双斜切燃烧室及其与油束夹角匹配对重型柴油机性能影响研究＊

2019-09-23祖炳锋历成强徐玉梁白杨

汽车技术 2019年9期

祖炳锋历成强徐玉梁白杨

（1.天津大学，天津 300072；2.天津内燃机研究所，天津 300072）

主题词：重型柴油机双斜切燃烧室油束夹角 CFD仿真

1 前言

随着传统能源日益减少以及环境问题越来越严峻，内燃机需要进一步挖掘其节能潜力以适应严苛的油耗和排放法规。美国“超级卡车计划”第一阶段使柴油机热效率达到了50%，美国国家科学基金会和能源部已经建立了合作项目，以实现重型柴油机达到55%的有效热效率目标，这是柴油机热效率的发展目标[1]。

近年来，由于柴油机喷油压力的不断提高，油气混合主要依靠喷雾，降低了对进气涡流的要求。为了提高柴油机的经济性以及使其易于起动，燃烧室的凹坑需要设计得较浅[2]。为了组织良好的缸内油气混合，许多研究人员提出了多种关于燃烧室结构改进的设计方案[3-6]。

为了达到低油耗、低排放的设计要求，本文在某型国Ⅴ重型柴油机的基础上设计了一种双斜切燃烧室并探究了燃烧室形状及其与喷油器油束夹角的匹配对柴油机燃烧性能的影响。

2 模型的建立及其标定

基于CONVERGE软件对某重型柴油机的工作过程进行仿真计算，该柴油机的参数如表1所示。燃烧模型采用SAGE 模型，湍流模型采用RNGk-ε模型，雾化模型采用的子模型有O'Rourke湍流扩散模型、KH-RT破碎模型、Frossling 蒸发模型、NTC Collision 碰撞模型、Rebound/Slide 模型、Dynamic Drop Drag 模型和Wall film碰壁模型，排放模型采用Extended Zeldovich NOx模型和Hiroyasu碳烟模型。

表1 柴油机基本参数

2.1 计算方案的设计

本文在原机燃烧室（燃烧室1）的基础上设计了一种双斜切燃烧室（燃烧室2），如图1 所示，部分参数如表2所示。为保证2套燃烧室压缩比一致，通过调整活塞顶部高度弥补因结构不同引起的燃烧室容积变化。

图1 2种燃烧室形状示意

表2 2种燃烧室结构部分参数

对于特定的燃烧室形状，喷油落点直接受油束夹角的影响，而喷油落点与油气混合和燃油分布情况直接相关，从而影响燃烧进程。针对双斜切燃烧室和原机燃烧室，在保证喷油压力、喷孔数量、喷孔直径和喷油速率等喷油参数不变的情况下，分别改变油束夹角形成6 组计算方案来探究燃烧室形状和油束夹角的匹配问题，如表3所示。喷油系统采用预喷和主喷的喷油策略[7-8]，喷油参数如表4所示。

表3 6组计算方案

表4 喷油器喷油参数（额定工况）[7-8]

2.2 模型标定

6 组方案采用相同的一维热力学边界条件：进气道入口的主要边界条件是瞬态进气质量流量和进气温度；排气道出口的主要边界条件是瞬态排气压力和排气温度；其他壁面的主要边界条件是相应的温度。发动机1 个完整循环是从362°CA（此时进气门升程为0.2 mm）开始，到1 082°CA 结束，压缩上止点为720°CA。为了验证燃烧模型的准确性，将原机三维计算缸压和试验缸压进行了对比，结果如图2 所示，可知所得模拟缸压曲线与试验缸压曲线十分接近，将原机三维计算放热率与一维标定放热率进行了对比，结果如图3所示，由图3可看出，二者曲线也较为接近，验证了燃烧模型的准确性。

图2 原机三维缸压与试验缸压对比

图3 原机三维放热率与一维标定放热率对比

3 计算结果对比分析

3.1 柴油机指示燃油消耗率对比分析

图4所示为柴油机指示燃油消耗率曲线，相同油束夹角下，采用燃烧室2的柴油机燃油经济性更好，2组燃烧室都在喷油油束夹角为145°时经济性更好。但燃烧室1匹配140°和145°油束夹角时，指示燃油消耗率差距不大。

图4 采用2种燃烧室的柴油机指示燃油消耗率

3.2 柴油机动力性对比分析

平均指示压力（Indicated Mean Effective Pressure，IMEP）用于从实际循环的角度评价发动机气缸工作容积利用率，其值越大，排量相同的发动机会做更多功[2]。所以，采用缸内平均指示压力评价柴油机的动力性能。图5所示为采用2种燃烧室的柴油机平均指示压力对比曲线，从图5可看出，采用燃烧室2的柴油机动力性较采用燃烧室1的柴油机好。对于动力性而言：燃烧室1匹配145°油束夹角为最佳，但匹配140°油束夹角也可达到设计目标，匹配这2种油束夹角的燃烧室1在IMEP数值上差距不大；燃烧室2匹配145°油束夹角为最佳。

图5 柴油机平均指示压力曲线

3.3 柴油机排放特性对比分析

柴油机的排放控制以NOx和碳烟为主，机内净化是降低柴油机污染物排放量的主要途径。燃烧持续期的缩短以及在较低温度下燃烧会减少NOx的生成，但柴油机很难同时降低燃油消耗量和NOx排放量。碳烟产生的原因是油气未充分混合时局部即开始燃烧，局部的高温缺氧使碳烟大量生成，同时提高了燃油消耗量，而NOx生成的原因主要是高温富氧[3,9]。所以，为减少碳烟和NOx的生成，需组织良好的油气混合和实现低温燃烧。

图6 所示为采用2 种燃烧室的柴油机NOx生成曲线，从图6可看出，采用燃烧室1的柴油机NOx排放量较采用燃烧室2 的少。对于生成NOx而言：燃烧室1 匹配150°油束夹角为最佳，但匹配140°油束夹角也可达到设计目标；燃烧室2匹配140°油束夹角较为合适；燃烧室1受油束夹角的影响较燃烧室2小。

图6 采用2种燃烧室的柴油机NOx生成曲线

图7 所示为采用2 种燃烧室的柴油机碳烟生成曲线，由图6和图7可看出，碳烟和NOx排放控制存在相互制约的关系，对于生成碳烟来说，燃烧室1和燃烧室2匹配140°油束夹角均较为合适，匹配145°油束夹角与匹配140°油束夹角的燃烧室2在碳烟排放量上相差很小。

图7 采用2种燃烧室的柴油机碳烟生成曲线

综合考虑柴油机经济性、动力性和排放性能，确定燃烧室1匹配油束夹角为140°，燃烧室2匹配油束夹角为145°。匹配145°油束夹角的燃烧室2 的平均指示压力较匹配140°油束夹角的燃烧室1高3.1%，指示燃油消耗率低3.0%，碳烟排放量低14%，但NOx排放量高12.1%。综上，燃烧室2 整体性能优于燃烧室1，即新设计的双斜切燃烧室整体性能优于原机燃烧室。所以以方案1代表原机燃烧室，方案5代表新设计的双斜切燃烧室，从燃烧放热率、缸内涡流比和缸内湍动能的角度考察新设计的双斜切燃烧室。

图8 所示为2 种燃烧室燃烧放热率曲线，从图8 可看出：自曲轴转角为730°起，燃烧室2 放热率明显高于燃烧室1；在曲轴转角730°～745°范围内，燃烧室2 的放热率均高于燃烧室1，这增强了中后期燃烧，提高了热效率，降低了指示燃油消耗率，使得新设计的双斜切燃烧室油耗较原机燃烧室低。燃烧持续期的放热率越大，IMEP也会越大，使得新设计的双斜切燃烧室在动力性方面优于原机燃烧室。因在燃烧持续期的燃烧放热率较高，温度上升较快，燃烧较充分，故燃烧室2碳烟生成量较少，但高温富氧区域的存在使得NOx生成量会较多。

图9和图10分别为2种燃烧室的缸内平均湍动能和缸内涡流比曲线。整体上看，这2种方案的湍动能曲线和涡流比曲线几乎重合，这是因为2组方案采用了相同的进气道，进气道结构改变较燃烧室结构改变对湍动能和涡流比的影响更大。但在曲轴转角为730°～740°时，燃烧室2的缸内平均湍动能较燃烧室1大，这是由于2种燃烧室结构的不同引起的，表明新设计的双斜切燃烧室缸内混合程度更好，故其综合性能好于原机燃烧室。

图9 2种燃烧室的缸内平均湍动能曲线

图10 2种燃烧室的涡流比曲线

4 双斜切燃烧室燃烧性能分析

选取最佳喷油油束夹角为145°的燃烧室2（方案5）为分析对象，从缸内油气混合、雾化情况来分析双斜切燃烧室的优势。

4.1 缸内速度场分布

燃烧室2 部分时刻缸内速度场分布如图11 所示。由图11a和图11b可看出，活塞向上压缩接近上止点时，在上止点产生了较强的挤流运动，提高了燃烧室内湍流强度，实现了快速燃烧，改善了燃烧进程[4,10]；由图11b可看出，在油束传播过程中，靠近双斜切燃烧室壁面拐角处形成了明显的漩涡，这加强了油气混合，促进了燃油雾化，从而改善了发动机燃烧过程[11]；由图11c和图11d可看出，在膨胀行程中，以唇口拐角为分界，下部燃烧室凹坑内形成了强烈的漩涡，这种气流运动加强了油气混合，提高了热效率，改善了发动机排放性能[12]。

图11 燃烧室2部分时刻缸内速度场分布

4.2 缸内燃空当量比分布

图12 所示为燃烧室2 部分时刻缸内燃空当量比分布情况，主喷在716.5°CA 时开始，至735.1°CA 时结束。由图12a 可看出，燃油喷射初期，燃油以大颗粒油滴形式聚集在喷油器喷孔附近；由图12b可看出，在18.6°CA的喷油持续期内，燃油由开始的大油滴状态逐步蒸发成燃油蒸气，在此过程中燃油与压缩空气进行混合，油束与空气之间发生扰动；由图12c和图12d可看出，在曲轴转角为725°时刻，油束已经到达双斜切燃烧室壁面的拐角，并沿着壁面向上和向下分流。由于部分燃油沿着燃烧室壁面向富氧区域运动，提高了空气的利用率，所以双斜切燃烧室可降低燃油消耗量和碳烟排放量，但NOx排放量会有所增加。这种双斜切燃烧室也会使更多的燃油蒸气在气缸盖附近燃烧，如图12e所示。由此可知，双斜切燃烧室可改善发动机的中后期燃烧，实现快速燃烧。

4.3 缸内温度场分布

燃烧室2 缸内部分温度场分布情况如图13 所示。曲轴转角为717°时，燃油还未被压燃（见图13a），直到718°CA 时燃油开始燃烧（见图13b），主喷喷油开始时刻是716.5°CA，这说明主喷滞燃期为1.5°CA，小于一般同转速下柴油机的滞燃期。其原因在于：一是采用了预喷和主喷的喷油策略，预喷使缸内温度和压力升高，加快主喷燃油的雾化、加热、蒸发、扩散和与空气混合等物理过程及加速燃油和空气的化学反应进程；二是特殊的燃烧室结构，在压缩上止点产生了较强的挤流运动，加强了油气混合，使得燃烧平稳，燃烧噪声降低。从图13e和图13f中可以看出，高温富氧区域较多，所以NOx生成较多。从图13g 和图13h 中可以看出，温度分布比较均匀，说明燃烧较为快速、均匀、充分，所以碳烟排放量较低。

图12 燃烧室2部分时刻缸内燃空当量比分布

5 样机试制和试验分析

对双斜切燃烧室进行了样机试制，通过台架试验对原机燃烧室（方案1）和双斜切燃烧室（方案5）进行对比分析，同时验证三维CFD仿真的准确性。

5.1 试验设备与条件

在AVL台架试验系统中开展试验，试验对象为3.5 L国Ⅵ柴油机，无后处理。试验设备包括AVL 试验台架及控制系统、AVL735 油耗仪、AVL 燃油温度控制装置、AVL 冷却液温度控制装置、AVL439 不透光式烟度计、AVL415 滤纸式烟度计、AVL 燃烧分析仪、HORIBA MEXA-7500系列发动机直采排放分析仪等。发动机台架试验边界条件如表5所示。

图13 燃烧室2部分时刻缸内温度场分布

表5 试验边界条件

5.2 试验结果分析

通过对匹配140°油束夹角的燃烧室1 和匹配145°油束夹角的燃烧室2进行样机台架试验，得到样机部分转速外特性工况下的扭矩、功率和有效燃油消耗率曲线，分别如图14和图15所示。

图14 样机外特性下扭矩和功率曲线

图15 样机外特性下有效燃油消耗率曲线

从图14可看出，发动机转速为1 400 r/min以上时，燃烧室2的扭矩和功率基本高于燃烧室1，说明燃烧室2的动力性优于燃烧室1。从图15可看出，发动机转速为1 400 r/min 以上时，燃烧室2的有效燃油消耗率均低于燃烧室1，表明燃烧室2的燃油经济性好于燃烧室1。

表6所示为在发动机额定工况点，匹配140°油束夹角的燃烧室1和匹配145°油束夹角的燃烧室2的部分性能参数。由表6可知：在动力性方面，燃烧室2的扭矩和功率分别较燃烧室1高5.1%和5.6%；在经济性方面，燃烧室2的有效燃油消耗率较燃烧室1低3.2%；在排放性能方面，燃烧室2 的NOx生成量较燃烧室1 高11.4%，燃烧室2 的烟度较燃烧室1 低19.0%。综合来看，双斜切燃烧室的综合性能优于原机燃烧室，这也表明仿真结果与试验数据一致性较好。