龔鑫瑞，劉振明，劉楠，黃新源，周磊

(海軍工程大學動力工程學院，湖北 武漢 430033)

基于共軌技術的高強化柴油機是大功率柴油機的發(fā)展方向，隨著柴油機排放法規(guī)的日益嚴格，在柴油機高強化的同時，其排放性能越來越受到重視[1-3]。共軌高強化柴油機爆發(fā)壓力高，噴射油量大，噴油持續(xù)期短，油氣混合困難，燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)對柴油機排放性能有著十分重要的影響。當前國內(nèi)外學者對柴油機燃燒室的研究較多。Gafoor與Gupta[4]研究了渦流比與燃燒室形狀對柴油機性能和排放的影響，發(fā)現(xiàn)較小的燃燒室半徑與外半徑之比會產(chǎn)生較多的NOx。Jafarmadar等[5]研究發(fā)現(xiàn)燃燒室凹坑半徑適當增大能產(chǎn)生較強的渦流和更少的炭煙。趙昌普等[6]對柴油機燃燒室的分析中表明，凹坑深度較大的縮口燃燒室能產(chǎn)生較強的渦流，從而改善了燃燒。段浩等[7]研究發(fā)現(xiàn)減小縮口尺寸可以增大缸內(nèi)動能，有利于油氣混合。李石彪等[8]設計了不同縮口率和徑深比的燃燒室，研究發(fā)現(xiàn)較小的徑深比、較大的縮口率有利于減少NOx排放，但不利于Soot的氧化。焦運景[9]等關于不同燃燒室結(jié)構(gòu)對缸內(nèi)流動和排放的影響的研究表明，徑深比過大時，燃油霧化良好，局部溫升較快，導致NOx生成量較多。

已有的研究中，大都分析的是燃燒室形狀，沒有系統(tǒng)地研究燃燒室組成的各結(jié)構(gòu)參數(shù)對排放性能的影響規(guī)律，并且關于共軌高強化柴油機的研究也較少。本研究以某型大功率高速柴油機為研究對象，建立三維仿真模型并驗證，在此基礎上分析了燃燒室口徑比、敞口角、上止點間隙、上止點間隙與碗底圓弧半徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對排放性能的影響，并進行了靈敏度分析，為共軌高強化柴油機的合理優(yōu)化設計提供一定依據(jù)。

1 模型建立及驗證

1.1 燃燒室建模

表1示出柴油機的主要技術參數(shù)。柴油機燃燒室的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中r1表示氣缸半徑；r2表示活塞碗口半徑，燃燒室口徑比α=r2/r1；H表示TDC(上止點)間隙，即凸臺頂點到缸蓋平面的距離；R為燃燒室碗底圓弧半徑；φ為燃燒室敞口角。

表1 柴油機主要技術參數(shù)

圖1 燃燒室結(jié)構(gòu)示意

通過三維建模軟件生成燃燒室模型的STL文件并導入Converge，軟件會自動生成高質(zhì)量的正交網(wǎng)格，模型的基本網(wǎng)格邊長為2 mm，與此同時可以根據(jù)指定流場變量的梯度自動加密網(wǎng)格，最大網(wǎng)格數(shù)在270 000左右。由于噴孔孔數(shù)為8，選取了整個燃燒室的1/8(45°扇形域)進行仿真，以節(jié)約計算時間。模型外側(cè)設置了補償容積來確保壓縮比不變。圖2示出實際計算中18°曲軸轉(zhuǎn)角時的網(wǎng)格分布。

圖2 18°曲軸轉(zhuǎn)角時實際計算網(wǎng)格

1.2 物化模型與邊界條件

柴油機燃燒室內(nèi)初始的壓力、溫度等對于燃燒室中的油氣混合與燃燒有著十分重要的影響。在計算過程中，選取的相關初始邊界條件如表2所示，壓縮沖程的上止點為0°曲軸轉(zhuǎn)角，仿真計算區(qū)間為IVC(進氣門關)-160°曲軸轉(zhuǎn)角至EVO(排氣門開)113°曲軸轉(zhuǎn)角。本研究柴油機采用的是直進氣道，且氣道穩(wěn)流試驗測得的進氣渦流較低，所以未對進氣渦流進行分析。

表2 仿真邊界條件

在滿足相關守恒方程的同時，Converge針對內(nèi)燃機工作過程自帶有湍流模型、碰撞模型、燃燒模型、排放模型等。計算所采用的是RNG κ-ε湍流模型和KH-RT破碎模型；在Converge中碰撞聚合模型有NTC模型和O’Rourke碰撞聚合模型兩種，NTC模型有著較快的計算速度和準確性，因此，本次計算采用NTC模型；采用了SAGE詳細化學動力學模型，由于實際柴油成分復雜，目前數(shù)值模擬計算多采用多組分或單組分簡化的化學動力學模型替代柴油的化學動力學模型，本次計算用正庚烷單組分替代柴油的燃燒過程，機理反應為47組分、167個基元反應；排放模型選擇應用較為廣泛的Zeldovich機理預測NOx排放，采用Hiroyasu提出的Soot生成模型預測Soot排放。

1.3 模型的驗證

圖3示出了噴霧標定后，100%負荷下原機試驗缸壓與仿真值的對比結(jié)果。試驗與仿真的缸壓峰值分別為219.68 MPa，219.97 MPa，二者的誤差為0.13%。試驗缸壓與仿真的結(jié)果有較好的吻合效果，證明了用該模型進行仿真計算的合理可靠性。

圖3 缸壓曲線的仿真值與試驗值對比

2 計算結(jié)果及分析

2.1 研究方法

燃燒室各結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值如表3所示，其中原機燃燒室結(jié)構(gòu)分別為口徑比0.78、敞口角60°、上止點間隙8 mm、碗底圓弧半徑13 mm。采用控制變量法依次研究了100%負荷下燃燒室口徑比、敞口角、上止點間隙和碗底圓弧半徑對柴油機排放性能的影響規(guī)律。

表3 燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1口徑比的影響

不同口徑比下的排放如圖4所示，圖中縱坐標為消耗1 kg燃油所產(chǎn)生的Soot與NOx的排放量。由圖可見，Soot與NOx的排放隨著口徑比增大呈上升趨勢。

圖4 不同口徑比下的Soot與NOx排放

圖5示出18°ATDC時不同口徑比燃燒室噴霧與壁面相互作用產(chǎn)生的速度場、溫度場以及2°ATDC時的當量比分布?？趶奖容^小時燃燒室產(chǎn)生了較強的氣流運動和速度場，擠流動能較高，隨著口徑比增大，噴霧到壁面的距離相對變遠，噴霧撞壁的動能相對減小，燃燒室中擠流逐漸減弱，使得燃油與空氣混合變差，不利于燃燒，所以溫度場高溫區(qū)域減少，這一因素會使NOx減少。但是高溫只是NOx形成的一個必要條件，NOx生成還受到氧氣含量以及高溫環(huán)境下反應持續(xù)時間的影響。從另一個角度看，由于氣流運動減弱，油氣混合變差，空氣未被充分利用，導致局部空氣(氧氣)含量增加，燃燒持續(xù)期變長，這卻會使得生成的NOx增多。綜合所有因素，隨著口徑比變大，生成的NOx增多，這也就說明該燃燒室由于口徑比不同造成的缸內(nèi)局部氧氣含量以及N，O高溫環(huán)境下的反應持續(xù)時間的變化比高溫區(qū)域變化對NOx生成影響更大。同時，隨著口徑比增大，油霧撞壁動能減小，在凹坑壁面附近形成的油霧會相對變厚，局部燃空當量比升高，導致了Soot排放隨著口徑比增大而升高。但是口徑比從0.80變?yōu)?.82時，Soot排放略有下降，是因為隨著口徑比增大，燃燒室平均溫度升高(表4示出了相關燃燒室的平均溫度)，導致燃料蒸發(fā)速度加快，縮短了滯燃期，Soot的后氧化速率也有一定提高，此時缸溫變化使得Soot排放有所減少。

表4 不同口徑比燃燒室的平均溫度 K

2.2.2敞口角的影響

圖6示出敞口角對排放的影響。由圖可見，隨著敞口角的增大，Soot排放量減小，NOx的排放量也呈減小趨勢。

圖6 不同敞口角下的Soot與NOx排放

圖7示出18°ATDC時不同敞口角燃燒室的速度場、溫度場以及2°ATDC時的當量比分布。結(jié)合速度場與當量比分布可見，噴霧撞壁后的擠流作用隨著敞口角的增大而增強，使得燃油與空氣的混合更充分，并且更大的敞口角會使得燃燒室側(cè)壁更傾向于豎直，不利于噴霧與壁面接觸后產(chǎn)生的油膜附著在側(cè)壁，使得凹坑側(cè)壁的局部燃空當量比相對減小，所以導致了Soot的排放減少。敞口角越大，擠流作用越強，缸內(nèi)油氣混合更充分，有利于改善燃燒，這是NOx排放減少的重要原因；但另一方面，從溫度場的變化來看，燃燒室上邊緣區(qū)域以及凹坑附近的高溫區(qū)域隨敞口角增加而變大，高溫環(huán)境的增加有利于NOx的生成，幾方面因素共同作用最終導致了NOx排放呈減小趨勢，說明敞口角的變化導致的缸內(nèi)油氣混合質(zhì)量的差別是影響NOx排放的主要原因。

圖7 不同敞口角燃燒室的速度場、溫度場和當量比分布

2.2.3上止點間隙的影響

圖8示出了上止點間隙對 Soot和NOx排放的影響。由圖可見，隨著上止點間隙的增大，Soot排放值略有下降，NOx排放呈上升趨勢。

圖8 不同上止點間隙下的Soot與NOx排放

圖9示出18°ATDC時燃燒室不同上止點間隙對應的速度場、溫度場以及2°ATDC時的當量比分布。其中，速度場變化很小，說明上止點間隙對燃油與空氣混合的影響不大，同時溫度場的變化也很小，從側(cè)面反映出上止點間隙對燃燒的影響相對較小。但從當量比的比較中可知，上止點間隙越大，凸臺中心附近的空間越大，在其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變情況下，燃燒室空間相對增大，可以容納更多空氣，略微減小了燃空當量比，所以Soot排放隨著上止點間隙的增大略有下降。從溫度場不難看出高溫區(qū)域有所增大，同時由于燃燒室空間的相對增大，空(氧)氣含量增多，導致了NOx排放增加。

圖9 不同上止點間隙燃燒室的速度場、溫度場和當量比分布

2.2.4碗底圓弧半徑的影響

對于不同碗底圓弧半徑的燃燒室，Soot排放變化很小，隨著碗底圓弧半徑的增大先略微減小后又增大，NOx排放則是先減小后增大再減小(見圖10)。

圖10 不同碗底圓弧半徑下的Soot與NOx排放

圖11示出18°ATDC時不同敞口角燃燒室的速度場、溫度場以及2°ATDC時的當量比分布。隨著碗底圓弧半徑的增大，一方面使得凹坑的面積增大，擠流增強，與壁面的換熱增多，導致了NOx排放減少，另一方面由于氣流運動的增強，在燃燒室邊緣的高溫區(qū)域變大，有利于NOx生成，所以NOx排放隨著碗底圓弧半徑變化沒有明顯的規(guī)律。

圖11 不同碗底圓弧半徑燃燒室的速度場、溫度場和當量比分布

3 靈敏度分析

對樣本數(shù)據(jù)進行擬合，作各結(jié)構(gòu)參數(shù)關于柴油機性能的Pareto圖。Pareto圖反映的是樣本擬合后模型中的參數(shù)對每個輸出的貢獻程度百分比，可直觀看出影響輸出結(jié)果的主要因素。

圖12示出柴油機的Soot，NOx排放性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度分析的Pareto圖。敞口角對Soot排放的貢獻程度百分比為74.46%，是影響其排放的關鍵參數(shù)；口徑比、敞口角的變化對NOx排放有很大影響,影響程度分別為40.62%和25.52%，其中口徑比影響最大。燃燒室的上止點間隙對Soot，NOx排放的影響均相對較小，在燃燒室優(yōu)化設計中可以作為次要因素，保證噴油器與燃燒室有安全距離即可。

圖12 燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)對柴油機排放性能影響的Pareto圖

4 結(jié)論

a) 柴油機燃燒室的結(jié)構(gòu)參數(shù)改變了缸內(nèi)流場運動，影響了空氣和燃油的混合，進而決定了柴油機的相關排放性能；Soot，NOx的排放與燃燒室口徑比有明顯的正相關趨勢；Soot，NOx的排放隨著敞口角增大主要呈下降趨勢；

b) 基于靈敏度分析可知，口徑比是影響柴油機NOx排放的最主要因素，影響Soot排放的關鍵參數(shù)是燃燒室的敞口角，上止點間隙對Soot，NOx排放的影響很小。