ZS1100M柴油機雙ω型燃燒系統(tǒng)的試驗研究

魏勝利,盧泓坤,冷先銀,梁昱,陳良,王飛虎

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院,江蘇鎮(zhèn)江212013;2.江蘇大學能源研究院,江蘇鎮(zhèn)江212013; 3.貴陽學院機械工程學院,貴州貴陽550005)

ZS1100M柴油機雙ω型燃燒系統(tǒng)的試驗研究

魏勝利1,盧泓坤1,冷先銀2,梁昱3,陳良1,王飛虎1

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院,江蘇鎮(zhèn)江212013;2.江蘇大學能源研究院,江蘇鎮(zhèn)江212013; 3.貴陽學院機械工程學院,貴州貴陽550005)

為了改善柴油機噴霧空間分布,提高缸內(nèi)空氣利用率,加強燃燒室內(nèi)的氣流運動,提出了帶雙ω燃燒室的燃燒系統(tǒng),并在ZS1100M型柴油機上進行了初步性能試驗。研究結(jié)果表明:雙ω燃燒室的幾何形狀對柴油機燃燒系統(tǒng)的油耗與排放性能有較大的影響。在額定工況下,57型燃燒室方案的油耗與碳煙排放最低;65型燃燒室方案的NOχ排放與原機相比基本不變,油耗卻降低了2.2%,碳煙排放降低了8.3%.在額定轉(zhuǎn)速下,65型燃燒室的油嘴突出高度在2.6 mm時油耗與碳煙排放性能最優(yōu)。在轉(zhuǎn)速1 500 r/min下,采用雙排噴孔的各方案在中小負荷時油耗均比采用單排噴孔的原機方案要低;適當增加上排噴孔數(shù),減小雙ω燃燒室的喉口直徑能進一步降低油耗。

動力機械工程;ZS1100M柴油機;雙ω型燃燒室;雙排噴孔;試驗研究

DOI:10.3969/j.issn.1000-1093.2016.01.003

0 引言

對直噴式柴油機而言,油、氣、室三者的合理匹配是決定燃燒過程好壞的關(guān)鍵因素[1]。燃燒室形狀對柴油機缸內(nèi)氣流運動、混合氣的形成和燃燒具有重要影響[2-3]。因此改進燃燒室的幾何形狀,設(shè)計與燃燒室形狀相匹配的噴孔分布,有效利用進氣渦流在燃燒室內(nèi)形成擠流和湍流,對改善混合氣形成、優(yōu)化燃燒過程、降低有害物排放具有重要意義[4-5]。

通過前期進行的數(shù)值模擬研究[6-7],設(shè)計并加工了帶雙ω型燃燒室的活塞和具有雙排噴孔的噴油嘴,在一臺非道路用ZS1100M柴油機上開展了雙ω燃燒系統(tǒng)的臺架試驗研究,分析了不同雙ω型燃燒室與不同雙排噴孔分布情況對該機油耗與排放性能的影響。

1 雙ω燃燒系統(tǒng)的提出

柴油機的燃燒室結(jié)構(gòu)要有利于燃油迅速擴散到燃燒室頂部區(qū)域,從而與空氣快速混合加速燃燒。為在較低成本下,采用較為簡單的技術(shù),合理組織氣流運動,使油氣能在燃燒室空間內(nèi)迅速混合,促進燃燒[8-9]。在保持壓縮比不變的條件下,本文提出了一種雙ω型燃燒室及雙排噴孔燃燒系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic diagram of combustion system structure

新的燃燒系統(tǒng)的核心思想為:通過在燃燒室壁面上設(shè)置一個凸脊,將燃燒室分為ω形的上、下兩個環(huán)形區(qū)域,分別為上側(cè)的A區(qū)和下側(cè)的B區(qū)。燃燒室壁面上的凸脊能強化A區(qū)與B區(qū)間的氣流擾動。在上止點前,隨著活塞上行,缸內(nèi)的氣流運動以擠流和湍流為主,氣流由A區(qū)逐漸向B區(qū)運動,由于B區(qū)的空間半徑較小,在其中會形成較強的擠流運動,有助于B區(qū)中油氣混合。上止點后,活塞下行,在逆擠流和燃燒渦流的作用下B區(qū)的氣流向外流到A區(qū)空間,進一步加快了A區(qū)空間內(nèi)油氣混合,促進了燃燒。根據(jù)新型燃燒室的形狀特點,從匹配雙ω燃燒室結(jié)構(gòu)的角度出發(fā),優(yōu)化設(shè)計了一個具有雙排噴孔且兩排噴孔夾角不同的噴射系統(tǒng)。噴孔交錯布置的雙排噴孔油嘴具有更好的燃油空間分布特性,通過改變雙排噴孔噴油器孔數(shù)、孔徑、孔分布,可使燃油在軸向上的分布更靈活,使上下兩排噴孔中的油束各自噴向所設(shè)計燃燒室的A區(qū)與B區(qū)中,以提高空氣利用率,增強油氣混合,促進燃燒。

2 試驗裝置及試驗方案

試驗選用ZS1100M柴油機,該機為臥式單缸、四沖程、自然吸氣、強制水冷直噴柴油機。其主要技術(shù)參數(shù)如下:缸徑×行程為100 mm×115 mm,氣缸工作容積為0.903 L,壓縮比為17.5,標定功率為12.13 kW(1 h),標定轉(zhuǎn)速為2 200 r/min,最大扭矩為58.9 N·m,最大扭矩時轉(zhuǎn)速為1 500 r/min.試驗機型采用側(cè)置式短螺旋進氣道,測得Ricardo渦流比為2.55.流量系數(shù)為0.294.圖2所示為雙ω燃燒系統(tǒng)下的發(fā)動機臺架試驗現(xiàn)場,試驗中的測試儀器主要包括燃燒分析儀、氣體分析儀、煙度計及油耗儀等。

圖2 臺架試驗現(xiàn)場Fig.2 Test site of engine bench

通過與原機對比,試驗主要研究了不同幾何形狀下雙ω燃燒室、油嘴突出高度、不同雙排噴孔分布及其組合下油耗和排放特性。

圖3為在壓縮比不變的條件下試驗使用的雙ω燃燒室形狀簡圖。新設(shè)計的3種不同喉口直徑的雙ω燃燒室,喉口直徑分別取57 mm、65 mm、72 mm,分別稱之為57型、65型、72型燃燒室方案。其中57型與65型呈縮口,72型呈開口。原機為傳統(tǒng)的直口ω型燃燒室,喉口直徑為57 mm,稱之原機燃燒室方案。圖4為試驗中采用的4種不同形狀燃燒室的活塞實物圖。

圖3 不同幾何形狀燃燒室輪廓線Fig.3 Geometric shapes of different double ω combustion chambers

圖4 不同幾何形狀燃燒室的活塞Fig.4 Pistons with different combustion chambers

圖5 單排噴孔與雙排噴孔實物圖Fig.5 Photos of single-row and double-row nozzle holes

圖5為試驗中采用的原機噴嘴單排噴孔與新型噴嘴雙排噴孔的局部放大實物圖。原機噴嘴參數(shù)孔數(shù)×孔徑為4個×0.32 mm,噴油夾角150°.在保持噴孔總流通面積與原機0.322 mm2基本相等情況下,通過改變孔徑及分布形式,設(shè)計了如表1所示的3組雙排噴孔。

表1 雙排噴孔設(shè)計方案Tab.1 Design scheme of double-row nozzle holes

為了更清楚示意雙排噴孔的空間分布,繪制了如圖6所示的3組雙排噴孔三維示意圖,其中紅色噴孔代表上排噴孔,藍色噴孔代表下排噴孔。兩排噴孔位置都在兩個同心圓的圓弧上,上、下兩排噴孔交錯布置,同心圓的圓心所構(gòu)成的軸線交點距離為1 mm,上排噴孔夾角為150°.為了讓下排噴孔噴出的油束進入B區(qū)的ω凹坑,加工下排噴孔時,噴孔夾角設(shè)置為110°.

圖6 雙排噴孔分布空間三維示意圖Fig.6 Schematic diagram of space distribution of nozzles

3 試驗結(jié)果分析

為了探究雙ω燃燒室的幾何形狀對柴油機燃燒系統(tǒng)的油耗與排放性能的影響,圖7給出了在標定轉(zhuǎn)速2 200 r/min,采用原機單排4孔噴嘴下的不同燃燒室的油耗和排放的對比曲線。從圖7可以看出:雙ω燃燒室的幾何形狀對ZS1100M型柴油機的性能有著較大的影響。那是由于雙ω燃燒室中的凸脊結(jié)構(gòu)能顯著增強燃燒室內(nèi)A區(qū)與B區(qū)間的氣流擾動,在上止點附近能更好利用擠流的作用去促進混合氣燃燒[6-7]。相同喉口直徑下,57型雙ω燃燒室的油耗be在中高負荷下都比原機燃燒室要低;在功率p為12 kW時,油耗be降低了3.4%,碳煙排放R也從3.6 BSU降低到3.0 BSU,NOχ排放增高了23%.隨著雙ω燃燒室喉口直徑的增大,燃燒室內(nèi)氣流擾動被削弱。在全負荷下,與原機相比,65型雙ω燃燒室下的NOχ排放基本不變,但油耗與碳煙排放有所下降,油耗降低了2.2%,碳煙降低到3.3 BSU.72型雙ω燃燒室由于喉口直徑過大,燃燒室內(nèi)氣流運動的削弱最為明顯[10-11],同時又由于采用了更大的凸脊,不利于碳煙的氧化,所以碳煙的排放在所有負荷下都高于其他方案。但在全負荷下,油耗比原機僅略高0.68%的情況下,NOχ排放卻降低了13%.

圖7 不同燃燒室下性能比較Fig.7 Performance curves of different combustion chambers

對于采用單排噴孔的雙ω燃燒室來講,油嘴突出高度會直接影響到油束在燃燒室壁面碰壁的位置和進入燃燒室A區(qū)與B區(qū)的燃油量,從而決定了各區(qū)的當量比分布。B區(qū)的空間相對狹小,著火后,B區(qū)的溫度上升較快,使得NOχ排放較高[5]。由于65型雙ω燃燒室具有較好的油耗與NOχ排放折衷,所以采用65型燃燒室研究油嘴突出高度對雙ω燃燒室性能與排放的影響,并與原機燃燒室進行對比。

如圖8所示,在2 200 r/min轉(zhuǎn)速下,隨著油嘴突出高度從3.6 mm減小到2.6 mm,在各負荷下油耗與碳煙排放都進一步降低,這是因為噴入到A區(qū)的油量相應(yīng)增多,有助于燃油迅速擴散到燃燒室頂部區(qū)域,從而促進油氣混合,加速燃燒。在75%負荷下,油嘴突出高度2.6 mm時的NOχ排放比油嘴突出高度在3.6 mm時要低一些,與原機燃燒室相比,此時 NOχ排放減小了 5.2%,同時油耗降低了4.1%,碳煙排放降低了16.7%.在全負荷下,NOχ排放略高于原機,而油耗與碳煙排放仍要低于原機,只是降幅減小,依次為2.9%和13.8%.進一步降低油嘴突出高度到1.6 mm,在額定工況下,NOχ排放比原機減小了2.1%.但與油嘴突出高度2.6 mm相比,此時油耗與碳煙排放已經(jīng)不再降低,這主要是因為油嘴突出高度過低,會使B區(qū)的混合氣較少,也會降低燃燒室內(nèi)空氣的利用率。

圖8 65型燃燒室下油嘴突出高度對性能影響的曲線Fig.8 Effect of protrusion height of nozzle on performance of 65-type combustion chamber

在研究較小噴油壓力下采用雙排噴孔的噴嘴對油耗與排放性能影響的試驗當中,由于試驗中的噴油壓力較小,試驗在額定工況下會發(fā)生轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的現(xiàn)象。而最大扭矩時轉(zhuǎn)速1 500 r/min下每個工況點的測試都很穩(wěn)定,因此選擇在1 500 r/min下探究不同雙排噴孔在原機燃燒室內(nèi)的油耗性能表現(xiàn)。如圖9所示,在中小負荷下,較之原機的單排4孔方案,所有雙排噴孔方案的油耗都有明顯降低。但隨著負荷增大,雙排噴孔的油耗在高負荷下都呈現(xiàn)上升趨勢,說明原機配置雙排噴孔后,在高負荷下燃燒發(fā)生了惡化。這是因為柴油機高負荷情況下,噴霧貫穿度是影響噴霧燃燒和排放最為重要的因素[12]。在噴孔總流通面積不變的情況下,隨著噴孔總數(shù)增多,相對噴油速率會下降,噴射動量與噴霧貫穿度也會減小。這在當量比較低的情況下(中小負荷)并沒有什么問題,反而可以減少碰壁的燃油,促進預(yù)混燃燒,降低油耗。但是,在當量比較大時(高負荷),雙排小孔徑的噴霧動量將不足以將蒸發(fā)的燃油帶到空氣充足的地區(qū),后噴入的燃油很難向燃燒室外延擴散,而周圍的空氣又被先噴入的燃油消耗掉了,因此部分燃油會嚴重缺氧,導(dǎo)致空氣利用率降低,最終惡化了燃燒[13]。綜合來看,在雙排噴孔方案中,上5孔下3孔的噴孔分布在中高負荷下性能更優(yōu)。而文獻[7]在135機型上的數(shù)值仿真研究,也發(fā)現(xiàn)上5孔下3孔的噴孔分布具有較好的性能表現(xiàn)。

圖9 不同噴孔方案下的油耗曲線Fig.9 Fuel consumption curves of different nozzle hole schemes

圖10 不同燃燒室與雙排噴孔組合下性能比較Fig.10 Performance curves of different combustion chambers with double-row nozzle holes

圖10所示為在1500 r/min的轉(zhuǎn)速下,上5孔下3孔的雙排噴孔對應(yīng)不同燃燒室的性能曲線圖。從圖10可以看出,較于雙排噴孔配合原機燃燒室,雙排噴孔配合新型雙ω燃燒室在中小負荷下可進一步降低油耗,且最低油耗在50%負荷左右;在中小負荷下,雙ω燃燒室中的NOχ排放都要高于原機燃燒室。在高負荷下,各燃燒室方案都出現(xiàn)了不同程度的燃燒惡化現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為油耗與碳煙排放同時升高。采用雙ω燃燒室的各方案在75%負荷開始惡化,而原機燃燒室在全負荷下出現(xiàn)惡化。這主要是因為與原機相比,雙ω燃燒室的A區(qū)ω凹坑與噴嘴的距離更遠。采用雙排小孔徑后,在75%負荷下,噴霧貫穿度不足造成的空氣利用率降低更為明顯,不利于燃燒。對比所有雙ω燃燒室方案,發(fā)現(xiàn)隨著喉口直徑減小,NOχ排放依次增高,碳煙排放逐漸降低。其中就油耗而言,57型的方案相對最優(yōu),而65型與72型差別不大。

由于試驗機噴射壓力僅有45 MPa左右,原機噴孔數(shù)較少、孔徑較大,在增加孔數(shù)并采用雙排小徑噴孔后,噴霧貫穿度減小會非常明顯。在高負荷下出現(xiàn)了油耗惡化現(xiàn)象。但如果采用孔數(shù)較多的高噴射壓力平臺去布置雙排噴孔就能有效避免這一不足。

4 結(jié)論

1)雙ω燃燒室內(nèi)的凸脊結(jié)構(gòu)能強化A區(qū)與B區(qū)間的氣流擾動,促進油氣混合,降低油耗與碳煙排放。65型雙ω燃燒室在保持NOχ排放與原機基本相當?shù)那闆r下,油耗降低了2.2%,碳煙降低到3.3BSU.

2)油嘴突出高度對雙ω燃燒室性能與排放有較大影響。在額定轉(zhuǎn)速下,65型雙ω燃燒室在油嘴突出高度為2.6 mm時油耗與碳煙排放最低。

3)原機燃燒室匹配雙排噴孔在中小負荷下能顯著降低油耗,上5孔下3孔的噴孔分布具有較好的性能表現(xiàn)。噴油壓力較低時,雙排噴孔在高負荷下出現(xiàn)不同程度的油耗惡化。

4)雙排噴孔配合雙ω燃燒室在中小負荷下可進一步降低油耗,57型雙ω燃燒室在高負荷下燃燒惡化程度最低。

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Experimental Research on Combustion System with Double ω Combustion Chamber for ZS1100M Diesel Engine

WEI Sheng-li1,LU Hong-kun1,LENG Xian-yin2,LIANG Yu3,CHEN Liang1,WANG Fei-hu1
(1.School of Automobile and Traffic Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,Jiangsu,China; 2.Institute for Energy Research,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,Jiangsu,China; 3.School of Mechanical Engineering,Guiyang University,Guiyang 550003,Guizhou,China)

In order to improve the spatial distribution of injection spray and the mixture formation quality for diesel engines,a combustion system with double ω combustion chamber is proposed to strengthen the motion of airflow in the combustion chamber.The preliminary performance test of combustion system with double ω combustion chamber is made on ZS1100M diesel engine.The results show that the geometrical shape of double ω combustion chamber has a great influence on the fuel consumption and emission performance of combustion system for diesel engine.The fuel consumption and soot emission of 57-type combustion chamber are the lowest under the rated operating condition.Compared with the original combustion chamber,the fuel consumption and soot emission of 65-type double ω combustion chamber are reduced by 2.2%and 8.3%,respectively,at rated operating condition while the NOχemission remains basically unchanged.65-type combustion chamber with 2.6 mm nozzle height possesses the optimal fuel consumption and soot emission performance at the rated rotating speed.At the rotating speed of 1500 r/min,the double ω combustion chamber with double-row nozzle holes shows better fuel consumption rate under the small and medium loads.The proper increment of the upper-row nozzle holes and a decrease in throatdiameter could further reduce the fuel consumption rate.

power machinery engineering;ZS1100M diesel engine;double ω combustion chamber; double-row nozzle hole;experimental research

TK42

A

1000-1093(2016)01-0017-06

2015-06-01

國家自然科學基金項目(51106065、51366002)

魏勝利(1978—),男,副教授,碩士生導(dǎo)師。E-mail:weishengli@ujs.edu.cn;盧泓坤(1990—),男,碩士研究生。E-mail:maxlhk@163.com