直喷柴油机双壁面射流燃烧系统燃烧特性研究

郭 鹏 江， 高 希 彦

（大连理工大学 内燃机研究所，辽宁 大连 116024）

0 引 言

柴油机是一种热效率高、用途广的动力装置，受到使用者的青睐.研究者们对柴油机的性能进行了深入的研究，其中改善燃烧性能的主要难点是高速与大负荷工况下对着火始点和燃烧速率的控制［1－7］.本文通过降低几何压缩比推迟车用柴油机高速工况下的着火始点，并采用几何方法提高缸内混合气的燃烧速率，达到同时降低NOx排放并保持高的热效率的效果.

保持喷油提前角不变，通过降低几何压缩比来降低压缩终了时刻的汽缸压力，使着火始点在原机的基础上向后推迟2～3℃A，从而降低最高燃烧温度和NOx排放.降低压缩比的同时，为保持良好的油耗率和烟度，作者开发了一种用于直喷柴油机的新型双壁面射流燃烧系统［8－9］，该系统能在较低压缩比下，加快柴油机高速工况下的燃烧放热率，在动力性能不降低的情况下，保证柴油机有最佳的排放性能和经济性能.

本文主要对双壁面射流燃烧系统的瞬时放热率、燃烧持续期和排放性能进行研究.

1 双壁面射流技术

双壁面射流技术是指燃烧室壁面周向上设有导向凸弧和小台阶，多孔喷油器喷出的液态油束撞击在燃烧室壁面上，经壁面上的导向凸弧和小台阶的反射，形成分层壁面射流，简称双壁面射流，如图1所示.

图1 双壁面射流技术燃烧室示意图和混合气形成原理Fig.1 Schematic of double－wall－jet combustion chamber and theory of fuel－air mixture forming

2 试验装置与设备

4100ZL柴油机原机参数如表1所示.双壁面射流燃烧系统是在原4100ZL柴油机的结构上改造而成的.重新设计燃烧室形状（图1），将发动机的几何压缩比降低到16.5，燃烧室的口径为59 mm，燃烧室的深度为18.1mm，导向凸弧的高度取1.2mm，小台阶台阶面的切向与活塞顶面之间的夹角为30°，沿台阶面方向的高度为1.8 mm.重新设计喷油器的喷孔结构尺寸和分布，使用了2种多孔式喷油器：一种是6孔，孔径为0.21 mm，喷孔夹角为158°的多孔喷油器，简记为621；另一种是5孔，孔径为0.25mm，喷孔夹角为158°的多孔喷油器，简记为525.进气涡流比在本文中保持不变，与原机相同.主要使用的试验设备和仪器有：启东DW250电涡流测功机，FGA－4100汽车排气分析仪，FBY－3波许烟度计，AVL Indiset 620燃烧分析仪等.

表1 4100ZL柴油机原机参数Tab.1 Original parameters of the 4100ZL diesel engine

3 双壁面射流燃烧系统的排放

图2是3 000r·min－1双壁面射流燃烧系统与原机负荷特性下的排放与油耗率比较.试验中双壁面射流燃烧系统与原机保持相同的喷油速率和相同静态供油提前角12℃A BTDC（图3～5同）.可以看出，双壁面射流燃烧系统油耗率在大负荷工况下比原机略微增加，NOx排放得到了大大的降低，烟度在大负荷下有所增加.原因在于：采用双壁面射流后，通过降低几何压缩比，着火始点向后推迟，燃烧最高温度降低，NOx排放降低.另外，传统柴油机喷束中心混合气浓，扩散强度低，该区域容易燃烧生成高浓度的NOx，新的双壁面射流系统中，油束经过燃烧室壁面射流的引导，促进了喷束和空气的混合，改善了油气混合均匀性，NOx浓度大幅度降低.双壁面射流燃烧系统中，喷孔直径增加后，油束贯穿度增加，壁面油膜变厚，随着负荷的增加，燃烧持续期延长，由于油膜不能迅速蒸发、混合、燃烧，碳烟生成量相对增加；由于原机的压缩比高，最高燃烧温度高，燃烧速率高，燃烧持续期短，扩散燃烧中生成的碳烟在较高的温度和较长的时间内容易被氧化掉，因此原机的碳烟排放较低.

图2 双壁面射流燃烧系统的排放特性Fig.2 Emission characteristics of double－wall－jet combustion system

4 双壁面射流燃烧系统的放热率与燃烧特性分析

图3是双壁面射流燃烧系统与原机在3 000 r·min－1，缸内平均有效压强pme为0.762MPa工况下的示功图和压力升高比的比较.可以看到，双壁面射流燃烧系统的缸压峰值与原机相比，有大幅度的降低.双壁面射流燃烧系统的着火始点比原机向后推迟了2～3℃A，着火后的压力升高比也低于原机.双壁面射流燃烧系统中，使用两种喷油器的示功图曲线与压力升高比曲线几乎重合.

图3 不同燃烧系统的示功图和压力升高比的比较Fig.3 Comparison of work diagram and pressure rise ratio for different combustion systems

图4 是双壁面射流燃烧系统与原机在3 000 r·min－1不同负荷下的瞬时放热率.可以看出，在许多负荷下，不同燃烧系统的放热率呈现出单峰趋势.这主要因为这两种燃烧系统都具有快速燃烧的特性，且预混合燃烧不明显，但是双壁面射流燃烧系统的放热率重心（放热率曲线的几何重心）比原机推迟2～3℃A.在小负荷下，双壁面射流燃烧系统的放热率峰值高于原机，这主要是因为放热率的峰值主要取决于燃烧速率，而本文压缩比与预混合燃烧量影响燃烧速率，在小负荷时，喷油时间短，燃烧持续期相对来说短一些，所以随着燃烧的进行，活塞在离开上止点后很短的时间内燃烧基本结束，放热率峰值受压缩比的影响较小，主要受预混合燃烧量的影响，而双壁面射流燃烧系统具有快速混合的特性，所以放热率峰值高于原机.随着负荷的增加，这两种燃烧系统的放热率峰值增加.在中高负荷下，原机的放热率峰值要高一些，由于负荷的增加，喷油持续期和燃烧持续期都相对要延长，但是双壁面射流燃烧系统的压缩比降低，燃烧相位向后推迟，并且燃烧室的凹坑容积也大于原机，随着燃烧的进行和活塞的下行，与原机相比，双壁面射流燃烧系统在一个很大的容积内燃烧，燃烧速率降低，放热率峰值也相应地低于原机.

图5是3 000r·min－1不同负荷特性下的着火始点θi与累计放热率比较.这里着火始点定义为放热率由负值变为正值所对应的曲轴转角.图中θ5、θ10、θ30、θ50、θ70、θ90分别表示累计放热率为5%、10%、30%、50%、70%、90%时所对应的曲轴转角.θ90～θ5可作为燃烧持续期来考虑.在静态供油时刻同为12℃A BTDC的条件下，双壁面射流燃烧系统的着火始点比原机滞后2～3℃A.在3 000r·min－1各负荷下，在θ5～θ50阶段，双壁面射流燃烧系统几乎与原机有相同的燃烧速率，都属于快速燃烧.在θ50～θ90阶段，双壁面射流燃烧系统的燃烧速率变慢，这主要是由于在小负荷时，两种燃烧系统预混合燃烧都占有较大的比重，新燃烧系统燃烧速率与原机的差别较小，随着负荷的增加，喷油持续期的延长和喷油量的增多，壁面上的油膜生成量也增多，壁面上的油膜不能吸收足够的热量迅速蒸发，导致了燃烧后期燃烧速率的降低.另外，负荷增加导致燃烧持续期增加，以及双壁面射流燃烧系统放热率重心的向后推迟，燃烧室容积将远远大于原机的燃烧室容积，也降低了燃烧速率，所以双壁面射流燃烧系统的油耗率略高于原机，因此新燃烧系统还需要进一步改善燃烧后期的燃烧速率.

图4 3 000r·min－1不同负荷下的放热率比较Fig.4 Comparison of heat release rate at 3 000r·min－1 of different loads

图5 着火始点与累计放热率的比较Fig.5 Comparison of SOC and accumulated heat release rate

5 不同喷油时刻原机与双壁面射流柴油机的性能对比

图6是不同喷油时刻原机与双壁面射流柴油机外特性性能对比.为了体现双壁面射流燃烧系统的优势，使双壁面射流柴油机的燃烧相位与原机保持一致，可以将双壁面射流燃烧系统的供油提前，或将原机的供油推迟.这里采用了两种方法：一是将原机的静态供油时刻向后推迟2℃A，二是将双壁面射流柴油机的静态供油时刻提前2℃A.可以看出，将原机静态供油时刻向后推迟2℃A后，油耗率和碳烟出现恶化，NOx排放仍高于静态供油时刻为12℃A BTDC的双壁面射流柴油机，但是碳烟排放在中高速比双壁面射流柴油机低0.2BSU.即使双壁面射流柴油机的供油提前2℃A，在中高速工况NOx排放仍低于12℃A BTDC静态供油的原机，但是提前喷油后，在低速工况的油耗率有所改善，在中高速工况的油耗率高于12℃A BTDC静态供油的原机.

图6 不同喷油时刻的原机与双壁面射流柴油机外特性性能对比Fig.6 External characteristics comparison of different injection timing of the double－wall－jet diesel engine and the original one

图7 是供油推迟后的原机与双壁面射流柴油机扭矩点的缸压和放热率对比，通过对比可以看出，双壁面射流柴油机与供油推迟后的原机有相同的燃烧相位，但缸压峰值仍大大低于原机.

图7 双壁面射流柴油机与推迟供油后的原机缸压与放热率对比（2 100r·min－1，307N·m）Fig.7 Comparison of in－cylinder pressure and heat release rate between the double－wall－jet diesel engine and the retarded fuel injection original one（2 100r·min－1，307N·m）

6 结 论

（1）控制柴油机在高速工况的放热率，通过降低柴油机几何压缩比，使着火始点在原机的基础上向后推迟2～3℃A，降低NOx排放；通过采用双壁面射流技术，使降低压缩比后的柴油机仍然有较高的燃烧速率，不至于使油耗率和烟度过于恶化.

（2）在相同的喷油时刻，3 000r·min－1的负荷特性下双壁面射流燃烧系统油耗率在大负荷工况下比原机略微增加，NOx排放得到了大大的降低，双壁面射流燃烧系统的烟度在大负荷下增加，但是烟度在可允许的范围内.

（3）在相同的喷油时刻，3 000r·min－1的负荷特性下，双壁面射流柴油机的缸压峰值与原机相比，有大幅度的降低.双壁面射流燃烧系统的着火始点比原机向后推迟了2～3℃A，着火后的压力升高比也低于原机.在小负荷下，双壁面射流燃烧系统的放热率峰值高于原机，在中高负荷下，放热率峰值低于原机，放热率重心与原机相比，向后推迟3～4℃A.累计放热率在θ5～θ50阶段，双壁面射流燃烧系统几乎与原机有相同的燃烧速率；在θ50～θ90阶段，由于双壁面射流燃烧室容积的变大和壁面油膜不能迅速吸收热量而蒸发，燃烧速率降低.

（4）静态供油时刻为12℃A BTDC的双壁面射流柴油机与10℃A BTDC静态供油的原机外特性性能相比较，双壁面射流柴油机NOx排放仍然低于原机，油耗率与原机相当，中高速的碳烟排放比原机高0.2BSU，但双壁面射流柴油机的缸压峰值仍大大低于原机.

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