燃燒室對4190船用柴油機燃燒及排放性能的影響

黃加亮， 溫 朋， 尹自斌， 朱 鈺(1.集美大學 a. 輪機工程學院；b. 誠毅學院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021)

燃燒室對4190船用柴油機燃燒及排放性能的影響

黃加亮1a,2， 溫 朋1b， 尹自斌1a,2， 朱 鈺1a,2
(1.集美大學 a. 輪機工程學院；b. 誠毅學院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021)

結合4190ZLC-2型船用柴油機電控化改造項目，應用AVL_FIRE專業軟件，建立柴油機缸內高壓循環的仿真模型，通過臺架試驗獲得缸壓曲線，驗證模型的正確性。利用該模型研究燃燒室型式、結構參數對燃燒過程和排放濃度等的影響。結果表明：縮口燃燒室的排放性能最好；喉口直徑較小時，NOx排放濃度低，但是碳煙排放濃度較高；凸臺高度增大使得缸內高溫區面積減小，缸內最高溫度增大，凸臺高度越小，NOx排放濃度越高，但碳煙排放濃度較低；隨著凹坑半徑增大，缸內最高溫度和壓力逐漸增大，排放濃度也會受到很大影響。

船舶工程；4190ZLC-2型柴油機；喉口直徑；凸臺高度；凹坑半徑；燃燒室；排放濃度

燃燒室承擔著油氣混合與燃燒的功能，燃燒過程的好壞對柴油機的動力性、經濟性和排放特性有著重要影響，因此研究燃燒室幾何結構對燃燒過程的影響具有深遠意義。[1]RISI等[2]研究了不同燃燒室形狀對缸內流場、溫度場、NOx和碳煙排放的影響。ZHU等[3]研究了3種不同燃燒室唇部形狀和凹坑半徑對柴油機缸內混合及燃燒過程的影響。王錫斌等[4]研究了燃燒室縮口、底部凸臺和燃燒室偏心對缸內流場的影響，并通過發動機試驗研究了燃燒室幾何形狀對發動機性能的影響。郭曉平等[5]在不改變燃燒室體積的情況下，通過改變燃燒室的口徑比和徑深比，對柴油機的工作過程進行了仿真計算。尚勇等[6]通過對ω型燃燒室進行參數化設計思想的分析，得到了影響燃燒室形狀的3個獨立參數，并在定容的情況下對各獨立變量進行了改變，設計出了變參數系列的燃燒室。這里主要從燃燒室型式、燃燒室結構參數對燃燒及排放性能的影響等方面入手，對傳統ω型燃燒室進行深入研究。

1 研究對象及仿真模型的建立

研究對象為4190ZLC-2型船用四沖程渦輪增壓柴油機[7]，其主要參數見表1。

表1 4190ZLC-2型船用四沖程渦輪增壓柴油機主要參數

利用AVL_FIRE軟件建立柴油機燃燒系統的仿真模型，對缸內燃燒過程進行仿真計算。由于利用AVL_FIRE軟件中的柴油機高壓燃燒模塊ESE(Easy Simulation Environment)可方便快捷地建立不帶氣道的部分模型，因此僅用一個扇區對噴霧和燃燒進行模擬計算。建立的1/8燃燒室模型見圖1。

圖1 1/8燃燒室模型

模型構建及驗證：湍流流動模型選用K-ε模型；噴霧破碎模型選用WAVE模型；液滴蒸發模型選用Dukowicz模型；碰壁模型選用Walljet1模型；湍流擴散模型選用Enable模型；燃燒模型選用渦耗散模型；NOx排放物生成模型選用Zwldovich模型；碳煙模型選用Kennedy Hiroyasu Magnussen模型。

仿真計算結果和試驗測得結果對比見圖2，仿真所得示功圖與試驗測得的示功圖趨勢一致且吻合良好，表明高壓循環模型準確，并可利用該模型對柴油機燃燒室的工作過程和燃燒產物進行仿真分析。

圖2 仿真計算結果和試驗測得結果對比

2 燃燒室型式對燃燒和排放的影響

4190ZLC-2型柴油機燃燒室為半開式結構，燃燒室內的霧化以空間混合為主，因此其形狀對霧化有著重要影響。為對燃燒室結構進行優化，在保證壓縮比不變的前提下，首先設計一個縮口燃燒室和一個開口燃燒室的模型(見圖3)，并將其與原機燃燒室進行對比分析。仿真計算得到噴油時不同燃燒室、不同時刻速度場的形成過程(見圖4)。

a)縮口燃燒室b)開口燃燒室

圖3 縮口、開口燃燒室模型

由圖4可知，噴射油束對缸內氣流運動有非常重要的影響，會形成高速的氣流。在燃油噴射過程中可看出：縮口燃燒室和開口燃燒室內氣體的流動速度高于原機，特別是縮口燃燒室；此外，由于油束的存在，在縮口燃燒室中形成與噴霧方向成90°的氣流，有利于氣體混合。各個燃燒室在上止點(Top Dead Centre, TDC)后20°CA(After TDC, ATDC)都有旋轉氣流生成：原機燃燒室的回流出現在中下部，且方向向上，能很好地將混合氣體擴散到整個中部；縮口燃燒室的回流出現在喉口部位，能將混合氣體擴散到上部和中部；開口燃燒室的回流出現在中上部，能將混合氣體集中到燃燒室右部。

圖5為各燃燒室型式對柴油機缸內平均壓力和溫度的影響。由圖5a可知：原機燃燒室的最高爆發壓力出現較早；縮口燃燒室的最高壓力出現最晚，著火點相對靠后，有利于柴油機有效功率的增加。由圖5b可知：開口燃燒室內的溫度比縮口燃燒室低，對碳煙在缸內后期氧化有一定的影響；原機燃燒室的最高溫度最高，會影響缸內NOx的生成。

圖6為各燃燒室型式對NOx和碳煙生成的影響。從圖中可看出，縮口燃燒室的NOx生成量和碳煙生成量都低于另外2種燃燒室，特別是開口燃燒室。原因是縮口燃燒室擠流強度大，氣缸內湍流動能較大，擴散燃燒加強，有利于抑制碳煙的生成；而開口燃燒室的溫度高，符合NOx生成的高溫富氧條件。原機燃燒室的碳煙生成量最大值與開口燃燒室相同，但是原機燃燒室中后期湍流能量耗損大，氣體流動性較好，使得碳煙的氧化量大、排氣中含量少；而開口燃燒室最終的排放量最大，這與其溫度在后期降低過快、碳煙氧化過程的時間較短使得氧化量減少有關。考慮到原機燃燒室電控化改造對排放性能的要求，縮口燃燒室的排放特性最好。

10°CA(BTDC)

TDC

20°CA(ATDC)

a)對缸內壓力的影響b)對缸內溫度的影響

圖5 各燃燒室型式對缸內平均壓力和溫度的影響

a) 對NOx生成的影響

b) 對碳煙排放的影響

3 燃燒室結構參數對燃燒和排放性能的影響

傳統的ω型燃燒室的形狀由喉口直徑(d)、出口角度、凹坑半徑(R2)、凸臺高度(h)和凸臺半徑(R1)等變量決定(見圖7a)。這里主要研究喉口直徑、凸臺高度及凹坑半徑對燃燒和排放性能的影響。設計考慮的燃燒室結構參數變化情況見表2。

表2 燃燒室結構參數變化情況

3.1喉口直徑對柴油機燃燒和排放性能的影響分析

保持燃燒室體積固定不變，喉口直徑d變化，凸臺傾角和燃燒室最大深度隨之變化。d的變化系列見圖7b。

圖8為喉口直徑對放熱率和缸壓的影響。通過分析可知，燃燒室喉口直徑d對放熱率的影響較大，由于d對滯燃期φi的影響不大，且噴油和進氣系統等參數均保持不變，因此可認為放熱率出現差異的原因是d的不同導致φi內油氣混合過程不同。放熱率的第二峰值隨d的增大而增大。TDC前d變化對缸壓的影響很小，其后逐漸增大；TDC后隨著d增大，壓力峰值逐漸增大。

a)ω型燃燒室廓形b)燃燒室喉口直徑變化c)燃燒室凸臺高度變化d)燃燒室凹坑半徑變化

圖7 燃燒室結構參數及變化系列

圖8 喉口直徑對放熱率和缸壓的影響

圖9為不同喉口直徑、不同時刻缸內燃空當量比的分布。通過對比分析可知，TDC時刻喉口直徑d越大的燃燒室，混合氣濃區越接近中央凸臺。油束著壁后，沿燃燒室壁面繼續向擠流區發展，d較小的燃燒室由于撞壁時刻較早，進入擠流區的混合氣較多，且著壁點靠近喉口唇部，因此濃混合氣區是由唇口處分別向擠流區和凹坑擴展的；而d較大的燃燒室，油束在10°CA (ATDC)時刻己撞擊中央凸臺，因此后期濃混合氣區是沿中央凸臺依次向凹坑和擠流區擴展的，這就造成了在20°CA (ATDC)時刻混合氣濃區分布的差異。d較小的燃燒室，混合氣濃區分布在擠流區和凹坑處；d較大的燃燒室混合氣濃區分布在燃燒室側壁和擠流區。d過大或過小都不利于油氣混合過程的進行，因此應選取合適的d，使油束著壁點位于喉口唇部附近，這樣既可充分利用燃油撞壁的動能，增加燃油的分布范圍，又可避免油束因撞擊中央凸臺而在壁面堆積。

TDC

10°ATDC

20°ATDC

圖10為d對NOx和碳煙排放的影響。通過分析可知：隨著d的增大，NOx生成的質量分數先減小后增大，d=135 mm時，NOx生成的質量分數最低；而碳煙生成的質量分數則剛好相反，d增大時，碳煙生成量先增大后減小，這與缸內溫度水平直接相關。

3.2凸臺高度對燃燒和排放性能的影響分析

保持燃燒室體積固定不變，凸臺高度h變化，凸臺傾角和燃燒室最大深度隨之變化。h的變化系列如圖7c所示。

a) 對NOx的影響

b) 對碳煙排放的影響

圖11為不同凸臺高度h在不同時刻缸內溫度場分布。通過對比分析可知：在TDC時刻，h為2.6 mm時最高溫度達到了2 211.2 K，預混燃燒階段的放熱率最大；在10°CA(ATDC)時刻，h越大，油束下側的高溫區越靠近凹坑底部，使得高溫區面積越小，但是缸內最高溫度越大；在20°CA(ATDC)之后，高溫區面積隨著h的增加而減小，當h較小時，油束下側高溫區主要集中在凹坑處，隨著h增加，位于凹坑處的高溫區逐漸向擠流區擴展。

圖12為凸臺高度h對NOx與碳煙排放影響。分析可知：h=2.6 mm時NOx生成的質量分數明顯高于h=4.6 mm和h=6.6 mm時的，碳煙生成的質量分數與之相反。這是因為h越小，高溫區面積越大，越符合NOx生成的高溫富氧的條件。

3.3凹坑半徑對燃燒和排放性能的影響分析

保持燃燒室體積固定不變，凹坑半徑R2變化，凸臺傾角和燃燒室最大深度隨之變化。R2的變化系列如圖7d所示。

TDC

10°ATDC

20°ATDC

圖13為R2對缸內壓力和溫度的影響。由該圖可知：隨著R2的增大，缸內壓力峰值由9.866 8 MPa增加到10.148 3 MPa，這有利于柴油機有效功率的增加；同時，缸內溫度峰值也由1 657.56 K增加到1 722.25 K。由此可見，隨著R2增大，缸內溫度和壓力均增大。

圖14為R2對NOx和碳煙排放的影響。隨著燃燒過程持續進行，缸內溫度迅速增高，NOx生成量也迅速增加，缸內NOx的生成趨勢與溫度的變化趨勢是一致的。隨著R2增大，NOx生成的質量分數逐漸增大，碳煙生成的質量分數逐漸減小。這是因為R2越小的燃燒室，后燃現象越嚴重，這可以解釋R2=14 mm時，碳煙生成的質量分數在后期仍維持較高水平的現象。

a) 對NOx生成的影響

b) 對碳煙排放的影響

a)對缸內壓力的影響b)對缸內溫度的影響

圖13 凹坑半徑對缸內壓力和溫度的影響

a) 對NOx生成的影響

b) 對碳煙排放的影響

4 結束語

借助AVL_FIRE仿真軟件對4190ZLC-2型船用中速柴油機進行了仿真計算，仿真結果與試驗結果能較好地吻合，驗證了模型的正確性。針對不同燃燒室型式以及燃燒室結構參數中喉口直徑、凸臺高度、凹坑半徑對燃燒過程和排放濃度的影響進行了研究，總結出以下結論。

1) 燃燒室型式對柴油機燃燒過程和排放濃度有一定影響，以排放特性為目的的電控化改造中采用縮口燃燒室時NOx和碳煙生成的影響最小。

2) 喉口直徑d對滯燃期φi內油氣混合過程有顯著影響，進而影響缸內放熱率，d增大使NOx生成的濃度增大，但是減少了碳煙的生成量。

3) 凸臺高度h的變化對缸內溫度場的分布有顯著影響：h增大使缸內高溫區面積減小，但缸內最高溫度增大；h越小，NOx濃度越大，碳煙的生成量卻越小。

4) 凹坑半徑R2對柴油機排放濃度也有很大影響，R2過大或過小都會導致NOx濃度增加。

下一步方案還要考慮更多可能涉及的因素，如噴油系統參數、進氣參數部分以及上述因素之間相互匹配作用的影響。

[1] 黃少竹. 船舶柴油機[M]. 大連：大連海事大學出版社，2006：141-192.

[2] RISI A D, MANIERI D F, LAFORGIA D. A Theoretical Investigation on the Effects of Combustion Chamber Geometry and Engine Speed on Soot and NOx[C]. Proceedings of the 1999 Fall Technical Conference, 1999.

[3] ZHU Y, ZHAO H, MELAS D A,etal. Computational Study of the Effects of the Re-Entrant Lip Shape and Toroidal Radii of Piston Bowl on a HSDI Diesel Engine's Performance and Emissions[C]. SAE Paper, 2004.

[4] 王錫斌，馬志豪，蔣德明. 燃燒室幾何形狀對缸內氣體流動和發動機性能的影響[J]. 內燃機工程,2002, 23(2): 6-11.

[5] 郭曉平，王占杰. 不同口徑比和徑深比燃燒室工作過程分析[J]. 內燃機與動力裝置,2006(3): 30.

[6] 尚勇，劉福水，李向榮，等. 柴油機ω型燃燒室參數化設計及參數靈敏度分析[C]. 中國工程熱物理學會燃燒學學術會議論文, 2009.

[7] 黃加亮，喬英志，王丹. 4190ZLC船用柴油機工作過程仿真與整機性能優化研究[J]. 中國造船，2012, 53(3): 199-207.

[8] 尹自斌，朱鈺，馬海濤，等. 某柴油機電控組合泵系統噴射性能試驗研究[J]. 內燃機工程，2013, 34(6): 76-80.

ImpactofCombustionChamberonCombustionProcessandEmissionsin4190TypeMarineDieselEngine

HUANGJialiang1a,2,WENPeng1b,YINZibin1a,2,ZHUYu1a,2
(1a. Marine Engineering Institute; 1b. Chenyi College, Jimei University, Xiamen 361021, China; 2. Key Laboratory of Ship and Marine Engineering, Xiamen 361021, China)

The Influence of the combustion chamber parameters on the combustion process and emission concentrations in the 4190ZLC-2 marine diesel engine are studied with an AVL_FIRE in-cylinder high-pressure cycle model, which has been verified through bench testing experiment. The simulation shows that the combustion chamber with reduced throat performs best. The simulation tells the following facts: With smaller throat diameter, NOxemission concentration is lower while the soot concentration is higher; the increase of center-crown height reduces the high temperature area in cylinder but increase the highest temperature in it; the smaller center-crown height, the higher NOxemission concentration and the lower soot concentration; With increase of bowl bottom radius, the maximum temperature and the pressure in cylinder increases gradually; bowl bottom radius also has great influence on the emission of diesel engine.

ship engineering; 4190ZLC-2 type diesel engine; throat diameter; center-crown height; bowl bottom radius; combustion chamber; emission concentration

2015-04-20

福建省自然科學基金(2012J01230)；福建省科技廳資助省屬高校專項基金(JK2013025)

黃加亮(1963—)，男，福建泉州人，教授，主要從事船舶柴油機性能優化與排放研究。E-mail: jlhuang@jmu.edu.cn

溫 朋(1989—)，男，河南許昌人，碩士，主要從事船舶柴油機性能優化與排放研究。E-mail: 294681517@qq.com

1000-4653(2015)03-0023-06

U664.1；TK423.5

A