雙層分區燃燒系統對高強化柴油機性能的影響

柴帥，張翠平，陳琛，王柯瑩，溫蓉蓉，孫彥斌

(太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024)

合理的柴油機燃燒室形狀及良好的油氣室匹配是提高柴油機性能、降低排放的重要手段[1]。優化改進柴油機燃燒系統的研究從未停止，近年來比較典型的新型燃燒系統有天津大學的BUMP燃燒室系統[2-3]、北京理工大學的雙卷流燃燒系統[4-5]和側卷流燃燒系統[6-7]，大連理工大學的雙層分流燃燒系統[8-9]等，這些新型燃燒系統均通過燃燒室壁面的特殊設計來引導燃油在燃燒室內的分布，增大燃油的空間分布，提高油氣混合質量。噴油器噴孔的布置會影響缸內混合氣的分布，雙排噴孔可實現燃油在燃燒室周向和軸向的均勻分布，噴孔數較多時采用分層均勻布置可減小油束間干擾，增大燃油空間分布，改善混合氣形成質量[10-14]。

一定形狀的燃燒室都對應一個最優的噴射系統參數，因此燃燒室和噴油參數的匹配研究十分關鍵[15]。本研究針對一臺高強化柴油機，在原機燃燒室壓縮比不變的基礎上設計了一種雙層分區燃燒系統——雙層雙弧脊燃燒室匹配雙排噴孔，利用CFD仿真軟件Converge進行三維仿真，研究上下排噴孔油束夾角與雙層燃燒室的匹配對高強化柴油機燃燒和排放的影響，為優化發動機的性能提供依據。

1 雙層分區燃燒系統的設計及計算方案

1.1 雙層分區燃燒系統的設計

本研究基于一臺高強化單缸柴油機，其基本參數見表1。保證原機壓縮比不變，改變燃燒室結構和噴孔布置方式，得到一種雙層分區燃燒系統，如圖1所示，圖2示出燃燒系統結構簡圖。該系統的特點是燃燒室被分成上下兩層且上下層的中間均有

表1 發動機性能參數

圖1 燃燒系統示意

圖2 燃燒系統簡圖

凸起的部分(上層弧脊和下層弧脊)，可將燃油進行分流，分別形成2個方向的卷動,上下兩排噴孔的油束夾角不同且沿圓周方向均勻間隔布置，使得燃油同時噴向上下兩層燃燒室。圖3示出上下排噴孔油束分布，截面1為過上排噴孔油束中心線縱截面，截面2為過下排噴孔油束中心線縱截面。

圖3 油束分布示意圖

1.2 計算方案

保持原機總噴孔數及噴孔直徑不變，將原機的單層噴孔布置變為上下均勻布置的雙排噴孔。通過改變上下排噴孔的油束夾角來研究其對高強化柴油機燃燒和排放性能的影響，油束夾角(θ)定義為油束中心軸線和燃燒室中心軸線之間的夾角。保持下排噴孔油束夾角62°不變，改變上排噴孔油束夾角分別為79°，81°，83°；保持上排噴孔油束夾角81°不變，改變下排噴孔油束夾角分別為60°，62°，64°。

2 仿真模型的建立和驗證

仿真計算中所選的數學模型見表2。

表2 數學模型

利用CFD仿真軟件CONVERGE對原機燃燒室進行網格劃分并設置相關數學模型及邊界條件進行仿真計算。圖4示出原機燃燒室在下止點和上止點時的網格。仿真過程中的初始條件和初始邊界如下：計算范圍從進氣門關閉(610°)至排氣門開啟(810°)；氣缸蓋底面溫度為550 K；活塞頂面溫度為580 K；氣缸壁面溫度為450 K；初始缸壓為0.64 MPa；初始缸溫為450 K。

圖5示出仿真缸壓和試驗缸壓的對比，壓縮上止點為720°。可以看出，試驗值與仿真值的吻合程度較好，灰色部分為試驗缸壓5%誤差帶，仿真誤差在5%以內，故以此為基礎進行仿真計算是可靠的。

圖5 試驗與仿真缸壓對比

3 計算方案及結果分析

3.1 上排噴孔油束夾角對高強化柴油機燃燒和排放性能的影響

3.1.1 對燃燒過程的影響

圖6示出上排噴孔油束夾角變化時不同曲軸轉角下的當量比云圖。下排噴孔油束夾角保持62°不變，上排噴孔油束夾角分別為79°，81°，83°。可以看出：因下排噴孔油束夾角相同，所以截面2下層燃燒室中的當量比分布基本一致，截面1上層燃燒室中因油束夾角的變化當量比的分布不同。在10°ATDC時，上下排噴孔油束均已到達側壁面且被弧脊分成了兩部分，在截面1上層燃燒室中，隨著油束夾角的增大，上層弧脊上側的燃油分配增多，混合氣形成更接近燃燒室頂部，燃油到達燃燒室側頂隙的量也更多。在20°ATDC時，隨著上排噴孔油束夾角的增大，在截面1上層燃燒室中，高當量比區域逐漸減少且燃燒室頂隙中均勻混合氣的分布面積更大，上層弧脊上下側凹坑中的附壁燃油量減少。這是因為油束夾角越大，撞在弧脊上側凹坑中的燃油可以更多地向燃燒室側頂隙分布，有利于燃油擴散，而弧脊下側由于燃油的分配比例減少，有利于油氣混合，故高當量比區域面積也更少。截面1下層燃燒室中出現的混合氣是由相鄰的下排噴孔噴射的燃油撞壁后在下層燃燒室中沿壁射流所致，可以看出，上排噴孔油束夾角越大，沿周向擴散的燃油與上排噴孔所噴出的燃油交匯就越少，同時下層燃燒室中弧脊下側的當量比分布面積相對更大。這是因為上排噴孔油束夾角越大，上排噴孔油束對下層燃燒室的混合氣的卷吸作用就越小，所以下層燃燒室弧脊下側的燃油分布就更多，均勻混合氣面積也就更大。隨著活塞繼續向下運動，在30°ATDC時，油氣混合趨于均勻，隨油束夾角的增大，截面1中的較高當量比區域面積逐漸減小，主要存在于下層燃燒室弧脊的凹坑附近和燃燒室的中心區域，上層燃燒室弧脊上側凹坑處也有少量較高當量比區域，但隨油束夾角增大基本消失。而截面2中上層燃燒室中也出現了均勻混合氣，這是由上層噴孔噴射的燃油撞壁后與壁面的相互作用沿壁射流所致，且均勻混合氣的分布面積隨油束夾角的增大而增大。主要原因是油束夾角大，燃油可以更多地向活塞側頂隙和上側發展，在上層燃燒室弧脊上側凹坑中的堆積減少，故均勻混合氣的分布面積也就增大。截面1下層燃燒室比截面2上層燃燒室出現混合氣時間更早的原因是下層燃燒室直徑小，油束撞壁時間早，沿燃燒室壁面周向擴散早。

圖6 不同上排噴孔油束夾角下的當量比云圖

圖7示出上排噴孔油束夾角變化時不同曲軸轉角下的溫度云圖。可以看出，在10°ATDC時，隨上排噴孔油束夾角增大，截面1上層燃燒室凹坑處及燃燒室頂隙處的高溫區域面積增大，結合當量比云圖可知，油束夾角增大，凹坑處及燃燒室側頂隙處的油氣混合相對更好，因而高溫區域面積也更大。高溫區域主要分布在油束周圍，油束中心的燃油未燃燒，主要原因是高強化柴油機每循環噴油量大，噴油持續期長，燃油噴射壓力大，導致中心部分燃油無法快速蒸發與空氣混合形成混合氣，從而影響燃燒。在20°ATDC時，高溫區域面積隨油束夾角增大分布面積更大，同時截面2下層燃燒室弧脊上側凹坑處溫度與截面1上層燃燒室凹坑處的溫度相比較低，主要原因是截面2下排噴孔燃油撞壁早，凹坑處的燃油堆積相對嚴重，未燃濃混合氣相對較多，故溫度較低。隨著活塞繼續下行，在30°ATDC時，截面1與截面2中的高溫區域分布一致，不同之處在于隨油束夾角增大，截面1中燃燒室頂隙的高溫區域面積在增大，截面2中上層燃燒室弧脊上側及側頂隙處的高溫面積在增大，這與當量比的分布規律一致。

圖7 不同上排噴孔油束夾角下的溫度分布云圖

圖8示出不同上排噴孔油束夾角下缸壓、缸溫、放熱率隨曲軸轉角的變化曲線。可以看出，隨上排噴孔油束夾角增大，缸內最高平均壓力、最高平均溫度、放熱率峰值增大，且均高于原機。726°前，上排噴孔油束未到達壁面，燃燒未受到油束在側壁面不同落點的影響，故上排噴孔油束夾角變化對缸內平均壓力及平均溫度影響不大；726°后，隨著油束夾角增大，更多燃油會被分配到上層燃燒室弧脊上側，燃燒室頂隙內的空氣可以被更多地利用，同時弧脊下側油量分配少，有利于油氣混合促進燃燒，故缸內平均壓力和平均溫度增大。730°～740°放熱速率先下降后升高，是由燃油撞壁堆積所致。圖9示出不同上排噴孔油束夾角下的累計放熱量。由圖9可以看出，油束夾角越大，累計放熱量越多，可見油束夾角增大有利于燃燒進行。從整體分析來看，所設計的分區燃燒系統的燃燒性能優于原機。

圖8 不同上排噴孔油束夾角下的缸壓、缸溫、放熱率

圖9 不同上排油束夾角下的累計放熱量

3.1.2 對排放特性的影響

圖10示出不同上排噴孔油束夾角對NOx和Soot比排放的影響。圖11對比了不同上排油束夾角下，760°時NOx和810°時Soot在燃燒室內的分布。可以看出，隨上排噴孔油束夾角增大，NOx比排放增加，Soot比排放降低，呈現trade-off關系，兩者排放量均優于原機。760°時NOx高濃度區域主要分布在截面1上層燃燒室凹坑處及燃燒室側頂隙、截面2下層燃燒室凹坑處及靠近燃燒室中心處，且隨油束夾角增大，NOx在燃燒室內的分布面積增大。810°時Soot高濃度區域主要分布在截面1上下層燃燒室凹坑處、截面2缸蓋下方靠近側壁面，結合前文，燃油濃度過高是導致兩個區域Soot產生的主要原因，隨油束夾角增大，Soot整體分布面積逐漸減小。

圖10 不同上排噴孔油束夾角下的Soot和NOx比排放量

圖11 不同上排噴孔油束夾角下的Soot和NOx排放云圖

3.2 下排噴孔油束夾角對高強化柴油機燃燒和排放性能的影響

3.2.1 對燃燒過程的影響

圖12示出下排噴孔油束夾角變化時不同曲軸轉角下的當量比云圖，上排噴孔油束夾角保持81°不變，下排噴孔油束夾角分別為60°，62°，64°。可以看出，10°ATDC時，由于上層油束夾角相同，截面1中當量比分布一致，截面2中下層燃燒室油束落點不同，下層弧脊上下側的油量分配不同，油束夾角大，弧脊下側油量分配少，弧脊上側燃油在燃燒室側壁導流作用下運動距離近，更靠近油束。20°ATDC時，下排噴孔噴射的燃油已運動到相鄰上排噴孔所在的下層燃燒室，下排噴孔油束夾角不同，燃油分布也不同。截面1中，下排噴孔油束夾角越大，下層燃燒室弧脊上側凹坑的燃油分布越多，高當量比區域越大，但弧脊下側的混合氣量越少；截面2中，下排噴孔油束夾角越大，均勻混合氣在油束下側分布面積越小，而油束上側分布面積大，分布更廣，同時部分燃油也會被分配到上層燃燒室中。30°ATDC時，油氣混合趨于均勻，截面1中，高當量比區域主要分布在下層燃燒室弧脊上側凹坑附近，油束夾角越大，高當量比區域分布越分散，原因是夾角越大，隨著活塞向下運動和噴油的進行，下排噴孔噴出的燃油會更多地被分配到上層燃燒室中繼續沿燃燒室軸向和周向運動；截面2中，油束夾角越大，上層燃燒室中形成的均勻混合氣量越多，但在上層燃燒室凹坑底部的較高當量比區域也越大；油束夾角為62°時，燃燒室頂隙靠近側壁面處的混合氣形成面積最大，但其中較高當量比區域占比也大。

圖12 不同下排噴孔油束夾角下的當量比云圖

圖13示出下排噴孔油束夾角變化時不同曲軸轉角下的溫度云圖。可以看出，10°ATDC時，截面2中，下排噴孔油束夾角越大，油束上側靠近凸脊處的高溫區域面積越大，油束下側高溫區域更遠離燃燒室凸臺。20°ATDC時，截面1中，油束夾角越大，下層燃燒室弧脊下側的高溫區域越少，從整體分布來看，油束夾角為60°時的高溫面積最大；截面2中油束夾角越大，油束上側高溫區域分布越靠近油束，越集中。 30°ATDC，截面1中，油束夾角為60°時的高溫區域面積相對更大；截面2中，隨油束夾角增大，油束上側高溫區域在軸向上分布更廣，但沿徑向的分布區域小。

圖13 不同下排噴孔油束夾角下的溫度云圖

圖14示出不同下排噴孔油束夾角下缸壓、缸溫、放熱率隨曲軸轉角的變化。可以看出，730°前，缸內平均壓力先減小后增大，缸內平均溫度相差不大；730°后，油束夾角為60°時的缸內平均壓力和平均溫度均高于其他兩種油束夾角，且放熱率的峰值最高，原因是油束夾角減小，使得下層燃燒室的空氣利用率提高，同時下排噴孔所在的燃燒室的上層空間的油氣分布更加分散，也有助于燃燒。圖15示出不同下排噴孔油束夾角下的累計放熱量。可以看出，油束夾角為60°時的累計放熱量最大，其他兩種油束夾角下的累計放熱量相差不大，但均高于原機。

圖14 不同下排噴孔油束夾角下的缸壓、缸溫、放熱率

圖15 不同下排油束夾角下累計放熱量對比

3.2.2 對排放特性的影響

圖16示出不同下排噴孔油束夾角對NOx和Soot比排放量的影響。圖17對比了不同下排油束夾角下，760°時NOx和810°時Soot在燃燒室內的分布。可以看出，隨下排噴孔油束夾角增大，NOx比排量放先減小后增大，Soot比排放量逐漸增大，但排放均優于原機。760°時NOx和810°時Soot的高濃度分布區域與改變上排噴孔油束夾角時的分布區域基本一致。

圖16 不同下排噴孔油束夾角下的Soot和NOx比排放量

圖17 不同下排噴孔油束夾角下的Soot和NOx排放云圖

4 結論

a) 在原機燃燒室壓縮比不變情況下，對原機燃燒系統進行改進得到一種雙層分區燃燒系統，上層燃燒區域使燃燒室頂隙空間得以利用，下層燃燒區域使燃燒室底部凹坑及凸臺附近的空氣得以更好利用，從整體分析來看，該系統的燃燒性能和排放性能均優于原機；

b) 對于所設計的雙層分區燃燒系統，不同上下排噴孔夾角會對油束在燃燒室內的落點產生影響，同時上下層燃燒室內的弧脊會對燃油進行不同比例的分配，從而影響油氣混合形成質量及燃燒和排放性能。