ZS1100M柴油机双ω型燃烧系统的试验研究

魏胜利,卢泓坤,冷先银,梁昱,陈良,王飞虎

(1.江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013;2.江苏大学能源研究院,江苏镇江212013; 3.贵阳学院机械工程学院,贵州贵阳550005)

ZS1100M柴油机双ω型燃烧系统的试验研究

魏胜利1,卢泓坤1,冷先银2,梁昱3,陈良1,王飞虎1

(1.江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013;2.江苏大学能源研究院,江苏镇江212013; 3.贵阳学院机械工程学院,贵州贵阳550005)

为了改善柴油机喷雾空间分布,提高缸内空气利用率,加强燃烧室内的气流运动,提出了带双ω燃烧室的燃烧系统,并在ZS1100M型柴油机上进行了初步性能试验。研究结果表明:双ω燃烧室的几何形状对柴油机燃烧系统的油耗与排放性能有较大的影响。在额定工况下,57型燃烧室方案的油耗与碳烟排放最低;65型燃烧室方案的NOχ排放与原机相比基本不变,油耗却降低了2.2%,碳烟排放降低了8.3%.在额定转速下,65型燃烧室的油嘴突出高度在2.6 mm时油耗与碳烟排放性能最优。在转速1 500 r/min下,采用双排喷孔的各方案在中小负荷时油耗均比采用单排喷孔的原机方案要低;适当增加上排喷孔数,减小双ω燃烧室的喉口直径能进一步降低油耗。

动力机械工程;ZS1100M柴油机;双ω型燃烧室;双排喷孔;试验研究

DOI:10.3969/j.issn.1000-1093.2016.01.003

0 引言

对直喷式柴油机而言,油、气、室三者的合理匹配是决定燃烧过程好坏的关键因素[1]。燃烧室形状对柴油机缸内气流运动、混合气的形成和燃烧具有重要影响[2-3]。因此改进燃烧室的几何形状,设计与燃烧室形状相匹配的喷孔分布,有效利用进气涡流在燃烧室内形成挤流和湍流,对改善混合气形成、优化燃烧过程、降低有害物排放具有重要意义[4-5]。

通过前期进行的数值模拟研究[6-7],设计并加工了带双ω型燃烧室的活塞和具有双排喷孔的喷油嘴,在一台非道路用ZS1100M柴油机上开展了双ω燃烧系统的台架试验研究,分析了不同双ω型燃烧室与不同双排喷孔分布情况对该机油耗与排放性能的影响。

1 双ω燃烧系统的提出

柴油机的燃烧室结构要有利于燃油迅速扩散到燃烧室顶部区域,从而与空气快速混合加速燃烧。为在较低成本下,采用较为简单的技术,合理组织气流运动,使油气能在燃烧室空间内迅速混合,促进燃烧[8-9]。在保持压缩比不变的条件下,本文提出了一种双ω型燃烧室及双排喷孔燃烧系统,如图1所示。

图1 燃烧系统结构简图Fig.1 Schematic diagram of combustion system structure

新的燃烧系统的核心思想为:通过在燃烧室壁面上设置一个凸脊,将燃烧室分为ω形的上、下两个环形区域,分别为上侧的A区和下侧的B区。燃烧室壁面上的凸脊能强化A区与B区间的气流扰动。在上止点前,随着活塞上行,缸内的气流运动以挤流和湍流为主,气流由A区逐渐向B区运动,由于B区的空间半径较小,在其中会形成较强的挤流运动,有助于B区中油气混合。上止点后,活塞下行,在逆挤流和燃烧涡流的作用下B区的气流向外流到A区空间,进一步加快了A区空间内油气混合,促进了燃烧。根据新型燃烧室的形状特点,从匹配双ω燃烧室结构的角度出发,优化设计了一个具有双排喷孔且两排喷孔夹角不同的喷射系统。喷孔交错布置的双排喷孔油嘴具有更好的燃油空间分布特性,通过改变双排喷孔喷油器孔数、孔径、孔分布,可使燃油在轴向上的分布更灵活,使上下两排喷孔中的油束各自喷向所设计燃烧室的A区与B区中,以提高空气利用率,增强油气混合,促进燃烧。

2 试验装置及试验方案

试验选用ZS1100M柴油机,该机为卧式单缸、四冲程、自然吸气、强制水冷直喷柴油机。其主要技术参数如下:缸径×行程为100 mm×115 mm,气缸工作容积为0.903 L,压缩比为17.5,标定功率为12.13 kW(1 h),标定转速为2 200 r/min,最大扭矩为58.9 N·m,最大扭矩时转速为1 500 r/min.试验机型采用侧置式短螺旋进气道,测得Ricardo涡流比为2.55.流量系数为0.294.图2所示为双ω燃烧系统下的发动机台架试验现场,试验中的测试仪器主要包括燃烧分析仪、气体分析仪、烟度计及油耗仪等。

图2 台架试验现场Fig.2 Test site of engine bench

通过与原机对比,试验主要研究了不同几何形状下双ω燃烧室、油嘴突出高度、不同双排喷孔分布及其组合下油耗和排放特性。

图3为在压缩比不变的条件下试验使用的双ω燃烧室形状简图。新设计的3种不同喉口直径的双ω燃烧室,喉口直径分别取57 mm、65 mm、72 mm,分别称之为57型、65型、72型燃烧室方案。其中57型与65型呈缩口,72型呈开口。原机为传统的直口ω型燃烧室,喉口直径为57 mm,称之原机燃烧室方案。图4为试验中采用的4种不同形状燃烧室的活塞实物图。

图3 不同几何形状燃烧室轮廓线Fig.3 Geometric shapes of different double ω combustion chambers

图4 不同几何形状燃烧室的活塞Fig.4 Pistons with different combustion chambers

图5 单排喷孔与双排喷孔实物图Fig.5 Photos of single-row and double-row nozzle holes

图5为试验中采用的原机喷嘴单排喷孔与新型喷嘴双排喷孔的局部放大实物图。原机喷嘴参数孔数×孔径为4个×0.32 mm,喷油夹角150°.在保持喷孔总流通面积与原机0.322 mm2基本相等情况下,通过改变孔径及分布形式,设计了如表1所示的3组双排喷孔。

表1 双排喷孔设计方案Tab.1 Design scheme of double-row nozzle holes

为了更清楚示意双排喷孔的空间分布,绘制了如图6所示的3组双排喷孔三维示意图,其中红色喷孔代表上排喷孔,蓝色喷孔代表下排喷孔。两排喷孔位置都在两个同心圆的圆弧上,上、下两排喷孔交错布置,同心圆的圆心所构成的轴线交点距离为1 mm,上排喷孔夹角为150°.为了让下排喷孔喷出的油束进入B区的ω凹坑,加工下排喷孔时,喷孔夹角设置为110°.

图6 双排喷孔分布空间三维示意图Fig.6 Schematic diagram of space distribution of nozzles

3 试验结果分析

为了探究双ω燃烧室的几何形状对柴油机燃烧系统的油耗与排放性能的影响,图7给出了在标定转速2 200 r/min,采用原机单排4孔喷嘴下的不同燃烧室的油耗和排放的对比曲线。从图7可以看出:双ω燃烧室的几何形状对ZS1100M型柴油机的性能有着较大的影响。那是由于双ω燃烧室中的凸脊结构能显著增强燃烧室内A区与B区间的气流扰动,在上止点附近能更好利用挤流的作用去促进混合气燃烧[6-7]。相同喉口直径下,57型双ω燃烧室的油耗be在中高负荷下都比原机燃烧室要低;在功率p为12 kW时,油耗be降低了3.4%,碳烟排放R也从3.6 BSU降低到3.0 BSU,NOχ排放增高了23%.随着双ω燃烧室喉口直径的增大,燃烧室内气流扰动被削弱。在全负荷下,与原机相比,65型双ω燃烧室下的NOχ排放基本不变,但油耗与碳烟排放有所下降,油耗降低了2.2%,碳烟降低到3.3 BSU.72型双ω燃烧室由于喉口直径过大,燃烧室内气流运动的削弱最为明显[10-11],同时又由于采用了更大的凸脊,不利于碳烟的氧化,所以碳烟的排放在所有负荷下都高于其他方案。但在全负荷下,油耗比原机仅略高0.68%的情况下,NOχ排放却降低了13%.

图7 不同燃烧室下性能比较Fig.7 Performance curves of different combustion chambers

对于采用单排喷孔的双ω燃烧室来讲,油嘴突出高度会直接影响到油束在燃烧室壁面碰壁的位置和进入燃烧室A区与B区的燃油量,从而决定了各区的当量比分布。B区的空间相对狭小,着火后,B区的温度上升较快,使得NOχ排放较高[5]。由于65型双ω燃烧室具有较好的油耗与NOχ排放折衷,所以采用65型燃烧室研究油嘴突出高度对双ω燃烧室性能与排放的影响,并与原机燃烧室进行对比。

如图8所示,在2 200 r/min转速下,随着油嘴突出高度从3.6 mm减小到2.6 mm,在各负荷下油耗与碳烟排放都进一步降低,这是因为喷入到A区的油量相应增多,有助于燃油迅速扩散到燃烧室顶部区域,从而促进油气混合,加速燃烧。在75%负荷下,油嘴突出高度2.6 mm时的NOχ排放比油嘴突出高度在3.6 mm时要低一些,与原机燃烧室相比,此时 NOχ排放减小了 5.2%,同时油耗降低了4.1%,碳烟排放降低了16.7%.在全负荷下,NOχ排放略高于原机,而油耗与碳烟排放仍要低于原机,只是降幅减小,依次为2.9%和13.8%.进一步降低油嘴突出高度到1.6 mm,在额定工况下,NOχ排放比原机减小了2.1%.但与油嘴突出高度2.6 mm相比,此时油耗与碳烟排放已经不再降低,这主要是因为油嘴突出高度过低,会使B区的混合气较少,也会降低燃烧室内空气的利用率。

图8 65型燃烧室下油嘴突出高度对性能影响的曲线Fig.8 Effect of protrusion height of nozzle on performance of 65-type combustion chamber

在研究较小喷油压力下采用双排喷孔的喷嘴对油耗与排放性能影响的试验当中,由于试验中的喷油压力较小,试验在额定工况下会发生转速不稳定的现象。而最大扭矩时转速1 500 r/min下每个工况点的测试都很稳定,因此选择在1 500 r/min下探究不同双排喷孔在原机燃烧室内的油耗性能表现。如图9所示,在中小负荷下,较之原机的单排4孔方案,所有双排喷孔方案的油耗都有明显降低。但随着负荷增大,双排喷孔的油耗在高负荷下都呈现上升趋势,说明原机配置双排喷孔后,在高负荷下燃烧发生了恶化。这是因为柴油机高负荷情况下,喷雾贯穿度是影响喷雾燃烧和排放最为重要的因素[12]。在喷孔总流通面积不变的情况下,随着喷孔总数增多,相对喷油速率会下降,喷射动量与喷雾贯穿度也会减小。这在当量比较低的情况下(中小负荷)并没有什么问题,反而可以减少碰壁的燃油,促进预混燃烧,降低油耗。但是,在当量比较大时(高负荷),双排小孔径的喷雾动量将不足以将蒸发的燃油带到空气充足的地区,后喷入的燃油很难向燃烧室外延扩散,而周围的空气又被先喷入的燃油消耗掉了,因此部分燃油会严重缺氧,导致空气利用率降低,最终恶化了燃烧[13]。综合来看,在双排喷孔方案中,上5孔下3孔的喷孔分布在中高负荷下性能更优。而文献[7]在135机型上的数值仿真研究,也发现上5孔下3孔的喷孔分布具有较好的性能表现。

图9 不同喷孔方案下的油耗曲线Fig.9 Fuel consumption curves of different nozzle hole schemes

图10 不同燃烧室与双排喷孔组合下性能比较Fig.10 Performance curves of different combustion chambers with double-row nozzle holes

图10所示为在1500 r/min的转速下,上5孔下3孔的双排喷孔对应不同燃烧室的性能曲线图。从图10可以看出,较于双排喷孔配合原机燃烧室,双排喷孔配合新型双ω燃烧室在中小负荷下可进一步降低油耗,且最低油耗在50%负荷左右;在中小负荷下,双ω燃烧室中的NOχ排放都要高于原机燃烧室。在高负荷下,各燃烧室方案都出现了不同程度的燃烧恶化现象。具体表现为油耗与碳烟排放同时升高。采用双ω燃烧室的各方案在75%负荷开始恶化,而原机燃烧室在全负荷下出现恶化。这主要是因为与原机相比,双ω燃烧室的A区ω凹坑与喷嘴的距离更远。采用双排小孔径后,在75%负荷下,喷雾贯穿度不足造成的空气利用率降低更为明显,不利于燃烧。对比所有双ω燃烧室方案,发现随着喉口直径减小,NOχ排放依次增高,碳烟排放逐渐降低。其中就油耗而言,57型的方案相对最优,而65型与72型差别不大。

由于试验机喷射压力仅有45 MPa左右,原机喷孔数较少、孔径较大,在增加孔数并采用双排小径喷孔后,喷雾贯穿度减小会非常明显。在高负荷下出现了油耗恶化现象。但如果采用孔数较多的高喷射压力平台去布置双排喷孔就能有效避免这一不足。

4 结论

1)双ω燃烧室内的凸脊结构能强化A区与B区间的气流扰动,促进油气混合,降低油耗与碳烟排放。65型双ω燃烧室在保持NOχ排放与原机基本相当的情况下,油耗降低了2.2%,碳烟降低到3.3BSU.

2)油嘴突出高度对双ω燃烧室性能与排放有较大影响。在额定转速下,65型双ω燃烧室在油嘴突出高度为2.6 mm时油耗与碳烟排放最低。

3)原机燃烧室匹配双排喷孔在中小负荷下能显著降低油耗,上5孔下3孔的喷孔分布具有较好的性能表现。喷油压力较低时,双排喷孔在高负荷下出现不同程度的油耗恶化。

4)双排喷孔配合双ω燃烧室在中小负荷下可进一步降低油耗,57型双ω燃烧室在高负荷下燃烧恶化程度最低。

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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

国家自然科学基金项目(51106065、51366002)

魏胜利(1978—),男,副教授,硕士生导师。E-mail:weishengli@ujs.edu.cn;卢泓坤(1990—),男,硕士研究生。E-mail:maxlhk@163.com