燃燒室結構對柴油機性能和排放的影響

曲興年 周明勝 李遠臻 李巖

摘要：本文重點研究了不同的燃燒室結構對柴油機性能和排放的影響。通過ESC試驗循環和穩態滿載測試確定了滿足要求的燃燒室匹配方案。

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.

關鍵詞：柴油機;燃燒室;排放

Key words： diesel engine;combustion chamber;discharge

中圖分類號：U664.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0028-02

0? 引言

柴油機燃燒系統的優化即為燃燒室形狀、燃油噴射、氣流運動三者的一個最優匹配。它對柴油與空氣的混合速率和混合質量有著直接的影響，進而影響柴油機的燃燒過程[1]。因此，燃燒系統對柴油機的經濟性、動力性、排放特性起著至關重要的作用。

1? 燃燒室結構設計

柴油機燃燒技術的開發一直伴隨著燃燒室結構的優化，燃燒系統其余參數的變化都要與其相適應的燃燒室結構變化相匹配。因此，燃燒室結構設計是柴油機燃燒系統優化的首要內容。

燃燒室的結構設計受油束射程，油束噴射角度，進氣渦流強度以及燃油的霧化程度等因素的綜合影響。目前，噴油壓力逐漸提高，噴孔數目和噴射角度也有所增加，這都要求燃燒室深度變淺，直徑也要變大，形狀也由縮口型變為敞開型。故在燃油噴射末期，可以避免油束和燃燒火焰與氣缸壁碰撞，利于碳煙排放的降低。

綜合考慮排放和冷起動性能，同時借鑒以往機型的開發經驗，壓縮比擬選在17.0～17.5之間。該方案設計是基于現有的柴油機活塞上進行的，各個燃燒室的具體參數如表1所示，與1號燃燒室相比，2號燃燒室開口直徑和雙唇直徑增大，凹坑深度減小。

2? 燃燒室優化計算分析

使用三維軟件建模，選取B100工況作為計算工況，通過發動機臺架試驗獲得柴油機性能排放數據和缸壓曲線，根據缸壓曲線計算得到缸內瞬時和累計放熱率曲線，為三維CFD計算中的缸內噴霧、燃燒和排放物生成模型參數標定提供基礎的試驗數據。

根據經驗和計算結果優化出6個不同型線的燃燒室（case1、2、3、4、5、6），其型線如圖1所示。

將優化的燃燒室與噴油器（選取三組不同流量的噴油器，A1>A2>A3）進行正交計算，并繪制ISFC-ISNOX和ISFC-ISPM之間的trade-off關系圖，如圖2所示。

根據計算結果可以看出，大流量噴油器在油耗和PM上均優于小流量噴油器，16.3壓縮比燃燒室與A1噴油器組合對于油耗和PM降低效果最明顯，但NOX排放惡化。所以，將16.3壓縮比燃燒室與A1噴油器組合作為首選方案。定義為1號燃燒室。case1與A3小流量噴油器在油耗及排放上降幅較小，作為備選方案。定義為2號燃燒室。

3? 優化計算結果試驗驗證分析

進行燃燒室結構對柴油機性能的影響的試驗時，均采用噴油錐角為148°的8孔噴油器，噴油控制參數相同，噴油壓力設為160MPa，并且均為單次噴射。

全負荷工況下兩者的缸內最高爆發壓力與轉速的關系基本一致。圖3是全負荷工況下，放熱量為總放熱量50%所對應的曲軸轉角位置曲線。由圖可知1號燃燒室放熱稍稍早于2號，但不明顯。可能因為是1號燃燒室的徑深比Da/T比2號燃燒室小，油氣混合的質量、速度均優于2號燃燒室，故燃燒始點稍有提前。

全負荷工況下，兩種燃燒室對應的NOX以及soot排放見圖5和圖6。1號燃燒室和2號燃燒室有關NOX的排放值基本相同，但是2號燃燒室的soot排放優于1號燃燒室，在中高轉速時尤其明顯。可能的原因是：2號燃燒室過量空氣系數較高（圖4），進氣流量也略高，有利于缸內高溫過濃區域的減少，從而降低了soot的比排放;同時，2號燃燒室的徑深比Da/T大，有利于soot在新鮮空氣中的氧化。

經過以上的對比及分析，1號和2號燃燒室的全負荷性能基本相同，NOX排放隨轉速變化趨勢相差不大，且都處于較低水平。在soot排放方面，2號燃燒室存在一定的優勢。

4? 結論

本章對燃燒系統進行了優化，主要集中在燃燒室結構的設計，對不同結構的燃燒室進行匹配后發現，1號和2號燃燒室的全負荷性能相差不大，額定點功率都滿足要求。因為實測壓縮比略有差異，2號燃燒室比油耗略高于1號，但基本滿足要求。全負荷時，兩者的NOX排放水平相差不大，且都處于較低水平。在soot排放方面，2號燃燒室明顯優于1號燃燒室。

參考文獻：

[1]朱堅.燃燒系統結構參數對柴油機性能影響的試驗研究[D].廣西大學，2005.

[2]吳承雄.內燃機缸內湍流運動數值模擬研究[J].內燃機學報，1997（4）：398-404.

[3]劉建英.高強化柴油機燃燒系統參數優化匹配的多維仿真研究[D].北京交通大學，2007.

[4]徐丹.柴油機燃燒室及噴油系統多參數優化匹配研究[D].北京理工大學，2015.