劉勝吉，徐　康，孫　健，王　建（江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013）

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小型渦流室柴油機供油與燃燒系統協同匹配

劉勝吉，徐康，孫健，王建
（江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013）

摘要：小型渦流室柴油機的供油與燃燒系統優(yōu)化是滿足不斷加嚴排放法規(guī)的基礎。該文以某170F渦流室柴油機為研究對象，運用模擬計算與試驗結合的方法，對其供油及燃燒系統開展研究。借助工程軟件構建了供油系統仿真模型，通過設計長型短結構噴油器、優(yōu)化供油系統參數，來提高噴油壓力和優(yōu)化噴油特性；利用FIRE軟件對燃燒過程進行模擬，找出了噴油油線在渦流室內位置及燃燒室容積比的最佳范圍。柴油機優(yōu)化后整機初次試驗氣體比排放低于國家第三階段排放限值，CO和HC＋NOX分別較原機下降了72.8%和21.3%（八工況循環(huán)），標定工況煙度由原機4.5下降到1.2 BSU，有效燃油消耗率較原機下降了約16.1%。該研究工作為小型渦流室柴油機性能提高和節(jié)能減排提供了參考。

關鍵詞：柴油機；模型；優(yōu)化；渦流室；供油系統；燃燒系統；性能；排放

劉勝吉，徐康，孫健，王建. 小型渦流室柴油機供油與燃燒系統協同匹配[J]. 農業(yè)工程學報，2016，32（2）：51－57.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.008http://www.tcsae.org

Liu Shengji， Xu Kang， Sun Jian， Wang Jian. Matching of fuel injection and combustion systems for small swirl chamber diesel engine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2016， 32（2）: 51－57. （in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.008http://www.tcsae.org

0　引　言

小型單缸柴油機在中國生產量大，廣泛應用于小型農業(yè)機械、園林機械、小型工程機械、發(fā)電機組等領域，近幾年國內缸徑小于80 mm渦流室柴油機年產量均維持在200萬臺左右，85～95 mm缸徑段的渦流室柴油機也有一定的產量[1-4]，國外缸徑80 mm以下非道路用柴油機，渦流室燃燒方式仍是主流[5]。中國非道路柴油機的第三、四階段排放標準2015年10月1日開始實施[6]，而目前國內批量生產的此類柴油機仍然難以達到國家第二階段排放限值，因此優(yōu)化性能降低排放的研究迫在眉睫。

國外對渦流式柴油機的排放研究較早且較為深入[7-9]。Iwazaki Kouji等[10]通過采取預噴及二次噴射的措施有效降低了比油耗，同時HC、NOX及煙度都有所改善；Choi Gyeung Ho等[11]探討了連接通道角度、形狀及面積對渦流室內湍流的影響，通過參數的優(yōu)化降低排放的同時提高燃油經濟性；Kim H G等[12]，Ashraful A M 等[13]利用渦流室柴油機多種燃料適應性好的特點對代用燃料及添加劑在產品中應用開展了一些研究工作。國內早期渦流式柴油機研究較多[14-17]，近幾年柴油機直噴化研究不斷推進，渦流室的研究較少。劉玉梅等[18]運用FLUENT軟件對不同容積比下的缸內燃燒進行了數值模擬，找出了合適的容積比，使NOX及soot生成量均為較?。辉娜A等[19]提出雙連接通道渦流室結構，發(fā)現雙通道傾角對渦流室內渦流形態(tài)發(fā)展具有重要影響，45°通道傾角時渦流形態(tài)更穩(wěn)定、矢量速度和渦流尺度更大，有利于提高油氣混合質量。但上述研究的機型多是缸徑偏大的機型，或以研究燃燒室結構參數為主，對小缸徑渦流室柴油機供油系統和燃燒系統參數優(yōu)化匹配及低排放優(yōu)化研究工作鮮見報道。

本文以某企業(yè)研發(fā)的170F渦流室柴油機為研究對象，通過供油系統結構匹配設計優(yōu)化及燃燒系統優(yōu)化，探討小缸徑渦流室柴油機低排放高性能的技術措施。

1　試驗樣機及測試臺架介紹

試驗用170F柴油機的基本參數如表1所示，該機型為輕量化汽改柴產品。

表1 170F柴油機的基本參數Table 1　Basic parameters of 170F diesel engine

柴油機整機性能試驗臺架如圖1所示，試驗中氣缸壓力的測量采用KISTLER公司6052C傳感器，數據的采集采用DEWETRON公司的DEWE-800燃燒分析儀，采用HORIBA公司的MEXA-7200D測量排放氣體成分，顆粒的測量采用AVL公司的SPC472測量儀。

圖1　整機性能試驗臺架布置示意圖Fig.1　Schematic diagram of engine performance test bed

2　渦流室柴油機供油系統結構設計和參數優(yōu)化

為盡量減少供油系統參數匹配試驗工作量、降低成本，首先利用AVL-HYDSIM 軟件建立樣機燃油系統的液力過程計算模型，設定低壓油路壓力為0.1 MPa，燃油密度取為840 kg/m3。發(fā)動機缸內壓力的邊界值由示功圖試驗獲得。圖2為原機標定工況下供油系統高壓油管嘴端壓力模擬結果與試驗結果的對比。從圖2中可以看出兩者數據基本吻合，整體趨勢一致，壓力峰值及壓力波形最大誤差不超過5%，說明本文所建模型具有較高的計算精度，能夠滿足工程分析的要求，可以用作供油系統優(yōu)化改進的研究。同時原機分析結果是：噴油最高壓力僅17.46 MPa，噴油壓力偏低，通過對噴油參數計算分析可知，噴油壓力低的原因是柴油機噴油量小，噴油嘴流通面積偏大，供油系統參數匹配不盡合理，噴油壓力難以提高。

圖2　原機高壓油管嘴端壓力模擬值與試驗值對比Fig.2　Comparison result of fuel pressure at nozzle volume

2.1噴油器結構型式的匹配設計

項目組前期已在一種170F柴油機（沖程為54 mm）上對原機噴油器（圖3a）改進開展了部分研究工作，設計了長型噴油嘴（圖3b），取得了較好結果[20]。在已有研究工作的基礎上，結合現170F柴油機渦流室結構，綜合考慮噴油器加工工藝、氣缸蓋結構設計、噴油器可靠性以及在原普通軸針式噴油器改用長型噴油器后高壓油管需加長等因素，設計了長型短結構噴油嘴如圖3c所示。用長型短結構噴油嘴使渦流室形狀規(guī)整，氣缸蓋上噴油器孔結構長度有利于整體結構設計，較長型結構減少了材料和機械加工難度，降低了成本；同時長型短結構噴油嘴較長型噴油嘴更利于與原機的配套使用，不需更換高壓油管，噴油器無明顯突出，整機外觀更協調。

圖3　170F渦流室柴油機噴油器安裝方式Fig3　Installation ways of swirl chamber diesel engine injector

圖4為170F柴油機用長型短結構噴油嘴在結構參數優(yōu)化后計算得出的標定工況噴油過程，由于實際作用于針閥上的油壓為噴油嘴盛油槽內燃油壓力，為此下文分析結果均采用噴油嘴盛油槽內燃油壓力。

圖4　優(yōu)化噴油器后170F柴油機噴油過程Fig.4　Injection process of 170F diesel engine after injector optimization

由圖4可知，盛油槽內燃油峰值壓力為20.35 MPa，較原機有所提高，這是因為長型短結構噴油嘴優(yōu)化了最大針閥升程和流通特性，最大升程由原機的0.7優(yōu)化為0.3 mm，較小的最大針閥升程，使針閥在往復運動時產生較小的泵吸作用，從而間接提高了燃油噴射壓力；原機噴油嘴為國內渦流室柴油機通用[21]，匹配的氣缸排量從0.2～0.9 L，依據170F柴油機的噴油量對噴油嘴頭部結構重新設計，流通面積適當減小。結果噴油持續(xù)期由原機的15增加到18°CA。這樣初期噴油速率較低，減少了著火滯燃期內噴油量，有利于渦流室內油氣的混合及燃燒，但圖4的噴油壓力的主壓力波形的后半部分壓力略有降低且有較長時間的壓力平段，說明噴油后期供油速率偏低使壓力下降，為此需對柴油機供油系統的泵、管、嘴之間的參數協同匹配提高噴油過程的壓力，改善噴油特性。

2.2供油系統噴油過程中的壓力提高

2.2.1減小高壓油路容積

原噴油泵出油閥緊帽采用壓緊出油閥大圓墊片實現高低壓密封，出油閥緊帽腔內容積大，現采用高低壓獨立密封型式[22]，以減小緊帽腔的容積；原機高壓油管內徑為2.0 mm，長度為260 mm，高壓油管容積約為816.4 mm3，通過計算分析，油管內徑采用1.6 mm，供油系統高壓油路容積大大減少，不同高壓油路容積的計算結果見圖5。由圖5可知，噴油持續(xù)期內噴油嘴盛油槽內燃油峰值壓力明顯提高，噴油器噴油后噴油壓力繼續(xù)增大，由原來的20.35升高至22.25 MPa，這有利于燃燒持續(xù)期內燃油霧化和混合。

圖5　不同高壓油路容積嘴端壓力對比Fig.5　Comparison of fuel pressure at nozzle volume under different high-pressure oil circuit volume

2.2.2出油閥減壓容積與高壓油路容積的匹配

170F柴油機原機出油閥直徑為5 mm，減壓容積為37.3 mm3，國內渦流室柴油機通用一種出油閥，此減壓容積原為S195渦流室柴油機所用，兩機型標定工況的循環(huán)噴油量分別約為40和10 mm3，170F柴油機減壓容積顯然相對過大，造成減壓過度影響噴油過程的油壓變化。綜合考慮加工工藝及減小減壓容積所需，將出油閥直徑由原來的5改為4 mm，設計減壓高度為1.9、1.7和1.5 mm 的3種方案。

圖6所示為不同出油閥減壓帶參數對170F柴油機噴油過程的影響。從燃油壓力圖形來看，當出油閥減壓高度為1.5 mm時，盛油槽內燃油峰值壓力最大，達26.73 MPa，較原機出油閥方案增加15.1%，其他方案噴油壓力均有一定提升。同時隨著減壓容積的不斷減少，盛油槽內的燃油壓力升高較快；然而減壓容積的減小使得高壓油路內殘余壓力持續(xù)增加，由于燃油的可壓縮性以及壓力波的傳播與反射，當減壓高度為1.5 mm時，盛油槽內燃油壓力的第二峰值達8.87 MPa，接近針閥關閉壓力，易引起針閥的抖動，產生燃油滲漏，因此選取1.7 mm為170F渦流室柴油機出油閥減壓高度，相應的減壓容積為21.4 mm3，最大盛油槽內燃油壓力為25.28 MPa。

圖6　不同出油閥減壓帶參數對170F柴油機噴油過程的影響Fig.6　Influence of different decompression zones on injection process of 170F diesel engine

供油系統參數采用上述方案優(yōu)化后，噴油峰值壓力從原機17.46增大到25.28 MPa，提高了44.8%，噴油持續(xù)期為20°CA，噴油壓力波形、噴油速率形狀更為合理，噴油過程中平均噴油壓力提高，有利于改善油氣的混合。

3　燃燒系統參數優(yōu)化

3.1噴油特性對170F柴油機性能及排放的影響

柴油機要實現清潔高效燃燒的目標，優(yōu)化的供油系統和燃燒室參數的協同匹配是關鍵。利用AVL-FIRE軟件建立了170F渦流室柴油機缸內燃燒過程仿真模型。

圖7為170F柴油機原機標定工況渦流室內壓力模擬值與試驗值的對比。由圖7可知，渦流室內壓力的模擬結果與試驗結果在變化趨勢上基本一致。表2為標定工況下模擬與試驗的排放對比結果，從對比結果可知，模擬計算值比試驗值略低，此模型的計算精度能滿足工程分析要求，可以用來對170F柴油機部分參數的優(yōu)化改進展開研究。

圖7　原機標定工況下渦流室內壓力試驗與模擬結果對比Fig.7　Comparison of swirl chamber pressure between experiment and simulation at rated conditions

表2　排氣污染物計算和試驗結果對比Table 2　Comparison of pollutan

圖8為170F柴油機供油系統優(yōu)化前后的噴油規(guī)律曲線圖，由圖8可知兩者的噴油規(guī)律差異較大，原機噴油持續(xù)期太短，優(yōu)化后噴油持續(xù)期近20°CA，噴油規(guī)律先緩后急，較符合燃燒要求。

圖8　170F柴油機供油系統優(yōu)化前后的噴油規(guī)律Fig.8　Injection laws before and after fuel injection system optimization of 170F diesel engine

為了更直觀地看出噴油規(guī)律的優(yōu)化前后對170F渦流室柴油機性能及排放的影響，仿真模擬了2種噴油規(guī)律下柴油機缸內的燃燒過程。供油系統優(yōu)化前后對170F渦流室柴油機NOX及soot排放的影響如圖9所示。由圖可知，供油系統優(yōu)化后，NOX及soot排放均有改善，NOX排放由原來的616.2×10-6（質量分數）下降為512.9×10-6，soot排放由65.5×10-6下降到36.5×10-6，降幅分別為16.8% 和44.3%。這是因為原機噴油壓力較低，持續(xù)期太短，在著火滯燃期內燃油以較低的噴油壓力噴入渦流室內，油氣混合不均勻，燃燒速度慢，soot排放大幅增長；同時原機初期噴油速率較大，使得滯燃期內的可燃混合氣數量增加，NOX排放惡化；優(yōu)化后，柴油機噴油壓力大幅提升，燃油在一定的持續(xù)時間內以較高壓力噴入渦流室內，燃油霧化較好，油氣混合更均勻，使soot排放大幅降低；前期較低的噴油速率使得著火滯燃期內形成的可燃混合氣數量較少，NOX排放減少；此外改進后的柴油機燃燒過程合理，經濟性改善，循環(huán)噴油量少，燃燒室內總過量空氣系數變大，也有利于soot的減少。因此噴油規(guī)律優(yōu)化后，soot和NOX排放大幅度下降。

圖9　供油系統優(yōu)化前后對渦流室柴油機排放的影響Fig.9　Influence on swirl chamber diesel engine pollutants before and after fuel injection system optimization

3.2噴油油線在渦流室的位置優(yōu)化

如圖3所示，渦流室內噴油油線位置由油束偏離渦流室中心的距離e（簡稱偏離距）及噴油器安裝角度α確定，170F原機偏離距為2 mm，噴油器安裝角為25°，經分析保持噴油器安裝角不變改變偏離距研究柴油機性能及排放的變化。圖10a所示為偏離距對170F渦流室柴油機NOX及soot排放的影響。隨著偏離距的增加，soot排放呈現先減后增現象，NOX排放與soot排放大致呈現trade-off關系。這是因為在渦流室內氣體大致按勢渦規(guī)律運動[23]，氣體流速隨偏離渦流室中心距離的增加先增后減。偏離距在3 mm附近，渦流的氣流速度最大，燃燒速度快，小于3 mm愈靠近燃燒室中心，氣流速度低，燃油被約束在中心不利油氣向外擴散，燃燒速度變慢，NOX減少，中心混合氣濃soot排放增加；當偏離距大于3 mm，NOX和soot排放變化出現轉折，這是由于當偏離距繼續(xù)增大時較多燃油在渦流室壁面形成油膜，形成局部較濃混合氣，此時壁面附近的溫度相對較低，控制燃油的前期氧化，控制放熱率使燃燒柔和，NOX排放較低，然而soot排放增加。綜合考慮柴油機經濟性、排放性能及加工生產要求，選取偏離距為3.2 mm。

圖10　480°CA偏離距和容積比對渦流室柴油機排放的影響Fig.10　Influence of offset distance on swirl chamber diesel engine pollutants at 480°CA

3.3渦流室容積比優(yōu)化

原機170F柴油機渦流室容積比為0.43，壓縮比為22，容積比相對較小，為此通過改變氣缸蓋墊片的厚度及渦流室容積，從而在保持壓縮比不變的前提下，增大容積比，分別取渦流室容積比為0.45、0.47、0.5，模擬標定工況下容積比對170F柴油機性能及排放的影響。

隨著容積比的不斷增大，渦流室內峰值壓力有小幅增加，當容積比為0.5時，渦流室內峰值壓力為5.85 MPa，較優(yōu)化供油系統前的5.74增加1.9%。這是因為隨著容積比的不斷增加，進入到渦流室內的氣體量增加，渦流室內的混合氣濃度變稀，從而使較多的燃油在渦流室內混合燃燒，壓力增大；同時容積比的增大使得氣體流經主、副燃燒室之間的連接通道時節(jié)流損失增加，較大的渦流室容積使得壁面的散熱損失增多，在兩者的雙重影響下，渦流室內的壓力略有增加。

圖10b所示為渦流室容積比對170F柴油機NOX及soot排放的影響，隨著容積比的增大，NOX排放增大，soot排放減少，當容積比由0.43增大到0.5時，NOX排放增加了20.1%；soot排放下降了61.3%，這是因為隨著容積比的增大，進入到渦流室內的空氣變多，渦流室內過量空氣系數增大，較多的氧氣導致NOX排放的生成，同時容積比增大加強了渦流室內的壓縮渦流，渦流室內油氣混合較好，soot排放改善。綜合考慮柴油機動力性、排放性能及起動性能，確定最終渦流室容積比為0.48。

4　試驗結果與分析

在完成170F渦流室柴油機供油系統、燃燒系統優(yōu)化及供油提前角調整試驗后，對其進行3 000 r/min的負荷特性試驗，并與原機進行了對比，對比結果見圖11。從整機優(yōu)化前后的性能試驗對比結果來看，優(yōu)化后整機有效燃油消耗率及排溫均大為改善，其中標定工況的排溫大幅降低，比原機低約100℃，有效燃油消耗率由327.3下降到274.7 g/（kW·h），下降了16.1%左右。從排放對比結果來看，原機標定工況煙度為4.5 BSU，高于國家標準限值4.0 BSU，整機優(yōu)化后煙度為1.2 BSU，較原機下降了約73.3%。其他工況點也有不同幅度的改善；優(yōu)化后標定工況下的NOX排放實測值為395×10-6（體積分數），較原機NOX排放461×10-6下降了14.3%；CO排放從2402×10-6降低到234×10-6，CO的降低充分說明了缸內不完全燃燒得以改善，油氣混合均勻，燃燒更加充分。

圖11　優(yōu)化前后170F柴油機性能試驗對比Fig.11　Comparison of performance test of 170F diesel engine before and after optimization

圖12為外特性上渦流室內峰值壓力優(yōu)化前后的對比結果，由圖12可知，優(yōu)化后3 000 r/min、100%負荷下渦流室內峰值壓力為5.93 MPa，較原機5.72增加3.5%，其他工況均有不同程度上升。整體來看對170F渦流室柴油機噴油系統的改進與燃燒系統參數的優(yōu)化，改善了油氣間的混合及燃燒，渦流室內壓力有一定幅度增加。由于單缸柴油機供油提前角恒定不能隨轉速變化，因此柴油機在全負荷低轉速時，氣缸壓力增大，燃燒的壓力峰值更接近上止點，對標定工況以低排放組織燃燒的柴油機而言，低轉速的NOX會增大，而燃燒效率會提高。

圖12　外特性上整機優(yōu)化前后渦流室內峰值壓力對比Fig.12　Peak pressure comparisons under external characteristics before and after optimization

對改進后的樣機進行了整機排放測試，分別采用五工況和八工況測試循環(huán)試驗。表3為柴油機整機排放和加權燃油耗試驗結果對比，改進后的170F柴油機初次試驗氣體排放均滿足了中國第三階段排放限值。整機優(yōu)化后八工況CO和HC＋NOX分別較原機下降了72.8%和21.3%，加權燃油耗為317.8 g/（kW·h），較原機下降了10.3%，遠遠低于國家強制標準395 g/（kW·h）限值，優(yōu)化后整機綜合性能明顯改善。在后續(xù)工作中通過降低機油耗減少顆粒排放，采用氧化催化劑進一步使整機排放減少，留出柴油機排放劣化數值空間，柴油機能完全達到中國第三階段排放標準要求。

表3　柴油機整機排放和加權燃油耗試驗結果對比Table 3　Test results of 170F diesel engines

5　結　論

1）通過對170F柴油機供油系統結構設計和參數匹配，使標定工況的噴油峰值壓力從17.46增大到25.28 MPa。研究表明：渦流室柴油機供油系統的各結構參數量值應類同于直噴柴油機，依據其單缸排量大小設計確定，并與燃燒系統協同匹配。

2）對于渦流室柴油機，油線偏離距、渦流室容積比等參數改變對NOX和soot排放存在trade-off關系，通過這些參數的最佳匹配設計能優(yōu)化柴油機的排放和其他性能。

3）170F柴油機通過供油、燃燒的優(yōu)化設計和匹配，臺架試驗結果表明整機性能大幅提升，CO、HC＋NOX分別較原機下降了72.8%、21.3%，初次試驗氣體比排放均低于國家第三階段限值要求；標定工況煙度降幅為73.3%，有效燃油消耗率較原機下降16.1%，柴油機綜合性能得到優(yōu)化。

[參考文獻]

[1] 中國內燃機工業(yè)協會，《中國內燃機工業(yè)年鑒》編委會. 中國內燃機工業(yè)年鑒[M]. 上海：上海交通大學出版社，2012：35－36.

[2] 梁鳳標，李德桃，潘劍鋒. 渦流室式柴油機性能的改進和排放的降低[J]. 小型內燃機和摩托車，2001，30（4）：32－35. Liang Fengbiao， Li Detao， Pan Jianfeng， et al. Swirl chamber diesel engine performance improvement and exhaust emission reduction[J]. Small Internal Combustion Engine， 2001， 30（4）: 32－35. （in Chinese with English abstract）

[3] Khalid A. Effect of ambient temperature and oxygen concentration on ignition and combustion process of diesel spray[J]. Asian Journal of Scientific Research， 2013， 6（3）: 434－444.

[4] 尹必峰，黃晨春，劉勝吉. 高性能低排放小型非道路柴油機的開發(fā)[J]. 農業(yè)工程學報，2012，28（5）：32－38. Yin Bifeng， Huang Chenchun， Liu Shengji. Developmentof small off-road diesel with high-performance and lowemission[J]. Transactions of the Chinese Society of AgriculturalEngineering （Transactions of the CSAE）， 2012， 28（5）: 32－38. （in Chinese with English abstract）

[5] Takashi O， Hiroshi S， Mitsugu O， et al. Techniques for higher power density and lower exhaust emissions on non- road in-direct injection diesel engines[C]//SAE Paper， 2007，2007-01- 0021.

[6] GB20891-2014. 非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）[S]. 中國國家環(huán)境保護總局，2014.

[7] Turkcan A， Canakci M. Experimental investigation of combustion characteristics and emissions of an indirect injection diesel engine under different operating conditions[J]. Energy and Fuels， 2009， 23（4）: 1790－1796.

[8] Yoshihiro H， Kiyomi N， Minaji I， et al. Combustion improvement for reducing exhaust emissions in IDI diesel engine[C]// JSAE Review， 1997: 19－31.

[9] Okazaki T， Sugimoto M， Fujii S， et al. Development of small IDI diesel engine using numerical approaches[C]//SAE Paper，2004， 2004-01-0054.

[10] Iwazaki K， Amagai K， Arai M. Improvement of fuel economy of an indirect injection （IDI） diesel engine with two-stage injection[J]. Energy， 2005， 30（4）: 447－459.

[11] Choi G H， Lee J C， Kwon T Y， et al. Combustion characteristics of a swirl chamber type diesel engine[J]. Journal of Mechanical Science and Technology， 2009， 23（12）: 3385－3392.

[12] Kim H G， Ainul G， Kim J D， et al. Study on engine performance of IDI diesel engine fuelled by biodiesels[J]. Journal of Biobased Materials and Bioenergy， 2013， 7（2）: 202－207.

[13] Ashraful A M， Masjuki H H， Kalam M A， et al. Influence of anti-corrosion additive on the performance， emission and engine component wear characteristics of an IDI diesel engine fueled with palm biodiesel[J]. Energy Conversion and Management， 2014（87）: 48－57.

[14] 朱廣圣，林鈞毅，張月林，等. 柴油機渦流室連接通道結構參數對其空氣流動特性影響的研究[J]. 內燃機工程，1998，19（1）：52－57. Zhu Guangsheng， Lin Junyi， Zhang Yuelin， et al. Effect of the connecting passage structural parameters ofthe swirl chamber on air motion in diesel engine[J]. Chinese Internal Combustion Engineering， 1998， 19（1）: 52?57. （in Chinese with English abstract）

[15] 董剛，李德桃，夏興蘭，等. 改善渦流室柴油機燃燒室結構降低排放研究[J]. 燃燒科學與技術，2000，6（1）：85－90. Dong Gang， Li Detao， Xia Xinglan， et al. Studies on combustion chamber improvement for reducing exhaust emissions in swirl chamber diesel engines[J]. Journal of Combustion Science and Technology，2000， 6（1）: 85－90. （in Chinese with English abstract）

[16] 王奪，紀威，周慶輝，等. 渦流室柴油機燃燒過程模擬[J].農業(yè)機械學報,2007，38（7）：49－52. Wang Duo， Ji Wei， Zhou Qinghui， et al. Simulation of combustion process in swirl chamber of diesel engine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2007， 38（7）: 49－52. （in Chinese with English abstract）

[17] 唐智，熊銳，劉芳，等. 發(fā)動機渦流室連接通道對空氣流場影響的模擬研究[J]. 廣東工業(yè)大學學報，2009，26（3）：42－45. Tang Zhi， Xiong Rui， Liu Fang， et al. Simulation of the effects of the connecting passage on air flow field in the swirl chamber [J]. Journal of Guangdong University of Technology，2009， 26（3）: 42－45. （in Chinese with English abstract）

[18] 劉玉梅，袁文華，伏軍，等. 渦流室渦流比對渦流室式柴油機污染物生成影響的數值模擬[J]. 中南大學學報：自然科學版，2014，45（7）：2473－2480. Liu Yumei， Yuan Wenhua， Fu Jun， et al. Numerical simulation on pollutants generation influence from the swirl ratio of swirl chamber in diesel engine with swirl chamber[J]. Journal of Central South University: Science and Technology，2014， 45（7）: 2473－2480. （in Chinese with English abstract）[19] Yuan Wenhua， Ma Yi， Fu Jun， et al. Improvement of swirl chamber structure of swirl-chamber diesel engine based on flow field characteristics[J]. Advances in Mechanical Engineering， 2014: 1－10.

[20] 劉勝吉，孫健，陸存豪，等. 非道路用小缸徑渦流室柴油機的性能與排放[J/OL].內燃機工程， http:// www. cnki.net/ kcms/detail/31.1255.TK.20140325.1438.003.html. Liu Shengji， Sun Jian， Lu Cunhao， et al. Performances and emissions of small non-road swirl chamber diesel engine [J/OL].Chinese Internal Combustion Engine Engineering，http://www.cnki.net/kcms/detail/31.1255.TK.20140325.1438. 003.html. （in Chinese with English abstract）

[21] 劉勝吉，王建，于子東，等. 小缸徑渦流室柴油機用噴油嘴的研究[J]. 農業(yè)工程學報，2003，19（3）：124－127. Liu Shengji， Wang Jian， Yu Zidong， et al. Fuel injection nozzle used on small bore diesel engine with swirl combustion chamber[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE），2003， 19（3）: 124－127. （in Chinese with English abstract）

[22] 高宗英，朱建明. 柴油機燃料供給與調節(jié)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[23] 劉勝吉. 高等內燃機原理[M]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學，2007.

Matching of fuel injection and combustion systems for small swirl chamber diesel engine

Liu Shengji, Xu Kang, Sun Jian, Wang Jian
（School of Automobile ɑnd Trɑffic Engineering, Jiɑngsu University, Zhenjiɑng 212013， Chinɑ）

Abstract:The huge annual output of single-cylinder diesel engines is a major feature of Chinese internal combustion engine industry. In China the amount of these engines with bore diameter below 80 mm accounts for 35% of domestic production. Most of these diesel engines adopt the swirl chamber combustion system. However， with the development of direct-injection process， many problems for these engines occur， such as large smoke emissions at full load， poor performance under low speed and high idle speed， and there are few basic researches on them. Therefore， the research of low-emission high-performance swirl chamber diesel engines contains certain academic significance and practical value. The 170F swirl chamber diesel engine was used as the research prototype， and with the method of experiment and numerical simulation， the fuel injection and combustion systems were analyzed. By the design of new injector， the establishment of simulation model of injection system and the optimization of the injection parameters， the maximum fuel pressure under the rated conditions increased from 18.54 to 25.28 MPa， the initial injection rate reduced and the shape of injection rate was optimized. By the simulation of combustion with the software FIRE， the deviate distance from the injection oil line to the center of the swirl chamber and the best volume ratio were determined. The results showed that when the deviate distance from the injection oil line to the center of the swirl chamber was at 0.33-0.38 R （R is the radius of the swirl chamber）， and the volume ratio was in the range of 0.47-0.50， the mixing and combustion performance would be better. This study showed that in order to achieve the targets of low emissions and high performance， the injection parameters and performances of the swirl chamber diesel engine should be designed and optimized according to its displacement just similar with the direct-injection diesel engine. The test results of 170F swirl chamber diesel engine showed that the brake specific fuel consumption （BSFC） of the original engine under the rated condition （2.6 kW， 3 000 r/min） was 327.3 g/（kW·h） and the smoke was 4.5 BSU. When the long-size short-structure nozzle was used and the fuel injection system was optimized， the BSFC and the smoke decreased to 282.2 g/（kW·h） and 2.0 BSU respectively. After the parameters of the combustion system were matched， the BSFC and the smoke dropped to 274.7 g/（kW·h） and 1.2 BSU respectively. The experimental results showed that the specific emissions of the optimized diesel were lower than the emission standards in Phase Ⅲ in China. Compared with results of the original engine， the CO and HC＋NOXemissions decreased by 70.3% and 20.9% respectively under the 5 conditions. Moreover， the CO and HC＋NOXemissions decreased by 72.8% and 21.3% respectively under the 8 conditions. The BSFC decreased by 16% and the diesel smoke was reduced from 4.5 to 1.2 BSU under the rated condition. The research provides a technology route of energy-saving and emission-reduction for swirl chamber diesel engines.

Keywords:diesel engines; models; optimization; swirl chamber; fuel injection system; combustion system; performance; emission

作者簡介：劉勝吉，男，教授，博士生導師，主要研究方向為中小功率內燃機工作過程研究與性能優(yōu)化。鎮(zhèn)江江蘇大學汽車與交通工程學院，212013。Email：liusj@ujs.edu.cn

基金項目：江蘇高校優(yōu)秀學科建設工程（蘇證辦發(fā)[2015]）；江蘇省重點研發(fā)計劃項目（BE201518）

收稿日期：2015-08-30

修訂日期：2015-12-21

中圖分類號：TK421＋.5

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819（2016）-02-0051-07

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.008