齊鯤鵬,隆武強(qiáng)

(1.大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，大連 116028； 2.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，大連 116023)

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2015089

雙層分流燃燒室與噴射參數(shù)匹配的試驗(yàn)研究*

齊鯤鵬1,隆武強(qiáng)2

(1.大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，大連 116028； 2.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，大連 116023)

為進(jìn)一步改善采用雙層分流燃燒室的直噴式柴油機(jī)的燃燒性能，在單缸柴油機(jī)臺(tái)架上對(duì)不同噴油壓力、噴油提前角和噴嘴伸出長(zhǎng)度等噴射參數(shù)與雙層分流燃燒室的匹配進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，通過(guò)噴射參數(shù)與雙層分流燃燒室的合理匹配可有效地改善柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能。

直噴式柴油機(jī)；雙層分流燃燒室；噴射參數(shù)；數(shù)值模擬

前言

在直噴式柴油機(jī)的工作過(guò)程中，柴油機(jī)的燃燒過(guò)程和排放性能取決于燃燒室內(nèi)燃油噴霧的分布特性和混合氣的均勻性。研究表明，噴油系統(tǒng)、進(jìn)氣渦流和燃燒室形狀是影響柴油機(jī)缸內(nèi)混合氣形成的3個(gè)主要因素[1]。其中，燃燒室形狀對(duì)柴油機(jī)混合氣的形成和缸內(nèi)的燃燒過(guò)程有重大影響[2-8]。

文獻(xiàn)[9]中的研究表明，燃燒室形狀對(duì)缸內(nèi)混合氣流動(dòng)、溫度場(chǎng)和廢氣排放有重要的作用，不同的燃燒室形狀可以有效地改變氣缸內(nèi)混合氣的流動(dòng)特性，從而影響混合氣的形成和柴油機(jī)的燃燒與排放性能。文獻(xiàn)[10]中的研究表明，柴油機(jī)燃燒室形狀與柴油機(jī)工作條件的優(yōu)化匹配可有效地改善柴油機(jī)的燃油消耗率，降幅可達(dá)35%。文獻(xiàn)[11]中對(duì)比了不同口徑和型式的柴油機(jī)燃燒室，結(jié)果表明，縮口型燃燒室的燃油蒸發(fā)速度、混合氣的混合速度和燃燒速度比圓口型燃燒室的快。文獻(xiàn)[12]中的研究表明，燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)對(duì)缸內(nèi)的流場(chǎng)、噴霧和燃燒特性都有較大影響，縮口燃燒室的缸內(nèi)流場(chǎng)強(qiáng)度要大于直口燃燒室，因而縮口燃燒室內(nèi)混合氣均勻性和柴油機(jī)的燃燒過(guò)程優(yōu)于直口燃燒室。文獻(xiàn)[13]中的研究表明，燃燒室?guī)缀涡螤钆c噴油器的匹配對(duì)直噴式CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)流場(chǎng)和混合氣有重要的作用，在燃燒室設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮燃油碰撞機(jī)理對(duì)燃油噴霧分布的影響。文獻(xiàn)[14]中的研究表明，直噴式柴油機(jī)上配置合適形狀的燃燒室，并與適當(dāng)?shù)膰娪蜁r(shí)刻相結(jié)合，可獲得較高的柴油機(jī)性能和較低的有害排放。文獻(xiàn)[15]中的研究表明，徑深比不同的燃燒室對(duì)缸內(nèi)混合氣的形成與燃燒和柴油機(jī)的廢氣排放有重要的影響，合適徑深比的燃燒室，配以適當(dāng)?shù)膰娪瓦^(guò)程，可改善柴油機(jī)的燃燒過(guò)程。

為了改善柴油機(jī)燃燒室內(nèi)燃油噴霧空間分布和混合氣的均勻程度，文獻(xiàn)[16]中基于噴霧撞壁導(dǎo)向和燃油空間霧化的原理，提出了一種新的直噴式柴油機(jī)雙層分流燃燒系統(tǒng)，可在燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙層分流和二次霧化，從而形成了相對(duì)均勻的混合氣，提高了柴油機(jī)的燃燒性能。為進(jìn)一步改善直噴式柴油機(jī)雙層分流燃燒的性能，文中通過(guò)試驗(yàn)對(duì)噴油壓力、噴油提前角和噴嘴伸出長(zhǎng)度等噴射參數(shù)與雙層分流燃燒室的匹配進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)方案和儀器設(shè)備

本研究在一臺(tái)單缸、水冷、自然吸氣、四氣門(mén)135柴油機(jī)上進(jìn)行，柴油機(jī)基本參數(shù)如表1所示。為了更好地對(duì)比不同噴射參數(shù)與雙層分流燃燒室的匹配關(guān)系，將柴油機(jī)由機(jī)械泵供油改裝為高壓共軌電控噴油系統(tǒng)供油(考慮到柴油機(jī)穩(wěn)定工作的因素，噴油壓力最大取110MPa)。柴油機(jī)試驗(yàn)方案如表2

表1 柴油機(jī)基本參數(shù)

表2 柴油機(jī)試驗(yàn)方案

所示。柴油機(jī)試驗(yàn)測(cè)試儀器設(shè)備如表3所示。

表3 柴油機(jī)試驗(yàn)儀器設(shè)備

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 噴油壓力對(duì)柴油機(jī)性能的影響

圖1示出在額定轉(zhuǎn)速和不同負(fù)荷下噴油壓力對(duì)柴油機(jī)各項(xiàng)性能的影響。從圖1(a)可以看出，在額定轉(zhuǎn)速、100%負(fù)荷時(shí)，隨著噴油壓力的提高，缸內(nèi)壓力隨之升高。從圖1(b)中可以看出，在額定轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷時(shí)，隨著噴油壓力的提高，有效燃油消耗率略有減小。而在額定轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷時(shí)，隨著噴油壓力的提高，有效燃油消耗率有所增加。從圖1(c)和圖1(d)可以看出，在額定轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷時(shí)，隨著噴油壓力的提高，氮氧化物排放隨之增大，而碳煙排放隨之減小。這主要是因?yàn)殡S著噴油壓力的提高，缸內(nèi)燃燒壓力升高，這使缸內(nèi)的燃燒溫度也隨之升高，而且高溫燃燒持續(xù)時(shí)間也會(huì)加長(zhǎng)，導(dǎo)致氮氧化物排放增大。而隨著噴油壓力的提高，混合氣的均勻度提高，燃燒過(guò)程得到改善，導(dǎo)致擴(kuò)散燃燒的速度加快，所以碳煙排放減小。

2.2 噴油提前角對(duì)柴油機(jī)性能的影響

圖2示出在額定轉(zhuǎn)速和不同負(fù)荷下噴油提前角對(duì)柴油機(jī)各項(xiàng)性能的影響。從圖2(a)看出，在額定轉(zhuǎn)速、90%負(fù)荷時(shí)，隨著噴油提前角的增加，缸內(nèi)壓力隨之升高。同時(shí)，從圖2(b)中看出，在額定轉(zhuǎn)速、部分負(fù)荷時(shí)，噴油提前角為9°CA BTDC時(shí)有效燃油消耗率稍低，但總的來(lái)說(shuō)，噴油提前角對(duì)有效燃油消耗率影響不大。從圖2(c)看出，在額定轉(zhuǎn)速、部分負(fù)荷時(shí)，隨著噴油提前角的增加，氮氧化物排放隨之增大。這主要是因?yàn)殡S著噴油提前角的增加，缸內(nèi)燃燒壓力升高，這使缸內(nèi)的燃燒溫度也隨之升高，而且高溫燃燒持續(xù)時(shí)間也會(huì)加長(zhǎng)，這樣導(dǎo)致氮氧化物排放增大。從圖2(d)看出，在額定轉(zhuǎn)速、3種不同負(fù)荷時(shí)都呈現(xiàn)隨著噴油提前角的增加，碳煙排放先下降再升高的規(guī)律，約在9°CA BTDC時(shí)達(dá)到最小，但總的來(lái)說(shuō)，沒(méi)有顯著變化。

圖3示出不同噴油提前角時(shí)雙層分流燃燒室的燃燒效果。為使試驗(yàn)結(jié)果確實(shí)反映不同噴油提前角的影響，每一種噴油提前角下都運(yùn)轉(zhuǎn)足夠長(zhǎng)的時(shí)間(約一天)，且在每個(gè)工況點(diǎn)的試驗(yàn)前，用砂紙清除活塞表面的積碳，以消除先前工況的影響。

從圖中可以看出，與其它噴油提前角相比，噴油提前角為9°CA BTDC時(shí)，雙層分流燃燒室的碰撞臺(tái)處沒(méi)有形成明顯的積碳，燃油噴霧在與圓形導(dǎo)向面發(fā)生碰撞后，在燃燒室上、下兩層中與空氣混合比較充分，燃燒效果較好，這表明該噴油提前角下燃油噴霧與雙層分流燃燒室的碰撞角度最佳。

2.3 噴嘴伸出長(zhǎng)度對(duì)柴油機(jī)各項(xiàng)性能的影響

圖4示出在額定轉(zhuǎn)速和不同負(fù)荷時(shí)噴嘴伸出長(zhǎng)度對(duì)柴油機(jī)各項(xiàng)性能的影響。從圖4(a)可以看出，在額定轉(zhuǎn)速、100%負(fù)荷時(shí)，隨著噴嘴伸出長(zhǎng)度的增大，缸內(nèi)壓力隨之降低。從圖4(b)中可以看出，在額定轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷時(shí)，有效燃油消耗率變化不大；低負(fù)荷時(shí)，隨著噴嘴伸出長(zhǎng)度的增大，有效燃油消耗率略有增加。這可能是隨著噴嘴伸出長(zhǎng)度的增大，燃油噴霧與雙層分流燃燒室碰撞臺(tái)的碰撞效果變差，燃油空氣混合物的均勻性降低，導(dǎo)致柴油機(jī)的燃燒過(guò)程變得不好，所以缸內(nèi)壓力降低，有效燃油消耗率增加。從圖4(c)和圖4(d)可以看出，在額定轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷時(shí)，隨著噴嘴伸出長(zhǎng)度的增大，氮氧化物排放隨之減小，而碳煙排放隨之增大，原因同上。因此，對(duì)于雙層分流燃燒室應(yīng)注意噴嘴伸出長(zhǎng)度與碰撞臺(tái)位置的合理匹配。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過(guò)雙層分流燃燒室與噴油壓力、噴油提前角和噴嘴伸出長(zhǎng)度等噴射參數(shù)的合理匹配，可以有效地改善混合氣的均勻性，提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性能。

3 結(jié)論

(1) 通過(guò)雙層分流燃燒室圓形導(dǎo)向碰撞臺(tái)的分流和二次霧化，能夠擴(kuò)大燃油噴霧在燃燒室內(nèi)的空間分布，在燃燒室內(nèi)形成較均勻的混合氣。

(2) 高的噴油壓力、適當(dāng)?shù)膰娪吞崆敖呛蛧娮焐斐鲩L(zhǎng)度及與雙層分流燃燒室的合理匹配，可以改善柴油機(jī)的燃燒過(guò)程，提高直噴式柴油機(jī)的綜合性能。

[1] Jovanovic Z S, Petrovic S V, Tomic M V. The Effect of Combustion Chamber Geometry Layout on Combustion and Emission[J]. Thermal Science,2008,12:7-24.

[2] Adrian C S, Sorin H. Influence of Geometry on the Position and the Intensity of Maximum Kinetic Energy in a Combustion Chamber[J]. Diffusion in Solids and Liquids,2011,312-315:725-730.

[3] Takashi K, Kusaka J. Improvement of Combustion and Exhaust Gas Emissions in a Passenger Car Diesel Engine by Modification of Combustion Chamber Design[C]. SAE Paper 2006-01-3435.

[4] Wickman D D, Senecal P K, Reitz R D. Diesel Engine Combustion Chamber Geometry Optimization Using Genetic Algorithms and Multi-dimensional Spray and Combustion Modeling[C]. SAE Paper 2001-01-0547.

[5] Montair R, Tsunemoto H, Ishitan H. Fuel Spray Behavior in a Small DI Diesel Engine: Effect of Combustion Chamber Geometry[C]. SAE Paper 2000-01-0946.

[6] 王錫斌,馬志豪,蔣德明.燃燒室?guī)缀涡螤顚?duì)缸內(nèi)氣體流動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2002,23(2):6-11.

[7] 周磊,趙長(zhǎng)祿,張付軍,等.利用燃燒模擬對(duì)柴油機(jī)燃燒室的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2004,10(5):465-470.

[8] Jaichandar S, Annamalai K. Influences of Re-entrant Combustion Chamber Geometry on the Performance of Pongamia Biodiesel in a DI Diesel Engine[J]. Energy,2012,1(44):633-640.

[9] Zhang C C, Wang Q, He Z X, et al. Simulation Research on Matching of Spray and Combustion Chamber Geometry in Diesel Engine[J]. Advanced Materials Research,2010,199-200:193-197.

[10] Park S W. Optimization of Combustion Chamber Geometry for Stoichiometric Diesel Combustion Using a Micro Genetic Algorithm[J]. Fuel Processing Technology,2010,91:1742-1752.

[11] 唐維新,袁文華,龔金科,等.燃燒室?guī)缀涡螤詈臀恢脤?duì)燃燒過(guò)程的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,37(6):1161-1165.

[12] 虞育松,李國(guó)岫,劉建英.燃燒室形狀對(duì)直噴柴油機(jī)燃燒性能影響的三維數(shù)值模擬[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,31(4):115-119.

[13] Yadollahi B, Boroomand M. The Effect of Combustion Chamber Geometry on Injection and Mixture Preparation in a CNG Direct Injection SI Engine[J]. Fuel,2013,107:52-62.

[14] Jarichander S, Senthil P K, Annamala K. Combined Effect of Injection Timing and Combustion Chamber Geometry on the Performance of a Biodiesel Fueled Diesel Engine[J]. Energy,2012,1(47):388-394.

[15] 朱堅(jiān),黃晨,堯命發(fā).燃燒室?guī)缀涡螤顚?duì)柴油機(jī)燃燒多成影響的數(shù)值模擬研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2007,28(2):14-18.

[16] 齊鯤鵬,田江平,董鵬博,等.直噴式柴油機(jī)雙層分流燃燒系統(tǒng)的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2014,35(6):54-59.

An Experimental Study on the Matching Between Fuel Injection Parametersand Spray-bifurcation Combustion Chamber

Qi Kunpeng1& Long Wuqiang2

1.SchoolofTrafficandTransportEngineering,DalianJiaotongUniversity,Dalian116028;2.SchoolofEnergyandPowerEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116023

In order to further improve the combustion performance of direct injection diesel engine with spray-bifurcation combustion chamber, an experimental study is conducted on the matching between injection parameters (the pressures and advanced angles of fuel injection and nozzle tip protrusions etc.) and spray-bifurcation combustion chamber. The results show that proper matching between injection parameters and spray-bifurcation combustion chamber can effectively improve the fuel economy and emission performance of diesel engine.

DI diesel engine; spray-bifurcation combustion chamber; fuel injection parameters; numerical simulation

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51076024)資助。

原稿收到日期為2013年7月15日，修改稿收到日期為2014年9月24日。