雙層分區(qū)燃燒系統(tǒng)對(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)性能的影響

柴帥，張翠平，陳琛，王柯瑩，溫蓉蓉，孫彥斌

(太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024)

合理的柴油機(jī)燃燒室形狀及良好的油氣室匹配是提高柴油機(jī)性能、降低排放的重要手段[1]。優(yōu)化改進(jìn)柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)的研究從未停止，近年來(lái)比較典型的新型燃燒系統(tǒng)有天津大學(xué)的BUMP燃燒室系統(tǒng)[2-3]、北京理工大學(xué)的雙卷流燃燒系統(tǒng)[4-5]和側(cè)卷流燃燒系統(tǒng)[6-7]，大連理工大學(xué)的雙層分流燃燒系統(tǒng)[8-9]等，這些新型燃燒系統(tǒng)均通過(guò)燃燒室壁面的特殊設(shè)計(jì)來(lái)引導(dǎo)燃油在燃燒室內(nèi)的分布，增大燃油的空間分布，提高油氣混合質(zhì)量。噴油器噴孔的布置會(huì)影響缸內(nèi)混合氣的分布，雙排噴孔可實(shí)現(xiàn)燃油在燃燒室周向和軸向的均勻分布，噴孔數(shù)較多時(shí)采用分層均勻布置可減小油束間干擾，增大燃油空間分布，改善混合氣形成質(zhì)量[10-14]。

一定形狀的燃燒室都對(duì)應(yīng)一個(gè)最優(yōu)的噴射系統(tǒng)參數(shù)，因此燃燒室和噴油參數(shù)的匹配研究十分關(guān)鍵[15]。本研究針對(duì)一臺(tái)高強(qiáng)化柴油機(jī)，在原機(jī)燃燒室壓縮比不變的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種雙層分區(qū)燃燒系統(tǒng)——雙層雙弧脊燃燒室匹配雙排噴孔，利用CFD仿真軟件Converge進(jìn)行三維仿真，研究上下排噴孔油束夾角與雙層燃燒室的匹配對(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)燃燒和排放的影響，為優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提供依據(jù)。

1 雙層分區(qū)燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算方案

1.1 雙層分區(qū)燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本研究基于一臺(tái)高強(qiáng)化單缸柴油機(jī)，其基本參數(shù)見(jiàn)表1。保證原機(jī)壓縮比不變，改變?nèi)紵医Y(jié)構(gòu)和噴孔布置方式，得到一種雙層分區(qū)燃燒系統(tǒng)，如圖1所示，圖2示出燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是燃燒室被分成上下兩層且上下層的中間均有

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

圖1 燃燒系統(tǒng)示意

圖2 燃燒系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

凸起的部分(上層弧脊和下層弧脊)，可將燃油進(jìn)行分流，分別形成2個(gè)方向的卷動(dòng),上下兩排噴孔的油束夾角不同且沿圓周方向均勻間隔布置，使得燃油同時(shí)噴向上下兩層燃燒室。圖3示出上下排噴孔油束分布，截面1為過(guò)上排噴孔油束中心線縱截面，截面2為過(guò)下排噴孔油束中心線縱截面。

圖3 油束分布示意圖

1.2 計(jì)算方案

保持原機(jī)總噴孔數(shù)及噴孔直徑不變，將原機(jī)的單層噴孔布置變?yōu)樯舷戮鶆虿贾玫碾p排噴孔。通過(guò)改變上下排噴孔的油束夾角來(lái)研究其對(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)燃燒和排放性能的影響，油束夾角(θ)定義為油束中心軸線和燃燒室中心軸線之間的夾角。保持下排噴孔油束夾角62°不變，改變上排噴孔油束夾角分別為79°，81°，83°；保持上排噴孔油束夾角81°不變，改變下排噴孔油束夾角分別為60°，62°，64°。

2 仿真模型的建立和驗(yàn)證

仿真計(jì)算中所選的數(shù)學(xué)模型見(jiàn)表2。

表2 數(shù)學(xué)模型

利用CFD仿真軟件CONVERGE對(duì)原機(jī)燃燒室進(jìn)行網(wǎng)格劃分并設(shè)置相關(guān)數(shù)學(xué)模型及邊界條件進(jìn)行仿真計(jì)算。圖4示出原機(jī)燃燒室在下止點(diǎn)和上止點(diǎn)時(shí)的網(wǎng)格。仿真過(guò)程中的初始條件和初始邊界如下：計(jì)算范圍從進(jìn)氣門關(guān)閉(610°)至排氣門開(kāi)啟(810°)；氣缸蓋底面溫度為550 K；活塞頂面溫度為580 K；氣缸壁面溫度為450 K；初始缸壓為0.64 MPa；初始缸溫為450 K。

圖5示出仿真缸壓和試驗(yàn)缸壓的對(duì)比，壓縮上止點(diǎn)為720°?？梢钥闯觯囼?yàn)值與仿真值的吻合程度較好，灰色部分為試驗(yàn)缸壓5%誤差帶，仿真誤差在5%以內(nèi)，故以此為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真計(jì)算是可靠的。

圖5 試驗(yàn)與仿真缸壓對(duì)比

3 計(jì)算方案及結(jié)果分析

3.1 上排噴孔油束夾角對(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)燃燒和排放性能的影響

3.1.1 對(duì)燃燒過(guò)程的影響

圖6示出上排噴孔油束夾角變化時(shí)不同曲軸轉(zhuǎn)角下的當(dāng)量比云圖。下排噴孔油束夾角保持62°不變，上排噴孔油束夾角分別為79°，81°，83°?？梢钥闯觯阂蛳屡艊娍子褪鴬A角相同，所以截面2下層燃燒室中的當(dāng)量比分布基本一致，截面1上層燃燒室中因油束夾角的變化當(dāng)量比的分布不同。在10°ATDC時(shí)，上下排噴孔油束均已到達(dá)側(cè)壁面且被弧脊分成了兩部分，在截面1上層燃燒室中，隨著油束夾角的增大，上層弧脊上側(cè)的燃油分配增多，混合氣形成更接近燃燒室頂部，燃油到達(dá)燃燒室側(cè)頂隙的量也更多。在20°ATDC時(shí)，隨著上排噴孔油束夾角的增大，在截面1上層燃燒室中，高當(dāng)量比區(qū)域逐漸減少且燃燒室頂隙中均勻混合氣的分布面積更大，上層弧脊上下側(cè)凹坑中的附壁燃油量減少。這是因?yàn)橛褪鴬A角越大，撞在弧脊上側(cè)凹坑中的燃油可以更多地向燃燒室側(cè)頂隙分布，有利于燃油擴(kuò)散，而弧脊下側(cè)由于燃油的分配比例減少，有利于油氣混合，故高當(dāng)量比區(qū)域面積也更少。截面1下層燃燒室中出現(xiàn)的混合氣是由相鄰的下排噴孔噴射的燃油撞壁后在下層燃燒室中沿壁射流所致，可以看出，上排噴孔油束夾角越大，沿周向擴(kuò)散的燃油與上排噴孔所噴出的燃油交匯就越少，同時(shí)下層燃燒室中弧脊下側(cè)的當(dāng)量比分布面積相對(duì)更大。這是因?yàn)樯吓艊娍子褪鴬A角越大，上排噴孔油束對(duì)下層燃燒室的混合氣的卷吸作用就越小，所以下層燃燒室弧脊下側(cè)的燃油分布就更多，均勻混合氣面積也就更大。隨著活塞繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，在30°ATDC時(shí)，油氣混合趨于均勻，隨油束夾角的增大，截面1中的較高當(dāng)量比區(qū)域面積逐漸減小，主要存在于下層燃燒室弧脊的凹坑附近和燃燒室的中心區(qū)域，上層燃燒室弧脊上側(cè)凹坑處也有少量較高當(dāng)量比區(qū)域，但隨油束夾角增大基本消失。而截面2中上層燃燒室中也出現(xiàn)了均勻混合氣，這是由上層噴孔噴射的燃油撞壁后與壁面的相互作用沿壁射流所致，且均勻混合氣的分布面積隨油束夾角的增大而增大。主要原因是油束夾角大，燃油可以更多地向活塞側(cè)頂隙和上側(cè)發(fā)展，在上層燃燒室弧脊上側(cè)凹坑中的堆積減少，故均勻混合氣的分布面積也就增大。截面1下層燃燒室比截面2上層燃燒室出現(xiàn)混合氣時(shí)間更早的原因是下層燃燒室直徑小，油束撞壁時(shí)間早，沿燃燒室壁面周向擴(kuò)散早。

圖6 不同上排噴孔油束夾角下的當(dāng)量比云圖

圖7示出上排噴孔油束夾角變化時(shí)不同曲軸轉(zhuǎn)角下的溫度云圖?？梢钥闯?，在10°ATDC時(shí)，隨上排噴孔油束夾角增大，截面1上層燃燒室凹坑處及燃燒室頂隙處的高溫區(qū)域面積增大，結(jié)合當(dāng)量比云圖可知，油束夾角增大，凹坑處及燃燒室側(cè)頂隙處的油氣混合相對(duì)更好，因而高溫區(qū)域面積也更大。高溫區(qū)域主要分布在油束周圍，油束中心的燃油未燃燒，主要原因是高強(qiáng)化柴油機(jī)每循環(huán)噴油量大，噴油持續(xù)期長(zhǎng)，燃油噴射壓力大，導(dǎo)致中心部分燃油無(wú)法快速蒸發(fā)與空氣混合形成混合氣，從而影響燃燒。在20°ATDC時(shí)，高溫區(qū)域面積隨油束夾角增大分布面積更大，同時(shí)截面2下層燃燒室弧脊上側(cè)凹坑處溫度與截面1上層燃燒室凹坑處的溫度相比較低，主要原因是截面2下排噴孔燃油撞壁早，凹坑處的燃油堆積相對(duì)嚴(yán)重，未燃濃混合氣相對(duì)較多，故溫度較低。隨著活塞繼續(xù)下行，在30°ATDC時(shí)，截面1與截面2中的高溫區(qū)域分布一致，不同之處在于隨油束夾角增大，截面1中燃燒室頂隙的高溫區(qū)域面積在增大，截面2中上層燃燒室弧脊上側(cè)及側(cè)頂隙處的高溫面積在增大，這與當(dāng)量比的分布規(guī)律一致。

圖7 不同上排噴孔油束夾角下的溫度分布云圖

圖8示出不同上排噴孔油束夾角下缸壓、缸溫、放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線?？梢钥闯觯S上排噴孔油束夾角增大，缸內(nèi)最高平均壓力、最高平均溫度、放熱率峰值增大，且均高于原機(jī)。726°前，上排噴孔油束未到達(dá)壁面，燃燒未受到油束在側(cè)壁面不同落點(diǎn)的影響，故上排噴孔油束夾角變化對(duì)缸內(nèi)平均壓力及平均溫度影響不大；726°后，隨著油束夾角增大，更多燃油會(huì)被分配到上層燃燒室弧脊上側(cè)，燃燒室頂隙內(nèi)的空氣可以被更多地利用，同時(shí)弧脊下側(cè)油量分配少，有利于油氣混合促進(jìn)燃燒，故缸內(nèi)平均壓力和平均溫度增大。730°～740°放熱速率先下降后升高，是由燃油撞壁堆積所致。圖9示出不同上排噴孔油束夾角下的累計(jì)放熱量。由圖9可以看出，油束夾角越大，累計(jì)放熱量越多，可見(jiàn)油束夾角增大有利于燃燒進(jìn)行。從整體分析來(lái)看，所設(shè)計(jì)的分區(qū)燃燒系統(tǒng)的燃燒性能優(yōu)于原機(jī)。

圖8 不同上排噴孔油束夾角下的缸壓、缸溫、放熱率

圖9 不同上排油束夾角下的累計(jì)放熱量

3.1.2 對(duì)排放特性的影響

圖10示出不同上排噴孔油束夾角對(duì)NOx和Soot比排放的影響。圖11對(duì)比了不同上排油束夾角下，760°時(shí)NOx和810°時(shí)Soot在燃燒室內(nèi)的分布?？梢钥闯?，隨上排噴孔油束夾角增大，NOx比排放增加，Soot比排放降低，呈現(xiàn)trade-off關(guān)系，兩者排放量均優(yōu)于原機(jī)。760°時(shí)NOx高濃度區(qū)域主要分布在截面1上層燃燒室凹坑處及燃燒室側(cè)頂隙、截面2下層燃燒室凹坑處及靠近燃燒室中心處，且隨油束夾角增大，NOx在燃燒室內(nèi)的分布面積增大。810°時(shí)Soot高濃度區(qū)域主要分布在截面1上下層燃燒室凹坑處、截面2缸蓋下方靠近側(cè)壁面，結(jié)合前文，燃油濃度過(guò)高是導(dǎo)致兩個(gè)區(qū)域Soot產(chǎn)生的主要原因，隨油束夾角增大，Soot整體分布面積逐漸減小。

圖10 不同上排噴孔油束夾角下的Soot和NOx比排放量

圖11 不同上排噴孔油束夾角下的Soot和NOx排放云圖

3.2 下排噴孔油束夾角對(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)燃燒和排放性能的影響

3.2.1 對(duì)燃燒過(guò)程的影響

圖12示出下排噴孔油束夾角變化時(shí)不同曲軸轉(zhuǎn)角下的當(dāng)量比云圖，上排噴孔油束夾角保持81°不變，下排噴孔油束夾角分別為60°，62°，64°?？梢钥闯?，10°ATDC時(shí)，由于上層油束夾角相同，截面1中當(dāng)量比分布一致，截面2中下層燃燒室油束落點(diǎn)不同，下層弧脊上下側(cè)的油量分配不同，油束夾角大，弧脊下側(cè)油量分配少，弧脊上側(cè)燃油在燃燒室側(cè)壁導(dǎo)流作用下運(yùn)動(dòng)距離近，更靠近油束。20°ATDC時(shí)，下排噴孔噴射的燃油已運(yùn)動(dòng)到相鄰上排噴孔所在的下層燃燒室，下排噴孔油束夾角不同，燃油分布也不同。截面1中，下排噴孔油束夾角越大，下層燃燒室弧脊上側(cè)凹坑的燃油分布越多，高當(dāng)量比區(qū)域越大，但弧脊下側(cè)的混合氣量越少；截面2中，下排噴孔油束夾角越大，均勻混合氣在油束下側(cè)分布面積越小，而油束上側(cè)分布面積大，分布更廣，同時(shí)部分燃油也會(huì)被分配到上層燃燒室中。30°ATDC時(shí)，油氣混合趨于均勻，截面1中，高當(dāng)量比區(qū)域主要分布在下層燃燒室弧脊上側(cè)凹坑附近，油束夾角越大，高當(dāng)量比區(qū)域分布越分散，原因是夾角越大，隨著活塞向下運(yùn)動(dòng)和噴油的進(jìn)行，下排噴孔噴出的燃油會(huì)更多地被分配到上層燃燒室中繼續(xù)沿燃燒室軸向和周向運(yùn)動(dòng)；截面2中，油束夾角越大，上層燃燒室中形成的均勻混合氣量越多，但在上層燃燒室凹坑底部的較高當(dāng)量比區(qū)域也越大；油束夾角為62°時(shí)，燃燒室頂隙靠近側(cè)壁面處的混合氣形成面積最大，但其中較高當(dāng)量比區(qū)域占比也大。

圖12 不同下排噴孔油束夾角下的當(dāng)量比云圖

圖13示出下排噴孔油束夾角變化時(shí)不同曲軸轉(zhuǎn)角下的溫度云圖?？梢钥闯觯?0°ATDC時(shí)，截面2中，下排噴孔油束夾角越大，油束上側(cè)靠近凸脊處的高溫區(qū)域面積越大，油束下側(cè)高溫區(qū)域更遠(yuǎn)離燃燒室凸臺(tái)。20°ATDC時(shí)，截面1中，油束夾角越大，下層燃燒室弧脊下側(cè)的高溫區(qū)域越少，從整體分布來(lái)看，油束夾角為60°時(shí)的高溫面積最大；截面2中油束夾角越大，油束上側(cè)高溫區(qū)域分布越靠近油束，越集中。 30°ATDC，截面1中，油束夾角為60°時(shí)的高溫區(qū)域面積相對(duì)更大；截面2中，隨油束夾角增大，油束上側(cè)高溫區(qū)域在軸向上分布更廣，但沿徑向的分布區(qū)域小。

圖13 不同下排噴孔油束夾角下的溫度云圖

圖14示出不同下排噴孔油束夾角下缸壓、缸溫、放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化?？梢钥闯?，730°前，缸內(nèi)平均壓力先減小后增大，缸內(nèi)平均溫度相差不大；730°后，油束夾角為60°時(shí)的缸內(nèi)平均壓力和平均溫度均高于其他兩種油束夾角，且放熱率的峰值最高，原因是油束夾角減小，使得下層燃燒室的空氣利用率提高，同時(shí)下排噴孔所在的燃燒室的上層空間的油氣分布更加分散，也有助于燃燒。圖15示出不同下排噴孔油束夾角下的累計(jì)放熱量?？梢钥闯觯褪鴬A角為60°時(shí)的累計(jì)放熱量最大，其他兩種油束夾角下的累計(jì)放熱量相差不大，但均高于原機(jī)。

圖14 不同下排噴孔油束夾角下的缸壓、缸溫、放熱率

圖15 不同下排油束夾角下累計(jì)放熱量對(duì)比

3.2.2 對(duì)排放特性的影響

圖16示出不同下排噴孔油束夾角對(duì)NOx和Soot比排放量的影響。圖17對(duì)比了不同下排油束夾角下，760°時(shí)NOx和810°時(shí)Soot在燃燒室內(nèi)的分布。可以看出，隨下排噴孔油束夾角增大，NOx比排量放先減小后增大，Soot比排放量逐漸增大，但排放均優(yōu)于原機(jī)。760°時(shí)NOx和810°時(shí)Soot的高濃度分布區(qū)域與改變上排噴孔油束夾角時(shí)的分布區(qū)域基本一致。

圖16 不同下排噴孔油束夾角下的Soot和NOx比排放量

圖17 不同下排噴孔油束夾角下的Soot和NOx排放云圖

4 結(jié)論

a) 在原機(jī)燃燒室壓縮比不變情況下，對(duì)原機(jī)燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)得到一種雙層分區(qū)燃燒系統(tǒng)，上層燃燒區(qū)域使燃燒室頂隙空間得以利用，下層燃燒區(qū)域使燃燒室底部凹坑及凸臺(tái)附近的空氣得以更好利用，從整體分析來(lái)看，該系統(tǒng)的燃燒性能和排放性能均優(yōu)于原機(jī)；

b) 對(duì)于所設(shè)計(jì)的雙層分區(qū)燃燒系統(tǒng)，不同上下排噴孔夾角會(huì)對(duì)油束在燃燒室內(nèi)的落點(diǎn)產(chǎn)生影響，同時(shí)上下層燃燒室內(nèi)的弧脊會(huì)對(duì)燃油進(jìn)行不同比例的分配，從而影響油氣混合形成質(zhì)量及燃燒和排放性能。