析儀，量程0～3 000×10-6，精度±1×10-6。數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)包括：Kistler公司的Kibox燃燒分析儀、進(jìn)／排氣壓力傳感器、缸壓傳感器、排氣溫度傳感器、針閥升程傳感器等。

2.2 油束夾角對(duì)排放影響試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)轉(zhuǎn)速選擇接近十三工況法的A（1 300 r／min）、B（1 600 r／min）、C（1 900 r／min）轉(zhuǎn)速點(diǎn)和最大轉(zhuǎn)速（2 100 r／min）；負(fù)荷選擇上述4個(gè)轉(zhuǎn)速下的100%負(fù)荷點(diǎn)，以及十三工況法中加權(quán)系數(shù)最大的B（1 600 r／min）轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)25%、50%、75%、100%負(fù)荷。圖2給出了2種不同油束夾角在外特性和1 600 r／min負(fù)荷特性的顆粒濃度變化。

由圖2（a）結(jié)果顯示，外特性工況點(diǎn)上，油束夾角155°的顆粒濃度比油束夾角160°的低0.02～0.14 mg／m3。圖2（b）結(jié)果顯示，1 600 r／min各負(fù)荷下，油束夾角155°的顆粒濃度比油束夾角160°的低0.1～0.27 mg／m3。

圖2 不同油束夾角時(shí)的顆粒濃度Fig.2 Comparison of emitted PM

由圖3結(jié)果顯示，NOx濃度在全部測(cè)試工況點(diǎn)上，油束夾角155°的比油束夾角160°的高14×10-6～70×10-6。從圖4所示的燃油消耗率上看，在所有測(cè)試工況點(diǎn)，油束夾角155°和油束夾角160°差別不大。

綜上，油束夾角155°與160°相比，排放顆粒濃度較低，NOx濃度較高。這一結(jié)果符合PM與NOx生成存在的此消彼長(zhǎng)（Trade-Off）關(guān)系。

圖3 不同油束夾角NOx濃度Fig.3 Comparison of emitted NOx

圖4 不同油束夾角燃油消耗率Fig.4 Comparison of specific fuel consumption

2.3 油束夾角對(duì)排放影響試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 顆粒濃度結(jié)果分析

現(xiàn)選取工況1 600 r／min滿負(fù)荷為例，觀察其放熱規(guī)律變化。如圖5（a）所示，10%～90%累積放熱對(duì)比顯示，油束夾角為155°的燃燒持續(xù)期略短，為52°CA，油束夾角為160°的為53.5°CA。如圖5（b）所示，瞬時(shí)放熱率顯示，油束夾角為155°的放熱率在上止點(diǎn)后8～16°CA時(shí)較高，在上止點(diǎn)后20～50°CA時(shí)較低，顯示了先快后慢的燃燒方式。

圖5 不同油束夾角1 600 r／min滿負(fù)荷放熱規(guī)律Fig.5 Comparison of heat release variation

因此油束夾角為155°時(shí)，能在上止點(diǎn)附近以較短的時(shí)間充分燃燒，說(shuō)明缸內(nèi)油氣混合迅速、均勻，顆粒物生成量較低。另一方面，燃燒前期的時(shí)間相對(duì)縮短，燃燒后期顆粒物的氧化時(shí)間相對(duì)增加。觀察全部測(cè)試工況的排溫變化，如圖6所示，2種油束夾角排溫差別不大，可以認(rèn)為燃燒后期碳煙顆粒的氧化能力基本相同。

圖6 不同油束夾角排氣溫度Fig.6 Comparison of exhaust temperature

綜上，燃燒前期油氣混合迅速，產(chǎn)生的顆粒濃度較低，在后期氧化能力基本相同的條件下，后期氧化時(shí)間相對(duì)增加。這是造成油束夾角為155°的油束顆粒排放較少的主要原因。

2.3.2 NOx濃度結(jié)果分析

NOx生成主要與缸內(nèi)最高燃燒溫度、氧氣濃度有關(guān)。圖7為不同油束夾角的最高燃燒壓力變化。最高燃燒壓力高，燃燒溫度也高。從圖7中發(fā)現(xiàn)，在全部測(cè)試工況點(diǎn)上，油束夾角155°的缸內(nèi)最高燃燒壓力都較高，與圖5（b）瞬時(shí)放熱率特點(diǎn)相符。油束夾角155°的油束前期燃燒充分，缸內(nèi)溫度較高，會(huì)導(dǎo)致NOx生成偏高。

圖7 不同油束夾角最高燃燒壓力Fig.7 Comparison of maximum combustion pressure

3 油束夾角對(duì)排放影響仿真分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示了造成排放結(jié)果的原因。但是，缸內(nèi)燃燒過(guò)程的情況并不清楚。通過(guò)仿真模擬，可以進(jìn)一步補(bǔ)充和解釋試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。仿真計(jì)算使用CFD軟件AVL FIRE 2009，湍流模型采用k-ε模型，破碎模型和燃燒模型分別為Wave模型和Eddy Breakup model，排放模型中soot生成模型采用Kinetic Model，NOx生成采用Extended Zeldovich模型。所有計(jì)算網(wǎng)格全部為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸約為1 mm，下止點(diǎn)時(shí)總網(wǎng)格數(shù)量為26 235個(gè)。計(jì)算分析前，通過(guò)單缸機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了充分的校核和驗(yàn)證。

3.1 顆粒濃度仿真分析

依照試驗(yàn)確定仿真相關(guān)參數(shù)，上止點(diǎn)前9°CA噴油，噴油持續(xù)期30°CA。雙卷流燃燒室在油束接觸弧脊前為空間燃燒，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)大致在上止點(diǎn)后8°CA左右油束開(kāi)始與弧脊作用，燃燒室產(chǎn)生卷流效果。這與圖5（b）中，在上止點(diǎn)后8°CA前，瞬時(shí)放熱率一致，而后，2種油束夾角的瞬時(shí)放熱率差值開(kāi)始變大的趨勢(shì)相吻合。

為了觀察燃燒后期顆粒濃度的分布情況，圖8和圖9給出了上止點(diǎn)后30°CA時(shí)2種不同油束夾角的未燃燃空比和顆粒濃度分布云圖。

圖8 不同油束夾角未燃燃空比Fig.8 Comparison of combustion unburned equivalence ratio

圖9 不同油束夾角碳煙顆粒濃度分布Fig.9 Comparison of emission soot mass fraction

從圖8（a）與（b）的比較中明顯看出，2種油束夾角的燃燒室內(nèi)室燃燒已經(jīng)基本結(jié)束。在外室燃燒中，油束夾角為155°時(shí)，油束仍然在利用卷流作用將未燃燃料卷帶起來(lái)，而油束夾角為160°時(shí)，由于夾角偏大，使得一部分燃料直接進(jìn)入空間相對(duì)狹小的頂隙區(qū)域，與空氣不能很好地混合。因此，圖8（a）中未燃燃料已明顯少于圖8（b）中的未燃燃料。這也可以解釋圖5（b）中在燃燒后期（上止點(diǎn)后大約20～50°CA），由于剩余燃料較少，油束夾角為155°的瞬時(shí)放熱率低于油束夾角160°的現(xiàn)象。

從圖9（a）中可以看出，由于油束夾角155°的混合均勻性好，碳煙顆粒的生成少，后期氧化效果較好，因而碳煙顆粒分布較少。而對(duì)于油束夾角為160°時(shí)，大量碳煙集中于頂隙區(qū)域，如圖9（b）所示。

3.2 NOx濃度仿真分析

由圖5（b）瞬時(shí)放熱率上看，15°CA左右時(shí)為最大瞬時(shí)放熱段，瞬時(shí)放熱率越高，缸內(nèi)溫度就會(huì)越高，高溫區(qū)越大。因此，截取上止點(diǎn)后15°CA時(shí)的溫度云圖（如圖10）和NOx濃度云圖（如圖11），進(jìn)行NOx生成機(jī)理的分析。

從圖10溫度場(chǎng)分布可以看出，弧脊把油束分為2個(gè)卷流進(jìn)行燃燒，在燃燒火焰面附近形成高溫區(qū)。為方便描述，將高溫區(qū)劃分為A、B、C 3個(gè)區(qū)域。外室卷流燃燒和空間燃燒疊加形成高溫區(qū)A，擠流區(qū)燃燒形成高溫區(qū)B，內(nèi)室卷流燃燒，形成高溫區(qū)C。對(duì)于2種油束夾角，都形成了B、C 2個(gè)高溫區(qū)。160°油束夾角的外室卷流燃燒效果不明顯，因而A區(qū)的溫度較低，如圖10（b）所示。而155°油束夾角的外室卷流燃燒效果較好，因此在A區(qū)也形成了一個(gè)較高溫度區(qū)域，如圖10（a）所示。

圖10 不同油束夾角溫度場(chǎng)分布Fig.10 Comparison of flow temperature

從圖11所示的NOx濃度場(chǎng)分布可以看出，高濃度NOx分布區(qū)與圖10所示的高溫區(qū)分布是一致的。選用油束夾角155°時(shí)，在A、B、C 3個(gè)區(qū)域形成高濃度NOx，如圖11（a）所示，而油束夾角為160°時(shí)，只在B、C區(qū)域形成高濃度NOx，如圖11（b）所示。

綜上，油束夾角為155°時(shí)，卷流效果好，高溫區(qū)分布大，NOx生成總量較大。

圖11 不同油束夾角NOx濃度場(chǎng)分布Fig.11 Comparison of emission NOxmass fraction

4 結(jié)論

通過(guò)以上論述可知，油束夾角與燃燒室的匹配不同，燃燒情況就會(huì)產(chǎn)生差異，從而對(duì)排放結(jié)果造成很大影響。具體而言，有以下結(jié)論：

1）油束夾角為155°時(shí)由于充分發(fā)揮雙卷流燃燒室的卷流作用，使碳煙顆粒濃度比油束夾角為160°時(shí)下降了0.02～0.27 mg／m3。

2）油束夾角為155°時(shí)由于燃燒過(guò)程產(chǎn)生的高溫區(qū)域大，使NOx濃度比油束夾角為160°的高14× 10-6～70×10-6。

3）通過(guò)仿真，解釋了2種油束夾角下顆粒和NOx生成規(guī)律的機(jī)理，補(bǔ)充了試驗(yàn)結(jié)果，為今后油束夾角匹配和燃燒室改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

對(duì)于DS96雙卷流燃燒室采用油束夾角為155°時(shí)，可在缸內(nèi)有效降低顆粒濃度，若采用缸外處理NOx，可以達(dá)到國(guó)4排放標(biāo)準(zhǔn)。

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Effects of spray angle on the emissions characteristics of diesel engine matched with double swirl combustion system

GAO Haobu1，LI Xiangrong1，GENG Wenyao2，ZHAO Luming1，LIU Wenpeng1，LIU Fushui1
（1.School of Machine and Vehicle，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.Hebei Huabei Diesel Engine Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050081，China）

For the purpose of optimizing the emission characteristics of a double swirl combustion chamber with a throat size of 96 mm，tests were carried out for selecting a proper spray angle.The spay angles of 155°and 160° were applied for testing an oil sprayer.The data from the tests of the general performance and partial load property showed that，when the spay angle is 155°，the concentration of the particle is lower than that at 160°by 0.02～0.27 mg／m3，and the NOxconcentration is higher by 14×10-6～70×10-6（10-6ofthe ratio between NOxand the totalemitted gas）.The emission results were explained by the experimental data and the formation mechanism of the above emission characteristics was explained by the simulation analysis.The research shows that the emission of the particle may be effectively reduced by the application of a spray angle of155°；in addition，if NOxis processed outside of the cylinder，the CHN4 emission level may be realized.

diesel engine；double swirl combustion system；spray angle；emission characteristics；particle concentration；NOxconcentration

10.3969／j.issn.1006-7043.201301002

TK412.2

A

1006-7043（2014）02-0216-06

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.4271／10.3969／j.issn.1006-7043.201301002.html

2013-01-03.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-1-2 14：57：13.

高浩卜（1988），男，博士研究生；

李向榮（1967），男，教授，博士生導(dǎo)師.

李向榮，E-mail：lixr＠bit.edu.cn