双层分流燃烧室与喷射参数匹配的试验研究*

齐鲲鹏,隆武强

(1.大连交通大学交通运输工程学院，大连 116028； 2.大连理工大学能源与动力学院，大连 116023)



2015089

双层分流燃烧室与喷射参数匹配的试验研究*

齐鲲鹏1,隆武强2

(1.大连交通大学交通运输工程学院，大连 116028； 2.大连理工大学能源与动力学院，大连 116023)

为进一步改善采用双层分流燃烧室的直喷式柴油机的燃烧性能，在单缸柴油机台架上对不同喷油压力、喷油提前角和喷嘴伸出长度等喷射参数与双层分流燃烧室的匹配进行了试验研究。结果表明，通过喷射参数与双层分流燃烧室的合理匹配可有效地改善柴油机的燃油经济性和排放性能。

直喷式柴油机；双层分流燃烧室；喷射参数；数值模拟

前言

在直喷式柴油机的工作过程中，柴油机的燃烧过程和排放性能取决于燃烧室内燃油喷雾的分布特性和混合气的均匀性。研究表明，喷油系统、进气涡流和燃烧室形状是影响柴油机缸内混合气形成的3个主要因素[1]。其中，燃烧室形状对柴油机混合气的形成和缸内的燃烧过程有重大影响[2-8]。

文献[9]中的研究表明，燃烧室形状对缸内混合气流动、温度场和废气排放有重要的作用，不同的燃烧室形状可以有效地改变气缸内混合气的流动特性，从而影响混合气的形成和柴油机的燃烧与排放性能。文献[10]中的研究表明，柴油机燃烧室形状与柴油机工作条件的优化匹配可有效地改善柴油机的燃油消耗率，降幅可达35%。文献[11]中对比了不同口径和型式的柴油机燃烧室，结果表明，缩口型燃烧室的燃油蒸发速度、混合气的混合速度和燃烧速度比圆口型燃烧室的快。文献[12]中的研究表明，燃烧室几何结构对缸内的流场、喷雾和燃烧特性都有较大影响，缩口燃烧室的缸内流场强度要大于直口燃烧室，因而缩口燃烧室内混合气均匀性和柴油机的燃烧过程优于直口燃烧室。文献[13]中的研究表明，燃烧室几何形状与喷油器的匹配对直喷式CNG发动机的缸内流场和混合气有重要的作用，在燃烧室设计时应充分考虑燃油碰撞机理对燃油喷雾分布的影响。文献[14]中的研究表明，直喷式柴油机上配置合适形状的燃烧室，并与适当的喷油时刻相结合，可获得较高的柴油机性能和较低的有害排放。文献[15]中的研究表明，径深比不同的燃烧室对缸内混合气的形成与燃烧和柴油机的废气排放有重要的影响，合适径深比的燃烧室，配以适当的喷油过程，可改善柴油机的燃烧过程。

为了改善柴油机燃烧室内燃油喷雾空间分布和混合气的均匀程度，文献[16]中基于喷雾撞壁导向和燃油空间雾化的原理，提出了一种新的直喷式柴油机双层分流燃烧系统，可在燃烧室内实现双层分流和二次雾化，从而形成了相对均匀的混合气，提高了柴油机的燃烧性能。为进一步改善直喷式柴油机双层分流燃烧的性能，文中通过试验对喷油压力、喷油提前角和喷嘴伸出长度等喷射参数与双层分流燃烧室的匹配进行了研究。

1 试验方案和仪器设备

本研究在一台单缸、水冷、自然吸气、四气门135柴油机上进行，柴油机基本参数如表1所示。为了更好地对比不同喷射参数与双层分流燃烧室的匹配关系，将柴油机由机械泵供油改装为高压共轨电控喷油系统供油(考虑到柴油机稳定工作的因素，喷油压力最大取110MPa)。柴油机试验方案如表2

表1 柴油机基本参数

表2 柴油机试验方案

所示。柴油机试验测试仪器设备如表3所示。

表3 柴油机试验仪器设备

2 试验结果与讨论

2.1 喷油压力对柴油机性能的影响

图1示出在额定转速和不同负荷下喷油压力对柴油机各项性能的影响。从图1(a)可以看出，在额定转速、100%负荷时，随着喷油压力的提高，缸内压力随之升高。从图1(b)中可以看出，在额定转速、高负荷时，随着喷油压力的提高，有效燃油消耗率略有减小。而在额定转速、低负荷时，随着喷油压力的提高，有效燃油消耗率有所增加。从图1(c)和图1(d)可以看出，在额定转速、不同负荷时，随着喷油压力的提高，氮氧化物排放随之增大，而碳烟排放随之减小。这主要是因为随着喷油压力的提高，缸内燃烧压力升高，这使缸内的燃烧温度也随之升高，而且高温燃烧持续时间也会加长，导致氮氧化物排放增大。而随着喷油压力的提高，混合气的均匀度提高，燃烧过程得到改善，导致扩散燃烧的速度加快，所以碳烟排放减小。

2.2 喷油提前角对柴油机性能的影响

图2示出在额定转速和不同负荷下喷油提前角对柴油机各项性能的影响。从图2(a)看出，在额定转速、90%负荷时，随着喷油提前角的增加，缸内压力随之升高。同时，从图2(b)中看出，在额定转速、部分负荷时，喷油提前角为9°CA BTDC时有效燃油消耗率稍低，但总的来说，喷油提前角对有效燃油消耗率影响不大。从图2(c)看出，在额定转速、部分负荷时，随着喷油提前角的增加，氮氧化物排放随之增大。这主要是因为随着喷油提前角的增加，缸内燃烧压力升高，这使缸内的燃烧温度也随之升高，而且高温燃烧持续时间也会加长，这样导致氮氧化物排放增大。从图2(d)看出，在额定转速、3种不同负荷时都呈现随着喷油提前角的增加，碳烟排放先下降再升高的规律，约在9°CA BTDC时达到最小，但总的来说，没有显著变化。

图3示出不同喷油提前角时双层分流燃烧室的燃烧效果。为使试验结果确实反映不同喷油提前角的影响，每一种喷油提前角下都运转足够长的时间(约一天)，且在每个工况点的试验前，用砂纸清除活塞表面的积碳，以消除先前工况的影响。

从图中可以看出，与其它喷油提前角相比，喷油提前角为9°CA BTDC时，双层分流燃烧室的碰撞台处没有形成明显的积碳，燃油喷雾在与圆形导向面发生碰撞后，在燃烧室上、下两层中与空气混合比较充分，燃烧效果较好，这表明该喷油提前角下燃油喷雾与双层分流燃烧室的碰撞角度最佳。

2.3 喷嘴伸出长度对柴油机各项性能的影响

图4示出在额定转速和不同负荷时喷嘴伸出长度对柴油机各项性能的影响。从图4(a)可以看出，在额定转速、100%负荷时，随着喷嘴伸出长度的增大，缸内压力随之降低。从图4(b)中可以看出，在额定转速、高负荷时，有效燃油消耗率变化不大；低负荷时，随着喷嘴伸出长度的增大，有效燃油消耗率略有增加。这可能是随着喷嘴伸出长度的增大，燃油喷雾与双层分流燃烧室碰撞台的碰撞效果变差，燃油空气混合物的均匀性降低，导致柴油机的燃烧过程变得不好，所以缸内压力降低，有效燃油消耗率增加。从图4(c)和图4(d)可以看出，在额定转速、不同负荷时，随着喷嘴伸出长度的增大，氮氧化物排放随之减小，而碳烟排放随之增大，原因同上。因此，对于双层分流燃烧室应注意喷嘴伸出长度与碰撞台位置的合理匹配。

从试验结果可以看出，通过双层分流燃烧室与喷油压力、喷油提前角和喷嘴伸出长度等喷射参数的合理匹配，可以有效地改善混合气的均匀性，提高柴油机的经济性和排放性能。

3 结论

(1) 通过双层分流燃烧室圆形导向碰撞台的分流和二次雾化，能够扩大燃油喷雾在燃烧室内的空间分布，在燃烧室内形成较均匀的混合气。

(2) 高的喷油压力、适当的喷油提前角和喷嘴伸出长度及与双层分流燃烧室的合理匹配，可以改善柴油机的燃烧过程，提高直喷式柴油机的综合性能。

[1] Jovanovic Z S, Petrovic S V, Tomic M V. The Effect of Combustion Chamber Geometry Layout on Combustion and Emission[J]. Thermal Science,2008,12:7-24.

[2] Adrian C S, Sorin H. Influence of Geometry on the Position and the Intensity of Maximum Kinetic Energy in a Combustion Chamber[J]. Diffusion in Solids and Liquids,2011,312-315:725-730.

[3] Takashi K, Kusaka J. Improvement of Combustion and Exhaust Gas Emissions in a Passenger Car Diesel Engine by Modification of Combustion Chamber Design[C]. SAE Paper 2006-01-3435.

[4] Wickman D D, Senecal P K, Reitz R D. Diesel Engine Combustion Chamber Geometry Optimization Using Genetic Algorithms and Multi-dimensional Spray and Combustion Modeling[C]. SAE Paper 2001-01-0547.

[5] Montair R, Tsunemoto H, Ishitan H. Fuel Spray Behavior in a Small DI Diesel Engine: Effect of Combustion Chamber Geometry[C]. SAE Paper 2000-01-0946.

[6] 王锡斌,马志豪,蒋德明.燃烧室几何形状对缸内气体流动和发动机性能的影响[J].内燃机工程,2002,23(2):6-11.

[7] 周磊,赵长禄,张付军,等.利用燃烧模拟对柴油机燃烧室的优化设计[J].燃烧科学与技术,2004,10(5):465-470.

[8] Jaichandar S, Annamalai K. Influences of Re-entrant Combustion Chamber Geometry on the Performance of Pongamia Biodiesel in a DI Diesel Engine[J]. Energy,2012,1(44):633-640.

[9] Zhang C C, Wang Q, He Z X, et al. Simulation Research on Matching of Spray and Combustion Chamber Geometry in Diesel Engine[J]. Advanced Materials Research,2010,199-200:193-197.

[10] Park S W. Optimization of Combustion Chamber Geometry for Stoichiometric Diesel Combustion Using a Micro Genetic Algorithm[J]. Fuel Processing Technology,2010,91:1742-1752.

[11] 唐维新,袁文华,龚金科,等.燃烧室几何形状和位置对燃烧过程的影响[J].中南大学学报(自然科学版),2006,37(6):1161-1165.

[12] 虞育松,李国岫,刘建英.燃烧室形状对直喷柴油机燃烧性能影响的三维数值模拟[J].北京交通大学学报,2007,31(4):115-119.

[13] Yadollahi B, Boroomand M. The Effect of Combustion Chamber Geometry on Injection and Mixture Preparation in a CNG Direct Injection SI Engine[J]. Fuel,2013,107:52-62.

[14] Jarichander S, Senthil P K, Annamala K. Combined Effect of Injection Timing and Combustion Chamber Geometry on the Performance of a Biodiesel Fueled Diesel Engine[J]. Energy,2012,1(47):388-394.

[15] 朱坚,黄晨,尧命发.燃烧室几何形状对柴油机燃烧多成影响的数值模拟研究[J].内燃机工程,2007,28(2):14-18.

[16] 齐鲲鹏,田江平,董鹏博,等.直喷式柴油机双层分流燃烧系统的数值模拟与试验研究[J].内燃机工程,2014,35(6):54-59.

An Experimental Study on the Matching Between Fuel Injection Parametersand Spray-bifurcation Combustion Chamber

Qi Kunpeng1& Long Wuqiang2

1.SchoolofTrafficandTransportEngineering,DalianJiaotongUniversity,Dalian116028;2.SchoolofEnergyandPowerEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116023

In order to further improve the combustion performance of direct injection diesel engine with spray-bifurcation combustion chamber, an experimental study is conducted on the matching between injection parameters (the pressures and advanced angles of fuel injection and nozzle tip protrusions etc.) and spray-bifurcation combustion chamber. The results show that proper matching between injection parameters and spray-bifurcation combustion chamber can effectively improve the fuel economy and emission performance of diesel engine.

DI diesel engine; spray-bifurcation combustion chamber; fuel injection parameters; numerical simulation

*国家自然科学基金(51076024)资助。

原稿收到日期为2013年7月15日，修改稿收到日期为2014年9月24日。