燃烧室结构对柴油机性能和排放的影响

曲兴年 周明胜 李远臻 李岩

摘要：本文重点研究了不同的燃烧室结构对柴油机性能和排放的影响。通过ESC试验循环和稳态满载测试确定了满足要求的燃烧室匹配方案。

Abstract： This paper focuses on the influence of different combustion chamber structure on diesel engine performance and emissions. Through ESC test cycle and steady-state full load test， the combustion chamber matching scheme meeting the requirements is determined.

关键词：柴油机;燃烧室;排放

Key words： diesel engine;combustion chamber;discharge

中图分类号：U664.121                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）15-0028-02

0  引言

柴油机燃烧系统的优化即为燃烧室形状、燃油喷射、气流运动三者的一个最优匹配。它对柴油与空气的混合速率和混合质量有着直接的影响，进而影响柴油机的燃烧过程[1]。因此，燃烧系统对柴油机的经济性、动力性、排放特性起着至关重要的作用。

1  燃烧室结构设计

柴油机燃烧技术的开发一直伴随着燃烧室结构的优化，燃烧系统其余参数的变化都要与其相适应的燃烧室结构变化相匹配。因此，燃烧室结构设计是柴油机燃烧系统优化的首要内容。

燃烧室的结构设计受油束射程，油束喷射角度，进气涡流强度以及燃油的雾化程度等因素的综合影响。目前，喷油压力逐渐提高，喷孔数目和喷射角度也有所增加，这都要求燃烧室深度变浅，直径也要变大，形状也由缩口型变为敞开型。故在燃油喷射末期，可以避免油束和燃烧火焰与气缸壁碰撞，利于碳烟排放的降低。

综合考虑排放和冷起动性能，同时借鉴以往机型的开发经验，压缩比拟选在17.0～17.5之间。该方案设计是基于現有的柴油机活塞上进行的，各个燃烧室的具体参数如表1所示，与1号燃烧室相比，2号燃烧室开口直径和双唇直径增大，凹坑深度减小。

2  燃烧室优化计算分析

使用三维软件建模，选取B100工况作为计算工况，通过发动机台架试验获得柴油机性能排放数据和缸压曲线，根据缸压曲线计算得到缸内瞬时和累计放热率曲线，为三维CFD计算中的缸内喷雾、燃烧和排放物生成模型参数标定提供基础的试验数据。

根据经验和计算结果优化出6个不同型线的燃烧室（case1、2、3、4、5、6），其型线如图1所示。

将优化的燃烧室与喷油器（选取三组不同流量的喷油器，A1>A2>A3）进行正交计算，并绘制ISFC-ISNOX和ISFC-ISPM之间的trade-off关系图，如图2所示。

根据计算结果可以看出，大流量喷油器在油耗和PM上均优于小流量喷油器，16.3压缩比燃烧室与A1喷油器组合对于油耗和PM降低效果最明显，但NOX排放恶化。所以，将16.3压缩比燃烧室与A1喷油器组合作为首选方案。定义为1号燃烧室。case1与A3小流量喷油器在油耗及排放上降幅较小，作为备选方案。定义为2号燃烧室。

3  优化计算结果试验验证分析

进行燃烧室结构对柴油机性能的影响的试验时，均采用喷油锥角为148°的8孔喷油器，喷油控制参数相同，喷油压力设为160MPa，并且均为单次喷射。

全负荷工况下两者的缸内最高爆发压力与转速的关系基本一致。图3是全负荷工况下，放热量为总放热量50%所对应的曲轴转角位置曲线。由图可知1号燃烧室放热稍稍早于2号，但不明显。可能因为是1号燃烧室的径深比Da/T比2号燃烧室小，油气混合的质量、速度均优于2号燃烧室，故燃烧始点稍有提前。

全负荷工况下，两种燃烧室对应的NOX以及soot排放见图5和图6。1号燃烧室和2号燃烧室有关NOX的排放值基本相同，但是2号燃烧室的soot排放优于1号燃烧室，在中高转速时尤其明显。可能的原因是：2号燃烧室过量空气系数较高（图4），进气流量也略高，有利于缸内高温过浓区域的减少，从而降低了soot的比排放;同时，2号燃烧室的径深比Da/T大，有利于soot在新鲜空气中的氧化。

经过以上的对比及分析，1号和2号燃烧室的全负荷性能基本相同，NOX排放随转速变化趋势相差不大，且都处于较低水平。在soot排放方面，2号燃烧室存在一定的优势。

4  结论

本章对燃烧系统进行了优化，主要集中在燃烧室结构的设计，对不同结构的燃烧室进行匹配后发现，1号和2号燃烧室的全负荷性能相差不大，额定点功率都满足要求。因为实测压缩比略有差异，2号燃烧室比油耗略高于1号，但基本满足要求。全负荷时，两者的NOX排放水平相差不大，且都处于较低水平。在soot排放方面，2号燃烧室明显优于1号燃烧室。

参考文献：

[1]朱坚.燃烧系统结构参数对柴油机性能影响的试验研究[D].广西大学，2005.

[2]吴承雄.内燃机缸内湍流运动数值模拟研究[J].内燃机学报，1997（4）：398-404.

[3]刘建英.高强化柴油机燃烧系统参数优化匹配的多维仿真研究[D].北京交通大学，2007.

[4]徐丹.柴油机燃烧室及喷油系统多参数优化匹配研究[D].北京理工大学，2015.