曲興年 周明勝 李遠(yuǎn)臻 李巖

摘要：本文重點研究了不同的燃燒室結(jié)構(gòu)對柴油機(jī)性能和排放的影響。通過ESC試驗循環(huán)和穩(wěn)態(tài)滿載測試確定了滿足要求的燃燒室匹配方案。

Abstract： This paper focuses on the influence of different combustion chamber structure on diesel engine performance and emissions. Through ESC test cycle and steady-state full load test， the combustion chamber matching scheme meeting the requirements is determined.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);燃燒室;排放

Key words： diesel engine;combustion chamber;discharge

中圖分類號：U664.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0028-02

0? 引言

柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化即為燃燒室形狀、燃油噴射、氣流運動三者的一個最優(yōu)匹配。它對柴油與空氣的混合速率和混合質(zhì)量有著直接的影響，進(jìn)而影響柴油機(jī)的燃燒過程[1]。因此，燃燒系統(tǒng)對柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動力性、排放特性起著至關(guān)重要的作用。

1? 燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計

柴油機(jī)燃燒技術(shù)的開發(fā)一直伴隨著燃燒室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，燃燒系統(tǒng)其余參數(shù)的變化都要與其相適應(yīng)的燃燒室結(jié)構(gòu)變化相匹配。因此，燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計是柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)優(yōu)化的首要內(nèi)容。

燃燒室的結(jié)構(gòu)設(shè)計受油束射程，油束噴射角度，進(jìn)氣渦流強度以及燃油的霧化程度等因素的綜合影響。目前，噴油壓力逐漸提高，噴孔數(shù)目和噴射角度也有所增加，這都要求燃燒室深度變淺，直徑也要變大，形狀也由縮口型變?yōu)槌ㄩ_型。故在燃油噴射末期，可以避免油束和燃燒火焰與氣缸壁碰撞，利于碳煙排放的降低。

綜合考慮排放和冷起動性能，同時借鑒以往機(jī)型的開發(fā)經(jīng)驗，壓縮比擬選在17.0～17.5之間。該方案設(shè)計是基于現(xiàn)有的柴油機(jī)活塞上進(jìn)行的，各個燃燒室的具體參數(shù)如表1所示，與1號燃燒室相比，2號燃燒室開口直徑和雙唇直徑增大，凹坑深度減小。

2? 燃燒室優(yōu)化計算分析

使用三維軟件建模，選取B100工況作為計算工況，通過發(fā)動機(jī)臺架試驗獲得柴油機(jī)性能排放數(shù)據(jù)和缸壓曲線，根據(jù)缸壓曲線計算得到缸內(nèi)瞬時和累計放熱率曲線，為三維CFD計算中的缸內(nèi)噴霧、燃燒和排放物生成模型參數(shù)標(biāo)定提供基礎(chǔ)的試驗數(shù)據(jù)。

根據(jù)經(jīng)驗和計算結(jié)果優(yōu)化出6個不同型線的燃燒室（case1、2、3、4、5、6），其型線如圖1所示。

將優(yōu)化的燃燒室與噴油器（選取三組不同流量的噴油器，A1>A2>A3）進(jìn)行正交計算，并繪制ISFC-ISNOX和ISFC-ISPM之間的trade-off關(guān)系圖，如圖2所示。

根據(jù)計算結(jié)果可以看出，大流量噴油器在油耗和PM上均優(yōu)于小流量噴油器，16.3壓縮比燃燒室與A1噴油器組合對于油耗和PM降低效果最明顯，但NOX排放惡化。所以，將16.3壓縮比燃燒室與A1噴油器組合作為首選方案。定義為1號燃燒室。case1與A3小流量噴油器在油耗及排放上降幅較小，作為備選方案。定義為2號燃燒室。

3? 優(yōu)化計算結(jié)果試驗驗證分析

進(jìn)行燃燒室結(jié)構(gòu)對柴油機(jī)性能的影響的試驗時，均采用噴油錐角為148°的8孔噴油器，噴油控制參數(shù)相同，噴油壓力設(shè)為160MPa，并且均為單次噴射。

全負(fù)荷工況下兩者的缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系基本一致。圖3是全負(fù)荷工況下，放熱量為總放熱量50%所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角位置曲線。由圖可知1號燃燒室放熱稍稍早于2號，但不明顯。可能因為是1號燃燒室的徑深比Da/T比2號燃燒室小，油氣混合的質(zhì)量、速度均優(yōu)于2號燃燒室，故燃燒始點稍有提前。

全負(fù)荷工況下，兩種燃燒室對應(yīng)的NOX以及soot排放見圖5和圖6。1號燃燒室和2號燃燒室有關(guān)NOX的排放值基本相同，但是2號燃燒室的soot排放優(yōu)于1號燃燒室，在中高轉(zhuǎn)速時尤其明顯。可能的原因是：2號燃燒室過量空氣系數(shù)較高（圖4），進(jìn)氣流量也略高，有利于缸內(nèi)高溫過濃區(qū)域的減少，從而降低了soot的比排放;同時，2號燃燒室的徑深比Da/T大，有利于soot在新鮮空氣中的氧化。

經(jīng)過以上的對比及分析，1號和2號燃燒室的全負(fù)荷性能基本相同，NOX排放隨轉(zhuǎn)速變化趨勢相差不大，且都處于較低水平。在soot排放方面，2號燃燒室存在一定的優(yōu)勢。

4? 結(jié)論

本章對燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，主要集中在燃燒室結(jié)構(gòu)的設(shè)計，對不同結(jié)構(gòu)的燃燒室進(jìn)行匹配后發(fā)現(xiàn)，1號和2號燃燒室的全負(fù)荷性能相差不大，額定點功率都滿足要求。因為實測壓縮比略有差異，2號燃燒室比油耗略高于1號，但基本滿足要求。全負(fù)荷時，兩者的NOX排放水平相差不大，且都處于較低水平。在soot排放方面，2號燃燒室明顯優(yōu)于1號燃燒室。

參考文獻(xiàn)：

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[3]劉建英.高強化柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化匹配的多維仿真研究[D].北京交通大學(xué)，2007.

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