小缸徑柴油機(jī)燃燒室新方案

【日】 K.Nishida　T.Ogawa　T.HashizumeS.Ishiyama　R.Hasegawa

工作過程

小缸徑柴油機(jī)燃燒室新方案

【日】 K.NishidaT.OgawaT.HashizumeS.IshiyamaR.Hasegawa

小缸徑柴油機(jī)通常采用2氣門缸蓋和噴油器非中心布置的形式，以擴(kuò)展氣道的流通面積。與缸徑相當(dāng)?shù)牟捎?氣門、噴油器中心布置的氣缸蓋相比，這種噴油器非中心布置會產(chǎn)生不對稱的氣體流動和燃油分布，從而導(dǎo)致糟糕的熱損失和不太均勻的燃-空混合氣。介紹通過改進(jìn)活塞頂燃燒室的幾何形狀來實現(xiàn)更均勻的氣體流動和燃-空混合氣。新方案燃燒室與原有的活塞燃燒室相比，能使燃油消耗減少2.5%，同時還能使氮氧化物排放量減少10%左右。

燃燒室熱損失淺凹坑高負(fù)荷

0　前言

為了有助于解決諸如全球變暖和污染等環(huán)境問題，以及減輕人們對能源缺乏的憂慮，汽車制造商正面臨著開發(fā)出燃油耗更少和有害氣體排放更低的汽車的挑戰(zhàn)。采用高效率柴油機(jī)是減少乘用車燃油耗的1種有效途徑［1］。然而，由于柴油機(jī)需要采用昂貴的燃油噴射和后處理系統(tǒng)，來滿足更清潔排放的要求，因此，系統(tǒng)的成本是阻礙這種發(fā)動機(jī)被廣泛應(yīng)用的因素之一［2-4］。由于小排量（即小缸徑）柴油機(jī)質(zhì)量相對較輕，易于安裝，因而頗受歡迎。這種發(fā)動機(jī)有助于實現(xiàn)更高的燃油耗收益。然而，小缸徑柴油機(jī)通常采用1個進(jìn)氣門和1個排氣門的設(shè)計，以擴(kuò)大進(jìn)氣道的流通面積（即采用2氣門缸蓋設(shè)計）和噴油器非中心布置。這種設(shè)計會對氣缸內(nèi)氣體流動和燃油分布產(chǎn)生不利影響，從而使得燃燒的改進(jìn)更難以實現(xiàn)。此外，小缸徑柴油機(jī)較大的氣缸內(nèi)表面積和容積意味著燃油噴束的貫穿距離相對較大。結(jié)果是，燃燒區(qū)靠近缸壁，從而導(dǎo)致冷卻損失要比大缸徑柴油機(jī)的高（圖1）。

本文介紹的研究旨在開發(fā)1種能同時降低冷卻損失和提高小排量柴油機(jī)氣缸內(nèi)混合氣分布均勻性的新燃燒室方案，以幫助改善燃油消耗，且不降低發(fā)動機(jī)性能。

1　通過擴(kuò)大燃燒室直徑減少冷卻損失

冷卻損失（熱通量）由以下公式計算

式中，α是傳熱系數(shù)，ΔT是燃燒氣體與壁面之間的溫度差。這表明冷卻損失隨傳熱系數(shù)線性降低，因而可以通過限制近壁面的流速和燃燒氣體與壁面之間的溫度梯度來降低冷卻損失。

為了實現(xiàn)上述2個目標(biāo)，采用了1種大直徑淺凹坑的燃燒室形狀。如圖2所示，該設(shè)計減少了燃燒室內(nèi)的渦流速度和擠流速度。此外，較大的直徑確保了噴油嘴與燃燒室壁之間有適當(dāng)?shù)木嚯x。保持高溫燃?xì)饨徊竭h(yuǎn)離壁面也有助于減少與壁面的溫度差。

2　試驗發(fā)動機(jī)

表1所示為試驗發(fā)動機(jī)的規(guī)格。首先，采用1臺缸徑、行程和氣道渦流比與多缸發(fā)動機(jī)相同的單缸機(jī)，對3種不同燃燒室的燃燒特性進(jìn)行試驗研究。然后，在1臺多缸發(fā)動機(jī)上安裝新方案活塞來驗證燃燒效果。圖3所示為多缸發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)布置。這款發(fā)動機(jī)以目前歐洲汽車采用的豐田汽車公司1.34 L 1ND發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ)。為了進(jìn)行這些試驗，更改了活塞頂燃燒室的幾何形狀和廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)。利用AVL 450噪聲儀測得的氣缸內(nèi)壓力計算燃燒噪聲，使用AVL 415煙度計測量排氣煙度，由公式（2）～（5）計算能量損失。首先，通過定容度（DCV）計算排氣損失；然后，由燃油化學(xué)能減去指示功、排氣損失和未燃損失計算冷卻損失。

表1　發(fā)動機(jī)主要規(guī)格

式中，Qex是排氣損失，η是循環(huán)效率，ηth是理論效率，ε是壓縮比，κ是比熱比，DCV是定容度，Qcooling是冷卻損失，Qfuel是燃油能量，Wi是指示功，Qunburn是由總碳?xì)洌═HC）、CO和煙度排放量計算而得的未燃燒損失。

3　大直徑燃燒室的效果

圖4對傳統(tǒng)深凹坑燃燒室和推薦的淺凹坑燃燒室在低負(fù)荷（IMEP 260 kPa）時的單缸機(jī)測量結(jié)果（污染物排放、冷卻損失、氣缸壓力和放熱率曲線）進(jìn)行了比較。由于冷卻損失降低了8%，淺凹坑燃燒室的指示比油耗比常規(guī)燃燒室的低1.2%。這是由于燃燒室凹坑內(nèi)渦流速度和擠氣速度較低，導(dǎo)致傳熱系數(shù)降低而得以實現(xiàn)。圖5比較了高負(fù)荷（IMEP 1 000 kPa）下的相同結(jié)果。與低負(fù)荷情況類似，冷卻損失降低了6%，指示比油耗減少了0.9%，然而，煙度增加了0.3 FSN。為了查明煙度排放惡化的原因，通過傳統(tǒng)深凹坑燃燒室和淺凹坑燃燒室的三維計算流體動力學(xué)（3D-CFD）計算對氣缸內(nèi)當(dāng)量比分布進(jìn)行了分析。從圖6結(jié)果可以清楚地看出，與淺凹坑燃燒室相比，深凹坑燃燒室中初始混合氣的擴(kuò)散更好，并能通過逆擠流作用排出燃燒室。淺凹坑燃燒室的當(dāng)量比相對較大是造成上述差異的原因。這是導(dǎo)致淺凹坑燃燒室在高負(fù)荷時煙度排放增加的關(guān)鍵因素。

這些結(jié)果證實，盡管簡單地采用淺凹坑燃燒室能依靠降低冷卻損失來降低燃油耗，但是它難以同時確保適當(dāng)?shù)幕旌蠚鈹U(kuò)散。

4　通過限制氣流速度促進(jìn)混合氣擴(kuò)散

通過限制氣流速度促進(jìn)混合氣形成的1種減小噴孔直徑并增加噴孔數(shù)的方法［5-6］。然而，在小排量柴油機(jī)上采用這種方法會產(chǎn)生因液流速度較低而導(dǎo)致沉積物阻塞噴嘴孔的風(fēng)險。因此，開發(fā)了1種能促進(jìn)小排量柴油機(jī)更好地形成混合氣的不同方法。為了促進(jìn)混合氣擴(kuò)散，同時通過限制氣缸內(nèi)流速降低冷卻損失，設(shè)計了新的燃燒室。圖7和圖8所示分別為常規(guī)燃燒室和設(shè)計燃燒室。新方案燃燒室有1個與無唇口淺凹坑相連的斜坡。燃燒室凹坑從氣缸中心向右偏移，其偏置量與噴油器的偏置量保持一致。斜坡表面相對于燃燒室凹坑向左偏置。這種設(shè)計是為了使淺凹坑燃燒室中的富油混合氣快速擴(kuò)散到燃燒室外部。燃燒室和凹坑中心與斜坡表面彼此偏移，以使它在圖中左邊擠流區(qū)的斜度達(dá)到最大。與常規(guī)的深凹坑燃燒室相比，這具有抑制擠流的作用。它還能使混合氣沿斜坡表面向含有殘余空氣的大容積擠流區(qū)擴(kuò)散，從而增加了空氣利用率。此外，去除燃燒室唇口能減少低負(fù)荷時因燃燒室唇口沉積燃油而造成THC排放，因此，假設(shè)不會增加THC排放，新方案燃燒室能使壓縮比從16.9下降到16.4。此外，降低壓縮比能使氣缸內(nèi)氣體密度降低，因而能進(jìn)一步促進(jìn)混合氣的擴(kuò)散。

采用1臺高速照相機(jī)從單缸發(fā)動機(jī)的側(cè)面觀測了斜坡對混合氣擴(kuò)散的影響。圖9為觀測到的結(jié)果。在傳統(tǒng)縮口型燃燒室的情況下，燃燒室凹坑中產(chǎn)生發(fā)光火焰后，在混合氣燃燒后期會隨著強(qiáng)烈的逆擠流擴(kuò)散到燃燒室凹坑的外部。這種混合氣狀態(tài)會增加冷卻損失，因為強(qiáng)烈的逆擠流會導(dǎo)致較高的氣流速度。相反，在有斜坡的燃燒室中，發(fā)光火焰從燃燒開始就沿著斜坡表面擴(kuò)散到燃燒室凹坑外部。斜坡形狀可以使混合氣在無強(qiáng)烈逆擠流的情況下擴(kuò)散，這樣就能減少冷卻損失。

圖10是新方案燃燒室在低負(fù)荷下（IMEP 260 kPa）的污染物排放、燃油耗、冷卻損失、氣缸壓力和放熱率隨時間變化的測量結(jié)果。盡管壓縮比較低，但新方案燃燒室減少了未燃THC的排放量。這是因為加大燃燒室直徑和去除唇口能抑制燃油在凹坑內(nèi)沉積。這樣的設(shè)計與簡單的淺凹坑設(shè)計相比，在減少冷卻損失方面更為有效。因此，由于冷卻損失減少了23%，該設(shè)計能使有效比油耗減少約4.5%。圖11顯示了氣缸內(nèi)氣體流速的3D-CFD分析結(jié)果。傳統(tǒng)縮口形燃燒室會在左側(cè)產(chǎn)生圍繞唇口朝向擠流區(qū)的強(qiáng)烈逆擠流。與此相反，在新方案燃燒室的這個位置上，較大的斜坡限制了氣體流速。這種氣體流速的減少降低了傳熱系數(shù)，進(jìn)而減少了冷卻損失。

圖12所示為高負(fù)荷（IMEP 1 000 kPa）下的結(jié)果。采用新方案燃燒室后能使簡單淺凹坑燃燒室的煙度排放得以降低。圖13顯示了該工況下的氣缸內(nèi)當(dāng)量比分布的3D-CFD分析結(jié)果。在常規(guī)的深凹坑燃燒室中，燃油不能擴(kuò)散到圖左側(cè)的擠流區(qū)域。另一方面，新方案燃燒室中則能使燃油沿著斜坡擴(kuò)散到該區(qū)域，因而能提高氣缸內(nèi)空氣的利用率，并能降低煙度。因為它具有與低負(fù)荷下相同的減少冷卻損失的效果，所以指示比油耗下降了2%。因此，限制氣體流動速度也有助于減少高負(fù)荷下的傳熱系數(shù)。

5　多缸發(fā)動機(jī)驗證效果

為了驗證新方案燃燒室在單缸發(fā)動機(jī)上取得的效果，用1臺4缸發(fā)動機(jī)在部分負(fù)荷和全負(fù)荷工況下評定了這種新方案燃燒室的性能，發(fā)動機(jī)的規(guī)格和結(jié)構(gòu)布置分別如表1和圖3所示［7-8］。該發(fā)動機(jī)在新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）的8個部分負(fù)荷和3個全負(fù)荷工況點進(jìn)行了試驗運(yùn)行（圖14）。

圖15示出了在NEDC運(yùn)行范圍內(nèi)總污染物排放和燃油耗的結(jié)果。新方案燃燒室使燃油耗降低了2.5%，NOx排放減少了10%。圖16、圖17和圖18顯示了全負(fù)荷工況下的結(jié)果。在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)（1 200 r/min），新方案使扭矩提高了1 N·m，燃油耗改善了3.7%。這是由于減少了未燃損失，以及冷卻損失而得以實現(xiàn)的。在中等轉(zhuǎn)速區(qū)域（2 000 r/min）也同樣實現(xiàn)了扭矩增加1 N·m。不過，在發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速區(qū)（3 600 r/min），由于噴射條件與傳統(tǒng)燃燒室的相同而使排氣溫度有所升高，因而輸出功率下降了0.7 kW。這是由于限制氣流速度而導(dǎo)致燃燒持續(xù)期延長的緣故。因此，在相同的條件下添加了時間間隔較短的后噴射，它能縮短燃燒持續(xù)時間，從而降低排氣溫度，減少排煙。其結(jié)果使新方案的功率比傳統(tǒng)燃燒室相比提高了大約1 kW。在常規(guī)燃燒室中，不能采用后噴射，因為它會導(dǎo)致較高的煙度排放。新方案燃燒室有后噴與常規(guī)燃燒室無后噴產(chǎn)生的差異原因是氣缸內(nèi)燃油分布的差異（圖13）。在常規(guī)燃燒室中，燃燒凹坑中有很多燃油，因此后噴射燃油很容易干擾主噴射，而新方案燃燒室則將燃油散布整個氣缸內(nèi)。

6　結(jié)語

此項研究的目的是減少小缸徑（缸徑73 mm）柴油機(jī)的冷卻損失和排氣煙度。試驗測量和3D-CFD分析研究后獲得以下結(jié)果：（1）擴(kuò)大燃燒室的直徑以減少渦流和擠流，降低冷卻損失，并能降低燃油耗1%。然而，這樣做的后果是降低了氣體流速和限制了燃燒室內(nèi)的混合氣擴(kuò)散。特別是在高負(fù)荷下混合氣擴(kuò)散會惡化，從而導(dǎo)致較高的煙度。（2）這種活塞頂部無唇口和有斜坡的燃燒室新方案，以及低壓縮比，可以通過限制氣流速度來減少冷卻損失，同時還能通過促進(jìn)混合氣擴(kuò)散來減少煙度排放。（3）這種新方案燃燒室已被引入1臺4缸柴油機(jī)。試驗表明，這臺發(fā)動機(jī)在整個NEDC運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)，能使油耗降低2.5%，同時能使NOx排放減少10%。

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閆紅梅余洪峰譯自SAE Paper 2015-01-0788

朱炳全校對

虞展編輯

2015-08-19）