燃燒室開口形式對475柴油機性能影響研究

柏水通，王文勤

(常柴股份有限公司，江蘇常州 213003)

0 引言

柴油機具有較好的經(jīng)濟性、動力性，可以與工程機械、農(nóng)用機械以及汽車等配套使用，是車輛的重要動力源之一[1-2]。柴油機燃燒室對發(fā)動機性能起到非常關(guān)鍵的作用，不同形狀的燃燒室有著不同的氣流運動狀況及燃燒過程，進而影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性以及排放性能[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)域在較早噴油正時時獲得了較好的利用。

實驗研究雖然更加清晰直觀，但具有較高的研發(fā)成本，更多的學者選擇采用模擬仿真的方法來提高發(fā)動機開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期。

張愛中等[6]研究了某非道路國Ⅳ柴油機高凸臺型燃燒室對氣流運動、排放性能的影響?？s口型燃燒室可以形成劇烈的渦旋運動，加速燃油霧化，提高混合氣質(zhì)量，有利于提升發(fā)動機的排放性能。

紀霏霏等[7]研究了燃燒室形狀對柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機燃燒的影響，通過改變?nèi)紵业男螤顏韺崿F(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)動機爆震的發(fā)生。

本文以475柴油機為研究對象，為了優(yōu)化柴油機燃燒過程，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發(fā)動機性能的影響，對475柴油機的優(yōu)化升級起到了一定的指導作用。

1 發(fā)動機參數(shù)及模型

1.1 柴油機參數(shù)

475柴油機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 475柴油機主要技術(shù)參數(shù)

1.2 模型的建立

由于柴油機活塞形狀是對稱的，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)動機活塞壓縮上止點，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(預混和擴散燃燒的模型)，NOx的排放選擇Extended Zeldovich模型(擴展賽爾多維奇模型)，碳煙排放模型選擇Kinetic Model(動力學模型)。

1.4 發(fā)動機模型的驗證

文中模擬的工況是3 200 r/min，75%負荷。計算步長為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，湍流動能為30.8 m2/s2，湍流長度尺寸為0.004 5 m，湍流擴散率為6 241.59 m2/s3。

首先將計算的缸內(nèi)壓力曲線和實際臺架測試的壓力曲線進行比較，發(fā)現(xiàn)模擬計算的壓力曲線和實際測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算模型的準確性。

圖2 臺架測試缸內(nèi)壓力和仿真計算壓力對比

2 模擬計算結(jié)果與分析

2.1 燃燒室形狀對壓力和溫度的影響

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后達到最大值，730°附近平均壓力達到最大值，740°附近平均溫度達到最大值。最高壓力點和最高溫度點之間是緩燃期，壓力開始下降，溫度還在上升。712°時噴油開始，最高溫度點之前732°時噴油結(jié)束。圖3中氣缸內(nèi)壓力出現(xiàn)了雙峰現(xiàn)象，第一個最大壓力點是壓縮上止點的壓力，可燃混合氣未燃燒之前的最大壓力點，第二個最大壓力點是燃燒之后高溫形成的最大壓力爆發(fā)點。平均溫度最高點燃燒室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 燃燒室形狀對排放性能的影響

因為柴油機中最終排放的平均混合氣濃度比較稀(平均過量系數(shù)遠大于1)，所以柴油機中排放的CO和HC比汽油機少。柴油機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、富氧和較長的作用時間，所以容易產(chǎn)生柴油機燃燒過程速燃期的稀燃火焰階段和緩燃期的擴散燃燒階段。在柴油機中，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種不同燃燒室對發(fā)動機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)量分數(shù)圖

圖6 曲軸轉(zhuǎn)角-平均碳煙質(zhì)量分數(shù)圖

表2 740°CA時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)量分數(shù)最高，725°CA后NOx生成量快速增加；由圖5和表1可知，平均溫度最高點燃燒室3>燃燒室2>燃燒室1，又因為NOx是在高溫高壓下產(chǎn)生的，所以排放的平均NOx質(zhì)量分數(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，因為噴油在732°時結(jié)束，碳煙生成量開始減少；由圖3可知，曲軸轉(zhuǎn)角740°附近時缸內(nèi)溫度達到最高，因為在高溫和混合氣過濃時容易生成碳煙，所以在740°附近時平均碳煙含量最高，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，碳煙的排放量會減少很多。因此，在燃燒初期合理組織燃燒室內(nèi)的氣流運動，促進湍流混合及擴散燃燒，可以有效控制碳煙的生成。對于預混合階段，要提供足夠的氧氣，控制NOx的生成。從而可知，改進燃燒室的結(jié)構(gòu)形式，合理組織燃燒室內(nèi)的氣流流動，保證一定的湍流強度，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 燃燒室形狀對氣流運動的影響

圖7為燃燒室的形狀對發(fā)動機缸內(nèi)氣流運動的影響。對比圖中3種不同形狀的燃燒室對混合氣氣流運動特性的影響，可以看出，平均湍流動能燃燒室3>燃燒室1>燃燒室2。較大的氣體湍流動能對于促進缸內(nèi)燃料的擴散燃燒是很有利的，同時還能夠促進碳煙的氧化，減少污染物的排放。這個結(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，其湍流動能較其他2種燃燒室結(jié)構(gòu)較??；基于燃燒室1 (直口型)來說，改變ω型燃燒室的開口形狀，使縮口比加大，能夠使燃燒室中的氣流強度增強；燃燒室3的平均湍流動能最高，氣流運動特性最為理想。

圖7 曲軸轉(zhuǎn)角-平均湍流動能圖

2.4 燃燒室形狀對放熱規(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，壓縮上止點后，速燃期期間，放熱率曲線峰值達到最大值，且放熱率曲線峰值點處于壓縮上止點后5°左右。此時，平均湍流動能燃燒室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)列時可以看出，燃燒放熱時刻燃燒室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，柴油機性能更好。

圖9 曲軸轉(zhuǎn)角-累計放熱量圖

3 結(jié)論

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

3種不同燃燒室對排放具有較明顯的影響。縮口型燃燒室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能，有利于促進擴散燃燒，而開口型燃燒室平均湍流動能最小。

3種燃燒室的發(fā)動機放熱規(guī)律基本一致，縮口型燃燒室和開口型燃燒室累計放熱量相當，直口型燃燒室累計放熱量略低。