基于燃燒模擬降低重型柴油機燃油消耗的研究

覃星念 李軍成 田 翀 曾麗麗 魏 超

(廣西玉柴機器股份有限公司工程研究院，廣西 南寧 530000)

0 前言

目前，汽車動力系統(tǒng)正在朝著多樣化發(fā)展，但內(nèi)燃機仍是汽車的主要動力來源[1]，所以我國已開始對重型柴油機實施越來越嚴苛的燃油耗和排放法規(guī)[2,3]。因此，持續(xù)開展傳統(tǒng)內(nèi)燃機的節(jié)能和減排研究，對于提高內(nèi)燃機競爭力和國民經(jīng)濟都有著重要的意義[4]。基于計算流體力學(xué)的燃燒數(shù)值模擬技術(shù)是研究內(nèi)燃機缸內(nèi)工作過程的有效方法，也是優(yōu)化燃燒性能的有效手段[5-7]。本文應(yīng)用數(shù)值模擬模型研究了某重型車用柴油機燃燒室的性能，以期降低其燃油消耗。

1 缸內(nèi)燃燒計算模型

1.1 柴油機參數(shù)和幾何模型

柴油機基本參數(shù)如表1所示。為提高熱效率，新燃燒室設(shè)計將壓縮比由原燃燒室的16.8提高至17.5。圖1為原燃燒室與新燃燒室的形狀對比示意圖。2個燃燒室結(jié)構(gòu)均采用縮口ω形，其主要差異在于中心凸臺形狀和縮口以上至活塞頂面之間的形狀。噴油器中心線位于氣缸中心線上，噴孔相對于氣缸中心呈對稱分布，因此本研究僅對氣缸45°扇形區(qū)域進行建模。高壓循環(huán)過程的模擬計算開始于進氣門關(guān)閉時刻，結(jié)束于排氣門開啟時刻，其中指示比油耗(ISFC)是指高壓循環(huán)指示比油耗。

表1 柴油機主要技術(shù)參數(shù)

圖1 燃燒室形狀對比示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

利用AVL FIRE軟件建立三維數(shù)值模擬模型，主要子模型有WAVE噴霧破碎模型、Dukowicz蒸發(fā)模型、Table自著火模型、擴展的相關(guān)火焰燃燒模型(ECFM-3Z)、Extended Zeldovich熱力型NO模型和Kinetic炭煙模型。

1.3 模型校核

將計算模型測試工況設(shè)定為2種：① 低速全負荷工況，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，100%負荷；② 標(biāo)定工況，轉(zhuǎn)速為1 900 r/min，100%負荷。用原燃燒室的試驗數(shù)據(jù)對計算模型進行校核，在低速全負荷工況下，缸內(nèi)壓力和放熱率的計算值與試驗值對比如圖2所示。計算的點火時刻、放熱率型線和燃燒持續(xù)期與試驗結(jié)果具有良好的一致性，缸內(nèi)壓力值與試驗值也具有較好的一致性。以柴油機在低速全負荷工況下運行的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，在2個工況下對運行的氮氧化物(NOx)排放量和炭煙排放量進行當(dāng)量化，當(dāng)量化的計算值與試驗值對比情況如圖3所示。模型預(yù)測，柴油機在不同工況下運行，NOx排放和炭煙排放變化趨勢與試驗趨勢一致。試驗表明，經(jīng)過校核的模型能準(zhǔn)確預(yù)測缸內(nèi)燃燒過程，可運用于下一步的模擬研究。

圖2 低速全負荷工況下缸內(nèi)壓力放熱率計算值與試驗值對比

圖3 當(dāng)量化NOx排放和炭煙排放計算值與試驗值的對比

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 新燃燒室的燃燒排放性能

更改燃燒室形狀，需要重新評估新燃燒室與噴油嘴凸出高度的適配性。以柴油機在低速全負荷工況下運行的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對計算后的數(shù)據(jù)進行當(dāng)量化。圖4為噴油嘴凸出高度對新燃燒室燃燒排放性能的影響。由圖4可知，在低速全負荷工況下，噴油嘴凸出高度增大，ISFC增加，NOx排放量降低，炭煙排放量升高。而在標(biāo)定工況下，噴油嘴凸出高度增大，ISFC降低，NOx排放量升高，炭煙排放量降低。2種工況下的ISFC、NOx排放量和炭煙排放量隨噴油嘴凸出高度的變化出現(xiàn)了相反的變化趨勢。該柴油機常用工況為低速全負荷工況，需要重點考慮柴油機在低速全負荷工況下的燃油經(jīng)濟性，因此選定噴油嘴凸出高度為2.4 mm。

圖4 噴油嘴凸出高度對新燃燒室當(dāng)量化ISFC、NOx排放和炭煙排放的影響

以原燃燒室在低速全負荷工況下運行的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對原燃燒室和模擬預(yù)測的新燃燒室相關(guān)數(shù)據(jù)進行了當(dāng)量化分析。圖5為原燃燒室和新燃燒室的ISFC、NOx排放量和炭煙排放量進行當(dāng)量化后分析的對比。與原燃燒室相比，在相同循環(huán)壓力峰值下，新燃燒室在2種工況下運行的ISFC分別降低了1.14%和0.48%；NOx排放量分別降低了2.66%和2.57%；炭煙排放量均有所降低，特別是在低速全負荷工況下，其降幅高達79.50%。

圖5 當(dāng)量化ISFC、NOx排放和炭煙排放數(shù)據(jù)對比

為使新燃燒室的循環(huán)壓力峰值與原燃燒室相同，將新燃燒室噴油時刻推遲曲軸轉(zhuǎn)角1°(圖6)，新燃燒室的點火時刻也相應(yīng)推遲。點火后，新燃燒室在急燃期和緩燃期內(nèi)的放熱速率與原燃燒室相當(dāng)，但后燃期的放熱速率比原燃燒室快，最終新燃燒室的燃燒持續(xù)期略短。

圖6 低速全負荷工況下當(dāng)量化的累積放熱量對比

2.2 新燃燒室參數(shù)化研究

為進一步降低ISFC，采用FIRE ESE DIESEL軟件對新燃燒室形狀在低速全負荷工況下運行進行了參數(shù)化研究，以期尋找更優(yōu)的參數(shù)組合。由于FIRE ESE DIESEL軟件中沒有與新燃燒室形狀完全吻合的模塊，因此采用了相似度較高的、被稱為Base模塊的燃燒室模塊來擬合新燃燒室(圖7)。其中，dc為燃燒室的喉口直徑，S為喉口圓弧圓心的距離，φ為中心凸臺斜坡角度，r為燃燒室凹坑半徑，db為燃燒室直徑。

圖7 新燃燒室形狀與Base模塊對比

新燃燒室參數(shù)化研究分為以下3個階段。

(1)第1階段計算分析。選擇燃燒室的喉口直徑dc、喉口圓弧圓心的距離S和中心凸臺斜坡角度φ等參數(shù)設(shè)計了35次計算。計算結(jié)果如圖8所示。與Base模塊相比，在第17次計算時的ISFC降幅最大，降低了0.47%，但NOx排放量卻增加了3.80%。

圖8 第1階段燃燒室形狀參數(shù)化計算結(jié)果

(2)第2階段計算分析。保持第1階段中第17次計算的dc、S和φ等參數(shù)取值，進行第2階段燃燒室參數(shù)研究。第2階選擇了燃燒室凹坑半徑r和燃燒室直徑db作為參數(shù)，共進行了12次計算。其計算結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，改變參數(shù)r和db并未使ISFC顯著降低，僅第6次計算的燃油耗比第1階段的第17次計算值略微降低，NOx排放量和炭煙排放量也略有降低。

圖9 第2階段燃燒室形狀參數(shù)化計算結(jié)果

(3)第3階段模擬確認。綜合第1階段第17次的計算參數(shù)和第2階段第6次的計算參數(shù)，設(shè)計了一種被稱為“Test”的燃燒室。Test燃燒室的計算結(jié)果表明，與新燃燒室相比，Test燃燒室在2種工況下運行的ISFC分別降低了0.10 g/(kW·h)和0.24 g/(kW·h)，炭煙排放量分別增加了24.34%和38.65%。Test燃燒室的ISFC降低效果并不明顯，但炭煙排放則顯著增加。因此，放棄Test燃燒室的制造驗證，僅對新燃燒室進行制造和試驗驗證。

3 試驗驗證

圖10為原燃燒室和新燃燒室試驗的性能對比。由圖10可知，試驗結(jié)果與模擬計算預(yù)測結(jié)果趨勢一致，在低速全負荷工況下運行時，新燃燒室比油耗(BSFC)降低，炭煙排放量顯著降低，NOx排放量略有降低。在標(biāo)定工況下運行，采用新燃燒室的柴油機有效比油耗降低了0.61%，在轉(zhuǎn)速為970 r/min的全負荷工況下，其有效比油耗降低了0.72%，炭煙排放量降低了68.48%。

圖10 試驗測試的全負荷工況性能對比

4 結(jié)論

本文模擬分析了柴油機原燃燒室和設(shè)計的新燃燒室性能，對新燃燒室進行了參數(shù)化研究和試驗驗證，得到以下結(jié)論。

(1)新燃燒室模擬計算表明，在低速全負荷工況和標(biāo)定工況條件下，新燃燒室的ISFC比原燃燒室分別降低1.14%和0.48%；NOx排放量分別降低2.66%和2.57%；炭煙排放量均有所降低，特別是在低速全負荷工況下其降幅高達79.50%。

(2)采用FIRE ESE DIESEL軟件中的模塊對新燃燒室進行擬合，并進行了燃燒室參數(shù)化研究。根據(jù)參數(shù)化研究結(jié)果設(shè)計了Test燃燒室，但其節(jié)油效果不明顯，且造成了炭煙排放效果變差。

(3)試驗驗證燃燒模擬計算預(yù)測與試驗測試具有良好的一致性。試驗測試表明，設(shè)計的新燃燒室達到了降低燃油消耗的目的，且炭煙排放量明顯降低。