柏水通，王文勤

(常柴股份有限公司，江蘇常州 213003)

0 引言

柴油機(jī)具有較好的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性，可以與工程機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械以及汽車等配套使用，是車輛的重要?jiǎng)恿υ粗籟1-2]。柴油機(jī)燃燒室對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能起到非常關(guān)鍵的作用，不同形狀的燃燒室有著不同的氣流運(yùn)動(dòng)狀況及燃燒過程，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性能[3-4]。付垚等[5]應(yīng)用可視化方法研究了3種雙層分流燃燒室的燃油混合過程，上層燃燒空間采用凸圓弧底面使燃燒室頂層區(qū)域在較早噴油正時(shí)時(shí)獲得了較好的利用。

實(shí)驗(yàn)研究雖然更加清晰直觀，但具有較高的研發(fā)成本，更多的學(xué)者選擇采用模擬仿真的方法來提高發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期。

張愛中等[6]研究了某非道路國(guó)Ⅳ柴油機(jī)高凸臺(tái)型燃燒室對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)、排放性能的影響。縮口型燃燒室可以形成劇烈的渦旋運(yùn)動(dòng)，加速燃油霧化，提高混合氣質(zhì)量，有利于提升發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能。

紀(jì)霏霏等[7]研究了燃燒室形狀對(duì)柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響，通過改變?nèi)紵业男螤顏韺?shí)現(xiàn)柴油微引燃技術(shù)，提高了天然氣燃料的替代率并減少由于替代率上升所引起的發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的發(fā)生。

本文以475柴油機(jī)為研究對(duì)象，為了優(yōu)化柴油機(jī)燃燒過程，降低油耗及排放，在AVL-FIRE中建立仿真模型，研究不同燃燒室開口形式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，對(duì)475柴油機(jī)的優(yōu)化升級(jí)起到了一定的指導(dǎo)作用。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及模型

1.1 柴油機(jī)參數(shù)

475柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 475柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 模型的建立

由于柴油機(jī)活塞形狀是對(duì)稱的，所以選取燃燒室的一半為樣本，在FIRE軟件的ESE Diesel模塊中建立燃燒室的二維平面模型(如圖1所示)，燃燒室1是直口型，燃燒室2是開口型，燃燒室3是縮口型。

圖1 燃燒室的二維平面模型

1.3 模型選擇

720°為發(fā)動(dòng)機(jī)活塞壓縮上止點(diǎn)，噴油期設(shè)置為曲軸轉(zhuǎn)角712°到732°，噴油持續(xù)角20°。噴霧模型選擇WAVE離散模型(描述噴霧破碎過程)，燃燒模型選擇Turbulence controlled combustion model(預(yù)混和擴(kuò)散燃燒的模型)，NOx的排放選擇Extended Zeldovich模型(擴(kuò)展賽爾多維奇模型)，碳煙排放模型選擇Kinetic Model(動(dòng)力學(xué)模型)。

1.4 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的驗(yàn)證

文中模擬的工況是3 200 r/min，75%負(fù)荷。計(jì)算步長(zhǎng)為0.2°曲軸轉(zhuǎn)角，設(shè)置活塞處溫度為583K，氣缸壁處溫度為413K，燃燒室頂部溫度為553K。壓力為0.101 MPa，溫度為363K，湍流動(dòng)能為30.8 m2/s2，湍流長(zhǎng)度尺寸為0.004 5 m，湍流擴(kuò)散率為6 241.59 m2/s3。

首先將計(jì)算的缸內(nèi)壓力曲線和實(shí)際臺(tái)架測(cè)試的壓力曲線進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)模擬計(jì)算的壓力曲線和實(shí)際測(cè)試的壓力曲線可以較好吻合(如圖2所示)，可以有效保證所建立的計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

圖2 臺(tái)架測(cè)試缸內(nèi)壓力和仿真計(jì)算壓力對(duì)比

2 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 燃燒室形狀對(duì)壓力和溫度的影響

從圖3和圖4中可以清晰地看到，3種燃燒室在不同的曲軸轉(zhuǎn)角下的缸內(nèi)平均壓力和平均溫度的變化曲線大體一致。通過兩圖的對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)3種燃燒室的壓力和溫度均在壓縮上止點(diǎn)后達(dá)到最大值，730°附近平均壓力達(dá)到最大值，740°附近平均溫度達(dá)到最大值。最高壓力點(diǎn)和最高溫度點(diǎn)之間是緩燃期，壓力開始下降，溫度還在上升。712°時(shí)噴油開始，最高溫度點(diǎn)之前732°時(shí)噴油結(jié)束。圖3中氣缸內(nèi)壓力出現(xiàn)了雙峰現(xiàn)象，第一個(gè)最大壓力點(diǎn)是壓縮上止點(diǎn)的壓力，可燃混合氣未燃燒之前的最大壓力點(diǎn)，第二個(gè)最大壓力點(diǎn)是燃燒之后高溫形成的最大壓力爆發(fā)點(diǎn)。平均溫度最高點(diǎn)燃燒室3>燃燒室2>燃燒室1。

圖3 曲軸轉(zhuǎn)角-缸內(nèi)平均壓力圖

圖4 曲軸轉(zhuǎn)角-平均溫度圖

2.2 燃燒室形狀對(duì)排放性能的影響

因?yàn)椴裼蜋C(jī)中最終排放的平均混合氣濃度比較稀(平均過量系數(shù)遠(yuǎn)大于1)，所以柴油機(jī)中排放的CO和HC比汽油機(jī)少。柴油機(jī)最后排放的污染物主要有NOx和碳煙。NOx產(chǎn)生的條件是高溫、富氧和較長(zhǎng)的作用時(shí)間，所以容易產(chǎn)生柴油機(jī)燃燒過程速燃期的稀燃火焰階段和緩燃期的擴(kuò)散燃燒階段。在柴油機(jī)中，高溫和局部混合氣過濃容易形成碳煙，混合氣越濃，碳煙值越大。3種不同燃燒室對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NOX及碳煙排放影響如圖5、圖6及表2所示。

圖5 曲軸轉(zhuǎn)角-平均NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖

圖6 曲軸轉(zhuǎn)角-平均碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖

表2 740°CA時(shí)3種燃燒室溫度和碳煙濃度分布圖

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，燃燒室3中的平均NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，725°CA后NOx生成量快速增加；由圖5和表1可知，平均溫度最高點(diǎn)燃燒室3>燃燒室2>燃燒室1，又因?yàn)镹Ox是在高溫高壓下產(chǎn)生的，所以排放的平均NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)燃燒室3>燃燒室2>燃燒室1，與圖4相吻合。

由圖6可知，各燃燒室中的平均碳煙含量都是先增加后減少，因?yàn)閲娪驮?32°時(shí)結(jié)束，碳煙生成量開始減少；由圖3可知，曲軸轉(zhuǎn)角740°附近時(shí)缸內(nèi)溫度達(dá)到最高，因?yàn)樵诟邷睾突旌蠚膺^濃時(shí)容易生成碳煙，所以在740°附近時(shí)平均碳煙含量最高，與圖5相符，平均碳煙含量燃燒室3<燃燒室1<燃燒室2。

在圖5和圖6中可以看出，碳煙的生成時(shí)期比NOx早，也就是說，碳煙的生成主要是在燃燒初期，但是碳煙的氧化主要是在燃燒中后期。如果在此期間，碳煙的氧化過程好，則排氣門打開后，碳煙的排放量會(huì)減少很多。因此，在燃燒初期合理組織燃燒室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)湍流混合及擴(kuò)散燃燒，可以有效控制碳煙的生成。對(duì)于預(yù)混合階段，要提供足夠的氧氣，控制NOx的生成。從而可知，改進(jìn)燃燒室的結(jié)構(gòu)形式，合理組織燃燒室內(nèi)的氣流流動(dòng)，保證一定的湍流強(qiáng)度，是保證燃燒充分、控制NOx生成量及減少碳煙排放的有利措施。

2.3 燃燒室形狀對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)的影響

圖7為燃燒室的形狀對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的影響。對(duì)比圖中3種不同形狀的燃燒室對(duì)混合氣氣流運(yùn)動(dòng)特性的影響，可以看出，平均湍流動(dòng)能燃燒室3>燃燒室1>燃燒室2。較大的氣體湍流動(dòng)能對(duì)于促進(jìn)缸內(nèi)燃料的擴(kuò)散燃燒是很有利的，同時(shí)還能夠促進(jìn)碳煙的氧化，減少污染物的排放。這個(gè)結(jié)論符合圖6中曲軸轉(zhuǎn)角760°之前碳煙含量燃燒室3<燃燒室2<燃燒室1。燃燒室3是縮口型燃燒室，從湍流強(qiáng)度及其保持性上來看，壓縮比相同，縮口較大的燃燒室，其湍流動(dòng)能及其保持性均為最佳；燃燒室2是開口型燃燒室，其湍流動(dòng)能較其他2種燃燒室結(jié)構(gòu)較小；基于燃燒室1 (直口型)來說，改變?chǔ)匦腿紵业拈_口形狀，使縮口比加大，能夠使燃燒室中的氣流強(qiáng)度增強(qiáng)；燃燒室3的平均湍流動(dòng)能最高，氣流運(yùn)動(dòng)特性最為理想。

圖7 曲軸轉(zhuǎn)角-平均湍流動(dòng)能圖

2.4 燃燒室形狀對(duì)放熱規(guī)律的影響

圖8中的放熱率曲線所示：3種壓縮比相同、形狀不同的燃燒室在備燃階段混合氣形成得都很快，所以如圖8所示，壓縮上止點(diǎn)后，速燃期期間，放熱率曲線峰值達(dá)到最大值，且放熱率曲線峰值點(diǎn)處于壓縮上止點(diǎn)后5°左右。此時(shí)，平均湍流動(dòng)能燃燒室3>燃燒室1>燃燒室2，所以混合氣形成條件是燃燒室3優(yōu)于燃燒室1優(yōu)于燃燒室2。表3中，由曲軸轉(zhuǎn)角723°數(shù)列時(shí)可以看出，燃燒放熱時(shí)刻燃燒室2早于燃燒室1早于燃燒室3，由曲軸轉(zhuǎn)角725°數(shù)列時(shí)反應(yīng)過程變量燃燒室1高于燃燒室2高于燃燒室3，所以燃燒室1的峰值溫度最高。

圖8 曲軸轉(zhuǎn)角-放熱率圖

表3 反應(yīng)過程變量分布圖

從圖8放熱率曲線對(duì)比可知，3種燃燒室結(jié)構(gòu)的放熱情況大體一致，而由圖9得知，累計(jì)放熱量燃燒室3>燃燒室2>燃燒室1，因此燃燒室3(縮口型)的放熱性好，柴油機(jī)性能更好。

圖9 曲軸轉(zhuǎn)角-累計(jì)放熱量圖

3 結(jié)論

3種燃燒室對(duì)缸內(nèi)平均壓力的影響區(qū)別不明顯，縮口型燃燒室相對(duì)于其他2種具有較高的缸內(nèi)平均溫度。

3種不同燃燒室對(duì)排放具有較明顯的影響?？s口型燃燒室NOx排放水平明顯偏高，但是它的碳煙量是最少的。

縮口型燃燒室具有最大的平均湍流動(dòng)能，有利于促進(jìn)擴(kuò)散燃燒，而開口型燃燒室平均湍流動(dòng)能最小。

3種燃燒室的發(fā)動(dòng)機(jī)放熱規(guī)律基本一致，縮口型燃燒室和開口型燃燒室累計(jì)放熱量相當(dāng)，直口型燃燒室累計(jì)放熱量略低。