輕量化單缸短行程直噴式柴油機噴油器和燃燒系統匹配研究

韋海燕，楊　耿，何　然，周曉蓉

（1.廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530004；2.廣西貴港動力股份有限公司，廣西 貴港537100）

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輕量化單缸短行程直噴式柴油機噴油器和燃燒系統匹配研究

韋海燕1，楊耿1，何然2，周曉蓉1

（1.廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530004；2.廣西貴港動力股份有限公司，廣西 貴港537100）

摘要：為了改善輕量化的GD190單缸短行程直噴式柴油機的工作性能，建立了三維動態CFD模型并進行了模擬計算，重點分析了噴油器的安裝深度，以及油束夾角對缸內氣流運動的影響。計算結果表明：在燃油開始噴射后，環形空間中的氣體向內流到燃燒室，與油束切向力的相互作用，在油束夾角較大時，在油束上部形成明顯的漩渦；油束下方氣流基本保持油束帶動的漩渦流動。

關鍵詞：單缸直噴式柴油機；噴油器；燃燒系統

影響小缸徑單缸直噴式柴油機燃燒系統的主要因素有：進氣系統、噴油系統、燃燒室形狀［1］。良好的缸內氣流運動是單缸直噴式柴油機形成良好混合氣，是降低排放的重要途徑［2］。合理選擇柴油機噴油系統參數、燃燒室形狀、進氣道的結構，對減少燃油系統參數組合方案的數量、試驗的工作量和盲目性，節約成本，加快產品開發的進程無疑是十分有益的。

GD190單缸直噴式柴油機進行輕量化設計后，柴油機質量輕（65 kg），行程短（80 mm），汽缸蓋上的零件分布較為密集，出現柴油機冒黑煙、動力和經濟性不好的問題。經分析螺旋進氣道和燃燒室的結構布置受到限制，進氣道的流通特性不好，壓縮終了混合氣的溫度和壓力也不夠高，需要適當的進氣渦流與燃燒室和噴油器進行配合，以形成良好的混合氣。目前已經對螺旋進氣道進行了研究，并取得了一定的進展［3］。

為了進一步改善發動機的工作性能，現對噴油器的霧化與燃燒系統的匹配進行研究。使用AVL軟件對不同噴油器與燃燒室的匹配進行模擬，對缸內氣體流動以及發動機的排放進行分析，選取合適的噴油器，并且確定適當的安裝位置，最后通過實驗驗證了模擬的可靠性，改善了柴油機冒黑煙的問題，提高了柴油機的動力和經濟性。

1　燃燒系統匹配原理分析

直噴式單缸柴油機氣缸蓋較小，結構非常緊湊，小缸徑單缸直噴式柴油機燃燒室的尺寸較小，噴射油線較短，給組織燃燒過程帶來了很大的困難，工作時多數燃油噴到燃燒室壁面上，影響油氣混合，因此進氣系統要有較強的渦流［4］，以便使燃燒系統能夠形成質量較高的混合氣，通常采用螺旋進氣道與ω型燃燒室進行組合，同時配以適當的噴油器的結構和布置形式。

根據分析，多孔小孔徑噴油嘴在ω型這種圓周半徑相等的燃燒室中，油線愈多，分布愈均勻，燃油的濃度反差愈小，與空氣的混合則越好，燃燒也越好，容易取得較好的經濟性指標和排放值［5］。但是油孔愈小、孔數愈多、需要油壓愈高，制造的難度越大，使用可靠性越差。因此應適當選擇噴油嘴的孔數和相關參數［6］，并且對噴油器與燃燒系統的匹配進行仿真研究。

2　仿真參數選取

（1）進氣道

根據文獻［3］利用FIRE建立相應的進氣道三維模型，選取進氣渦流比SR=1.9［3］.

（2）選取噴油器的結構參數

噴油器的結構參數與噴孔的總面積有關。考慮到采用高的最高噴射壓力，最重要的是高的平均有效噴射壓力，它不但較全面地反映噴油過程的混合能量，而且包括提高噴孔中燃油平均流速Wn，將促進柴油機燃燒過程的改善。根據實際情況，選取噴油持續角φi=21°CA，噴孔中燃油平均流速Wn=180 ～200 m/s.可求得柴油機所需噴孔總面積為：

式中:

Q為最大循環噴油量（mm3/循環）；

Wn為噴孔中燃油的平均流速（m/s）；

ti為噴油持續時間（s），ti=φi/6n（φi是噴油持續角，曲軸轉角/度）；

n為發動機轉速（r/min）。

根據伯努利方程有：

式中：

μ為噴孔的流量系數，對于制造質量較好的進口噴油嘴一般可取μ=0.7.但是，對于國產油嘴一般只能取μ=0.6；

ρ為燃油密度（kg/m3）.一般取ρ=0.84103 kg/m3.

現代高壓直噴式柴油機理論認為，不僅要有高的最高噴射壓力，更重要的是要追求高的平均有效噴射壓力△p=pi-pa，它不但較全面地反映噴油過程的混合能量，而且從式（2）可以看出，由于△p的提高，Wn提高，從而將促進柴油機燃燒過程的改善。由式（1）、（2）兩式可得平均有效噴油壓力的估算公式。

式中：

d2為噴孔的直徑（m）；

i為噴孔數。

根據國內外相關資料介紹，并考慮到我們的實際情況，取φi=20°CA左右最佳，Wn=180～200 m/s.因此，根據公式（1）可求得柴油機所需噴孔總面積為:

當選用i=5孔的噴油嘴時，噴孔直徑應為：

因此，可選用孔徑為0.27 mm、孔數為5的國產噴油器［4］。噴油器噴孔的夾角以及噴嘴深入汽缸的深度應由匹配實驗確定，它必須與燃燒、進氣系統相適應。

噴油器噴孔夾角是一個十分重要的參數，噴孔夾角太小，可能會將燃油集中噴射在燃燒室底部，此處流速較低，較難形成可燃混合氣。對于小型單缸直噴式柴油機若沒有形成足夠強的氣流運動，則使得燃油無法和空氣充分混合，造成燃燒不充分，使排放增加；噴孔錐角太大，一方面會將燃油噴入余隙內部，余隙內部氧氣較少，燃油無法充分燃燒，生成大量碳煙，另一方面沒有充分利用高速油束的貫穿作用，燃油不能順利的進入燃燒室內部容積，同樣不利于缸內的燃燒。因此有必要對噴孔錐角作對比模擬計算。

燃油自噴嘴噴出以后，遇到缸內溫度較高的空氣而蒸發。隨著噴油油量的不斷增加，燃油在高壓噴嘴的作用下迅速進入氣缸，燃油油束密度較大，油束進入氣缸的速度較快，對缸內混合氣的形成影響較大，燃油的霧化還噴油器與燃燒室的匹配有關。在這里我們設計了三種噴油器與燃燒室的配合：A組噴孔錐角為150°，噴油器深度（噴油器頭部突出燃燒室的高度）2 mm；B組噴孔錐角140°，噴油器深度2 mm；C組噴孔錐角150°，噴油器深度3 mm.同時設定柴油機噴油提前角和持續角均為21°.

3　仿真

根據上述參數對噴油和燃燒過程進行仿真分析。在噴霧中期（圖1）時的速度分布可以看到，射流速度很快，在噴霧射流周邊區域有形成強烈的切向運動，油束周圍有明顯的旋渦，影響了整個缸內流場的分布。隨著噴霧過程的進行，油束的切向作用擴散到了整個燃燒室。（圖2）及360°CA時的速度矢量可以得到，燃油噴射流切向作用的影響增大，整個缸內流場的流線進一步發生變化，渦旋團隨燃油的噴射進行而變大。油束所產生的附加湍流可以達到由旋流與擠流的相互作用所產生的最高湍流水平。從圖2中可以看出：當燃油噴射中期時，由于油束的速度快，油束帶動周圍氣流向噴注方向運動，形成的擠流和旋流從油束的上下2個方向分別沖擊油束，在油束下部形成明顯的漩渦，增強了液滴顆粒與空氣的混合。壓縮行程末期，由于活塞上行，環形空間中的氣體向內流到燃燒室，與油束相互影響，在燃燒室頂部形成了較小的渦流，室內的混合氣流出，使其進一步和氣缸內的空氣混合燃燒。燃燒開始后，缸內氣流漩渦的流動有利于火焰向油束噴注方向傳播，也帶走了已蒸發的燃油組分，便于油束內部的燃油顆粒的混合與蒸發。由圖1可以看出在燃油噴射中期，A組較B組能在氣缸頂部產生明顯渦流，這對改善采用孔數較少、孔徑較大的噴油器的短行程高速單缸柴油機的霧化很有幫助。由于噴孔離氣缸頂部較近，在圖1a中，油束上部分的渦流比較扁平。這可能使燃油蒸汽過多的附著在氣缸頂部，這種情況不利于燃燒。為了解決這個問題，考慮采用改變油嘴高度的方法。所以在這里設計了第三組（C組）噴油器與燃燒室的配合：噴孔錐角為150°，噴油器深度3 mm.如圖3所示。可以看到在348°時油束上部分的渦流變大。

圖2　360°CA缸內流場速度圖

圖3　C組缸內流場速度圖

燃燒室內燃燒過程氣體流動組織得好，可燃混合氣的形成質量就好，壓力升高取得的峰值相應地就比較大。由圖4可以看到A組缸內壓力峰值略高于B組，C組略高于A組，并且三條曲線隨曲軸轉角變化的趨勢是一致的。

圖4　缸內壓力圖

圖5是軟件模擬原機計算得出的缸內平均NOx質量分數生成變化曲線。從該圖中可以看出，上止點附近缸內的NOx生成率很高，幾乎所有的NOx都是在從350°附近到390°附近這個階段生成的。這是由于隨著擴散燃燒的進行，缸內的平均溫度急劇升高，因此NOx的生成量也迅速得以升高。在曲軸轉到390°之后，由于缸內平均溫度在達到最大溫度后逐漸下降，這時NOx生成量逐漸降低。在B組中，由于沒有合理的利用環形空間流到燃燒室的氣流與油束切向力的相互作用，使得沒有利用好氣缸蓋頂部空間，燃油蒸汽霧化不均勻，產生了高溫富氧區，使得NOx排放較高。而C組與A組的氣流分布較為相識，但C組在氣缸頂部可利用的空間更大，這有利于燃油的霧化。如圖4所示，可以看出A組在355°CA較C組先生成NOx.在約為510°附近，基本達到了N0x的生成極限，缸內的NOx生成量也因此基本穩定，最終A組的NOx質量分數為4.06×10-5，而B組的NOx質量分數為4.85×10-5，比A組高19.5%.C組的NOx質量分數為3.78×10-5，比A組低6.9%.在油束將燃燒室分割的上下部分產生的螺旋氣流使燃油蒸汽與空氣混合良好，減少了高溫區局部氧氣過濃，減少了NOx的生成。

圖5　平均NOx質量分數

圖6為模擬計算得出的缸內Soot平均質量分數生成變化曲線。從圖中可以看出，在噴油后的13°（上止點前7°），缸內的Soot生成量開始慢慢的增加，從363°附近由于部分燃油開始燃燒，缸內的溫度急劇增大，部分燃油沒有與氧氣混合均勻，開始大量生成碳煙。隨后，燃燒室內存在的渦流將油束分割，混合燃燒的產物又將油滴包圍，同時在高溫的情況下，混合物加速了碳煙的氧化，從而使碳煙的生成在燃燒過程中逐漸減小。到375°時，A組缸內的碳煙質量分數達到了最大，峰值為3.5×10-6.而后擴散燃燒，由于Soot在600℃以上都能被氧化，而在1 600℃以上極易生成，故Soot一邊生成，一邊被氧化。所以形成的結果就是，從圖6可明顯看出，Soot質量分數大幅度下降，不過隨著曲軸轉角的增加，下滑的幅度越來越小，趨于平穩。在曲軸轉角為440°時，A組的Soot的質量分數為0.83×10-6，而B組的Soot的質量分數為1.1×10-6，C組的Soot的質量分數為0.82×10-6.由于B組未能有效的利用環形空間流到燃燒室的氣流與油束切向力的相互作用，組織好良好的缸內流動，使得燃燒不完全，導致Soot生成量較高，排氣冒黑煙。而A的燃燒室頂部燃油蒸依附在燃燒室頂部，油膜蒸發的多，在剛開始燃燒時碳煙生成高于C組，但隨著活塞的運動，油膜蒸發完全，以及燃燒的擴撒，所以在最后它們的Soot排放在440°CA時幾乎一致。總之，碳煙氧化后的排放值的變化規律是缸內的氧化質量和最大生成量的綜合反映。

圖6　平均碳煙質量分數

圖7曲軸轉角354°時的噴霧液滴俯視圖可以看出，燃油噴射后，油束的溫度迅速提高，油束的內部由于燃油的濃度較高，暫時無法與空氣報好的混合，油滴也相對較大，所以溫度較低，圖中深色的油滴可以證實。油束的外部由于缸內空氣的擾動加速了燃油的霧化，逆時針旋流使油滴散開，油氣的混合面積增加，油滴的溫度也因此較高，如圖中淺色的油滴所示。

圖7354　°CA時的噴油霧化圖

從以上三組模型的計算結果可以看出：采用A組時，油束在缸內擴展的過程中，燃油蒸汽前期依附在氣缸頂面附近，然后再向周圍擴散，蒸汽沒有充分地和燃燒室內的空氣混合。采用C組時燃油蒸汽脫離了燃燒室頂面，在噴油初期蒸汽分布比較合理。隨著噴油油量的增加以及活塞的上行，噴射在燃燒室底部的燃油增多，但燃油在燃燒室加熱的作用下，開始蒸發，蒸汽分布情況如上圖7所示。在噴霧后期，燃油充分利用了燃燒室的形狀，較好的穿透整個燃燒室，使得燃油蒸汽和空氣充分的混合，實現了油氣的均勻性混合。同時，適合的油束夾角使燃油順著氣流流動，并且在空氣的渦旋中充分與空氣混合。對比A、B、C三組的仿真數據，C組有著稍高的缸內壓力、較低的NOx與Soot排放。另外，對比三種狀態下的流場分布，可知道調節噴孔錐角及噴油器深度可以影響缸內流動與排放。噴霧過程中，射流的剪切作用是影響缸內流動狀態的主要因素。通過仿真分析，選擇5孔、孔徑0.27的國產噴油器，并且設置噴孔錐角150度、噴孔深度為3 mm是最合理的布置形式。

4　實驗分析

實驗在發動機試驗臺架上進行，對象為一臺單缸直噴式GD190柴油機，其主要規格如表1.實驗環境為28℃，大氣壓為99.8 KPa.

表1　GD190柴油機主要技術規格

實驗測試裝備示意圖如圖8所示，其中采用FC2210Z智能油耗儀用來測量油耗，水力測功機用來測量柴油機的輸出扭矩，溫度傳感器及數碼顯示器測量排氣溫度。

圖8　臺架實驗設備

5　結果分析

（1）模型的驗證

圖9為發動機在2 600 r/min全負荷工況條件下，缸內壓力試驗結果與模擬結果的對比。從圖中可以看出，盡管模擬結果和試驗結果之間存在一定的誤差，但是誤差在5%的范圍內，從而證明模擬計算所建立的模型是可信的。

圖9　缸內壓力對比圖

（2）排氣溫度

排氣溫度是柴油機的重要參數，通過它可了解柴油機霧化和燃燒性能的好壞。表2是臺架試驗中我們測得的排氣溫度。

表2　不同組別在2 600 r/min全負荷下的排溫

在噴孔錐角為150°的情況下，油束將缸內氣體分割，以及油束所產生的切向力使燃油蒸汽流動與燃燒室充分配合，使燃油霧化更好，燃燒更為完全，且A組與C組的排氣溫度比B組的要低，從而降低了NOx排放，這與仿真分析是相對應的。

6　結束語

（1）針對輕量化單缸短行程直噴柴油機冒黑煙、動力性和經濟性差的問題，估算噴油嘴的噴孔大小，對噴孔錐角和噴油器的深度進行優化，提高了柴油機的經濟性和排放性能，對柴油機的改進節約了時間與經濟，并提供了可行的方案。

（2）通過噴油器結構參數的優化，選取90缸徑80行程單缸直噴式柴油機合適的噴也錐角為150度，噴油器深度為3 mm，可有效地組織燃燒室內的氣流運動，改善發動機的燃燒過程。

（3）為了降低高速短行程單缸柴油機的排放，改善其動力經濟性，需要選取較大的噴孔錐角，合理利用環形空間中的氣體流動，與油束切向力的相互作用。同時噴油器的深度不能太淺，以避免燃油蒸氣過多依附于燃燒室頂部，不能形成較強的氣流渦漩運動。

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Study on Matching of Injector and Combustion System for Single Cylinder Direct Injection Diesel Engine with Lightweight and Short Stroke

WEI Hai-yan1，YANG Geng1，HE Ran2，ZHOU Xiao-rong1
（1.College of Mechanical Engineering，Gangxi University，Nanning 530004，China；2.Gui Gang Power Co.Ltd，Gangxi，Gui Gang 537100，China）

Abstract：In order to improve performance of the short stroke of high-speed single cylinder diesel engine，a 3D dynamic CFD model was established，and the CFD simulation was carried out in it.The influence of installation depth of the injector and the angle of the fuel beam on the air flow in the cylinder are analyzed.The simulated results showed that the air flow in the annular space flows inward to the combustion chamber，and the tangential force of the fuel beam is interacting with each other after the fuel injection starting.When the angle of the fuel beam is large，a clear vortex is formed at the upper part of the fuel beam.Below the fuel beam，the vortex flow driven by fuel beam was essential flow type.

Key words：direct Injection single cylinder diesel engine；injector；combustion system

中圖分類號：TK422

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0012-05

收稿日期：2015-12-30

基金項目：廣西工信委資助項目“GD190（直噴）型柴油發動機新產品合作開發”（編號：20130673）；廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室項目（編號：14-045-15S03）。

作者簡介：韋海燕（1963-），女，廣西南寧人，博士，副教授，研究方向：機械制造；楊耿（1990-），男，湖北省武漢人，碩士研究生。