某重型車用V8柴油機燃燒系統優化設計

李海鷹， 呂娟霞， 李玉峰， 文明， 李研芳

(中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

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某重型車用V8柴油機燃燒系統優化設計

李海鷹， 呂娟霞， 李玉峰， 文明， 李研芳

(中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

針對某重型車用V8柴油機的燃燒室廓形和噴油器凸出高度進行了設計。優化設計方案由5個燃燒室廓形和5個噴油器凸出高度組成，選擇了ESC穩態排放循環中的A100，C100，A25工況以及最大功率工況作為優化設計的工況點，利用AVL-Fire軟件在這4個典型工況點上對各設計方案的缸內燃燒過程進行了模擬計算，采用了一個綜合目標評價函數來評判不同方案對循環功、NOx和Soot的綜合影響，從100個算例的計算結果中篩選出最優的燃燒室廓形和噴油器凸出高度。和原機相比，優化的燃燒系統在高負荷工況可使油耗下降1.4%，Soot排放降低14%～30%。

柴油機； 燃燒系統； 優化設計

由于車用發動機的排放法規和油耗控制越來越嚴，現代車用柴油機燃燒系統的設計變得越來越復雜。燃燒系統的設計不但要滿足動力性、燃油經濟性和排放法規等多個目標要求，而且要在廣闊的車用工況運行范圍內獲得良好的性能指標。國內研究學者針對油品特性[1]、噴油器參數[2-4]、燃燒室結構[5-6]等單因素對燃燒系統的設計開發進行了較為深入的研究。而國外研究人員通過構建多目標、多工況優化函數，從繁雜的設計和計算數據中快速篩選出最優的燃燒系統設計方案[7-13]。

本研究就一款國Ⅴ重型商用車柴油機的燃燒系進行了統優化設計。由于性能開發的需求，現要對燃燒室廓形和噴油器凸出高度進行優化設計和匹配，以進一步提高發動機動力性、降低燃油消耗和機內炭煙(Soot)排放。為此，設計了5種燃燒室廓形和5個噴油器凸出高度，選取了ESC穩態排放循環中的4個典型的工況點，利用AVL-Fire軟件對各方案的燃燒過程進行了仿真計算，采用了一個綜合目標評價函數來評判各方案對循環功和油耗，以及NOx和Soot排放等的綜合影響，從100個算例的計算結果中篩選出最優的燃燒室廓形和噴油器凸出高度。

1 缸內三維仿真計算

1.1 模型的建立

本研究中柴油機為一臺水冷V8直噴增壓發動機，其基本參數見表1。該發動機采用共軌燃油噴射系統、“螺旋+充氣”雙氣道結構和SCR后處理器裝置。在燃燒系統上，采用4氣門結構，噴油器和燃燒室凹坑(ω型)在氣缸軸線上中心布置，8個噴孔沿周向均勻布置。由于燃燒系統和排放后處理器的優良設計，該發動機的升功率高達38 kW/L，NOx和Soot排放達到國Ⅴ標準。

表1 柴油機基本參數

圖1 在上止點時燃燒室 的計算網格

由于整個燃燒室和噴油器結構關于氣缸軸線對稱，且噴孔數為8個，取氣缸和燃燒室的1/8建立了計算網格，以減少計算時間。圖1示出原機燃燒室在上止點位置時的計算網格，網格數為37 140。

本研究采用AVL-Fire三維流動和燃燒仿真計算軟件。模擬計算從進氣門關閉開始一直到排氣門開啟為止。三維計算所選取的計算模型見表2。

表2 計算模型選取

1.2 計算方案

由于燃油消耗和排放耐久性的要求，燃燒系統設計主要從兩方面改善：第一，燃燒室廓形改進，在原燃燒室廓形(圖2中的廓形2)和燃燒室容積不變的基礎上，通過改變燃燒室喉口直徑和燃燒室深度，得到廓形1，3，4(見圖2)，廓形5是在2的基礎上將唇口部分由直口改為敞口，并略作調整以保持容積不變；第二，噴油器凸出高度優化，原機噴油器的凸出高度為1.9 mm，在原機凸出高度的基礎上，取1.5 mm，1.7 mm，1.9 mm，2.1 mm和2.3 mm等5種凸出高度進行優化設計。在圖2所示的5種燃燒室廓形示意圖中，黑色線段表示當噴油器凸出高度為2.3 mm、油束夾角為150°、活塞在上止點時，油束中心線與燃燒室廓形相對位置。

圖2 5種燃燒室廓形示意

為找出滿足全工況性能和排放要求的最佳燃燒系統設計，本研究選取了4個工況點：其中一個是最大功率點，以滿足該機高功率密度的性能要求，并改善標定工況點的燃油消耗；另外3個工況點分別是穩態排放循環(ESC)試驗中的A100，C100和A25，以滿足該機排放控制和油耗控制的目標要求。每個工況點的計算參數取值見表3。

選用梯形噴油規律，在4個工況點均采用標定試驗實測的噴油量(即噴油脈寬)、噴油提前角和噴油壓力數值。

表3 4個工況點的計算參數

1.3 計算模型標定

利用表3所示工況的試驗數據作為三維計算模型的標定依據。通過表2計算模型中變量取值的調整，使得各工況下計算得到的氣缸壓力和排放數值與對應工況下的試驗結果基本吻合。氣缸壓力的標定結果見圖3。由圖3可見，在最大功率、C100和A100工況點，仿真計算的氣缸壓力曲線和試驗的氣缸壓力曲線吻合較好；在A25工況點，仿真計算得到的氣缸壓力與實測的氣缸壓力在上止點附近有一定差別，前者的曲線較為平滑，而后者的曲線波動較

圖3 試驗和計算的氣缸壓力曲線對比

大。這是因為在低速小負荷工況時測壓通道效應引起的壓力振蕩的影響較為顯著。

總之，這4個工況點標定后的計算模型能夠較好地反映發動機的實際運行情況，因此本次燃燒系統優化計算是基本合理的。

2 優化評價函數

2.1 單工況優化評價函數

美國學者D. T. Montgomery[7]最早根據柴油機的NOx、PM和油耗目標要求，為燃燒系統的優化設計構建了一個目標優化函數(即Merit function)。隨后，D. D. Wickman[8]，P. K. Senecal[9]和Hai-Wen Ge[10-11]都陸續采用類似的優化函數進行了柴油機燃燒系統的優化設計。美國通用汽車研發部的C. A. Idicheria[12]對該優化函數進行了改進，使之更符合工程研發對燃燒系統優化設計的要求。針對某一工況點i構建的目標優化函數表示為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：w1，w2，w3分別為R1，R2和R3項的權重系數，且w1+w2+w3=1。在R1項中將HC乘以權數0.1，旨在突出NOx的優化結果；R3項為從進氣門關閉到排氣門打開期間的高壓循環指示功；下標為0的項稱作為基準點或參考點，它可以是發動機功率和排放的目標值，也可以是任意一個所需比較的基準點。本研究的基準點選為原機燃燒系統的性能和排放，如果新燃燒系統設計方案的綜合性能(功率和排放)結果比原機燃燒系統好，則目標優化函數大于100。

為了實現低Soot排放和低油耗率，在權重系數wi的選擇上，側重于R2項和R3項，分別為：w1=0.2；w2=0.4；w3=0.4。

此外，燃燒系統優化設計要受到熱力學邊界條件的約束。在本研究中，最大氣缸壓力超過19 MPa和排氣溫度超過750 ℃時，說明該燃燒系統設計方案不可行，此時賦予目標優化函數一個非常小的數值，即

(5)

2.2 多工況優化評價函數

為使發動機在整個運行工況都能獲得良好的動力性、燃油經濟性和排放指標，必須構建滿足多工況要求的綜合目標優化函數。

Idicheria等人[12]構建了一個多工況綜合目標優化函數，即

(6)

表4 綜合目標優化函數的工況權重系數

3 燃燒系統方案優化

采用已標定的計算模型，分別在4個工況下，對5個燃燒室廓形和5個噴油器凸出高度進行燃燒過程三維模擬計算，并將NOx，HC，Soot和高壓循環指示功等結果按照式(1)至式(6)計算出目標優化函數值和綜合目標優化函數值，然后從這100個算例的目標優化函數中篩選出最優的燃燒室廓形和噴油器凸出高度。

圖4示出在4個典型工況下燃燒室形狀和噴油器凸出高度對目標優化函數的影響。從圖4可觀察到下列結果：

燃燒室廓形1 在最大功率和C100工況點，燃燒室廓形1的目標優化函數值隨噴油器凸出高度的增加而顯著增加；而在A100工況時，其目標優化函數值基本不隨噴油器凸出高度的變化而變化。當噴油器凸出高度為2.1 mm和2.3 mm時，3個工況的目標優化函數值均較大，且大于100，說明燃燒室廓形1在3個工況均能獲得比原機更好的性能指標。此外，在這5個燃燒室廓形中，燃燒室廓形1的目標優化函數值隨噴油器凸出高度變化而造成的波動相對較小，說明燃燒室廓形1的燃燒過程對噴油器凸出高度的變化不太敏感，具有比較好的燃燒一致性。

燃燒室廓形2 因為原機(燃燒室廓形2)被選為目標優化函數計算的參考點，因此在原噴油器凸出高度1.9 mm時4個工況的目標優化函數值均為100。最大功率點時，目標優化函數值隨噴油器凸出高度的增加而顯著增大，當凸出高度為2.3 mm時，目標優化函數值高達131.4。但對相同的凸出高度2.3 mm，工況A100和工況C100的目標優化函數值表現出不同的變化，前者的數值增加到118.3，而后者的數值急劇下降到20，說明在該噴油器凸出高度，燃燒室廓形2的燃燒過程對工況變化非常敏感，工況一致性差。此外，在最大功率、A100和C100 3個工況點目標優化函數值隨著噴油器凸出高度的變化而劇烈波動，說明原機的燃燒過程對噴油器凸出高度的變化相當敏感。

燃燒室廓形3 燃燒室廓形3在A25工況獲得最高的目標優化函數值，表現出比其他燃燒室廓形更好的燃燒特性。在噴油器凸出高度1.5 mm時，燃燒室廓形3在高速大負荷工況(最大功率和A100)獲得較高的目標優化函數值。但是在其他噴油器凸出高度下，燃燒室廓形3在所有工況下的目標優化函數值均變得非常小，甚至接近于0，意味著燃燒室廓形3的燃燒性能和燃燒一致性均比原機要差。

圖4 4個典型工況下目標優化函數值

燃燒室廓形4 燃燒室廓形4在各工況和各凸出高度下的目標優化函數值都低于100，說明該燃燒室比原機的燃燒特性差。

燃燒室廓形5 燃燒室廓形5的目標優化函數在A100工況、噴油器凸出高度2.2 mm時獲得最高值，但在最大功率和C100工況時的數值均比燃燒室廓形1低，且函數值均低于基準值100。可見唇口部分變成敞口，有利于改善低轉速高負荷工況的性能，但在高速大負荷工況(最大功率和C100)的燃燒特性較差。

從上述分析可見，燃燒室廓形4較差，直接排除。對其余4個燃燒室廓形繼續進行綜合評價函數值的計算和比較。圖5示出4種燃燒室廓形的綜合目標優化函數值隨噴油器凸出高度的變化，由圖5可以得到下列結論：

1) 由于選原機為基準點，所以燃燒室廓形2在噴油器凸出高度為1.9 mm時的綜合目標函數值為100。

2) 燃燒室廓形1在噴油器突出高度為2.1 mm時獲得了最高的綜合目標優化函數值108.68，說明該燃燒系統設計方案為最佳方案，燃燒綜合性能比原機好。

3) 燃燒室廓形3的綜合優化函數值隨噴油器凸出高度的增加迅速減小，且函數值非常小。這是由于在最大功率、C100和A100工況時目標優化函數值小造成的(圖4a至圖4c)。因此，燃燒室廓形3的燃燒特性較差。

4) 比較燃燒室廓形1，2和5發現，燃燒室廓形2和5的綜合目標優化函數值隨噴油器凸出高度的變化出現較為顯著的波動，說明燃燒室廓形2和5的燃燒特性對噴油器凸出高度的變化比較敏感，燃燒一致性較差。而燃燒室廓形1的綜合目標優化函數值隨噴油器凸出高度的增加而單調增加，在凸出高度為2.1 mm時達到最大值之后單調下降；且在2.1 mm附近(即1.9～2.3 mm)函數值相差不大，說明燃燒室廓形1的燃燒特性對噴油器凸出高度的變化不敏感，尤其在凸出高度2.1 mm時顯示出良好的燃燒一致性。

圖5 綜合評價函數值對比

4 燃燒系統優化結果

表5列出優化的燃燒系統設計方案(燃燒室廓形1、噴油器凸出高度2.1 mm)與原機燃燒系統(燃燒室廓形2、噴油器凸出高度1.9 mm)的性能指標對比。由表5可見，采用優化的燃燒系統設計以后，在高轉速高負荷工況，指示功率平均增加約1.4%，即燃油經濟性改善了1.4%，Soot平均下降26%，NOx排放有所增加。在A25低速部分工況點，指示功率和NOx略有下降，Soot略有增加。所以，基本達到了燃燒系統優化設計的目標。

5 結論

本研究針對1臺重型車用V8柴油機，在4個工況下對5種燃燒室廓形和5個噴油器凸出高度進行了優化設計計算，采用了目標優化函數和綜合目標優化函數來評判燃燒系統的優劣。得到的主要結論如下：

a) 燃燒室廓形1在噴油器凸出高度為2.1 mm時，可獲得最佳的燃燒系統匹配，且燃燒性能一致性較好。在高負荷工況其燃油消耗比原機下降1.4%，Soot排放平均下降14%～30%；

b) 采用目標優化函數及綜合目標優化函數可以有效地評判燃燒系統優化設計的優劣。

致謝

本研究得到國家“863”計劃項目(2012AA111709)和國家自然科學基金項目(51476151)資助。

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[編輯： 袁曉燕]

Optimization Design of the Combustion System for a V8 Heavy Duty Diesel Engine

LI Haiying, LV Juanxia, LI Yufeng, WEN Ming, LI Yanfang

(China North Engine Research Instutue(Tianjin), Tianjin 300400, China)

The combustion chamber profile and nozzle protrusion for a V8 heavy duty diesel engine were optimized. 5 kinds of combustion chamber profiles and nozzle protrusions were designed and the verification conditions were the rated power point and the A100, C100 and A25 points of ESC. Based on the 4 typical conditions, the in-cylinder combustion process for each scheme was simulated and calculated with AVL-Fire software, a comprehensive object evaluation function for evaluating cycle power, NOxand soot emission was built, and the optimal combustion chamber profile and nozzle protrusion were selected according to the results of 100 cases. Compared with the original combustion system, the newly optimized system realized 1.4% decrease in fuel consumption and 14%-30% reduction in soot emission at high load.

diesel engine; combustion system; optimization design

2015-10-18；

2016-05-13

國家“863”計劃項目(2012AA111709)；國家自然科學基金項目(51476151)

李海鷹(1983—)，男，助理研究員，博士，主要研究方向為柴油機燃燒過程仿真研究； ying_h_a@hotmail.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.003

TK423.2

B

1001-2222(2016)03-0014-06