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摘要:本文重点研究了不同的燃烧室结构对柴油机性能和排放的影响。通过ESC试验循环和稳态满载测试确定了满足要求的燃烧室匹配方案。
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.
关键词:柴油机;燃烧室;排放
Key words: diesel engine;combustion chamber;discharge
中图分类号:U664.121 文献标识码:A 文章编号:1674-957X(2021)15-0028-02
0 引言
柴油机燃烧系统的优化即为燃烧室形状、燃油喷射、气流运动三者的一个最优匹配。它对柴油与空气的混合速率和混合质量有着直接的影响,进而影响柴油机的燃烧过程[1]。因此,燃烧系统对柴油机的经济性、动力性、排放特性起着至关重要的作用。
1 燃烧室结构设计
柴油机燃烧技术的开发一直伴随着燃烧室结构的优化,燃烧系统其余参数的变化都要与其相适应的燃烧室结构变化相匹配。因此,燃烧室结构设计是柴油机燃烧系统优化的首要内容。
燃烧室的结构设计受油束射程,油束喷射角度,进气涡流强度以及燃油的雾化程度等因素的综合影响。目前,喷油压力逐渐提高,喷孔数目和喷射角度也有所增加,这都要求燃烧室深度变浅,直径也要变大,形状也由缩口型变为敞开型。故在燃油喷射末期,可以避免油束和燃烧火焰与气缸壁碰撞,利于碳烟排放的降低。
综合考虑排放和冷起动性能,同时借鉴以往机型的开发经验,压缩比拟选在17.0~17.5之间。该方案设计是基于現有的柴油机活塞上进行的,各个燃烧室的具体参数如表1所示,与1号燃烧室相比,2号燃烧室开口直径和双唇直径增大,凹坑深度减小。
2 燃烧室优化计算分析
使用三维软件建模,选取B100工况作为计算工况,通过发动机台架试验获得柴油机性能排放数据和缸压曲线,根据缸压曲线计算得到缸内瞬时和累计放热率曲线,为三维CFD计算中的缸内喷雾、燃烧和排放物生成模型参数标定提供基础的试验数据。
根据经验和计算结果优化出6个不同型线的燃烧室(case1、2、3、4、5、6),其型线如图1所示。
将优化的燃烧室与喷油器(选取三组不同流量的喷油器,A1>A2>A3)进行正交计算,并绘制ISFC-ISNOX和ISFC-ISPM之间的trade-off关系图,如图2所示。
根据计算结果可以看出,大流量喷油器在油耗和PM上均优于小流量喷油器,16.3压缩比燃烧室与A1喷油器组合对于油耗和PM降低效果最明显,但NOX排放恶化。所以,将16.3压缩比燃烧室与A1喷油器组合作为首选方案。定义为1号燃烧室。case1与A3小流量喷油器在油耗及排放上降幅较小,作为备选方案。定义为2号燃烧室。
3 优化计算结果试验验证分析
进行燃烧室结构对柴油机性能的影响的试验时,均采用喷油锥角为148°的8孔喷油器,喷油控制参数相同,喷油压力设为160MPa,并且均为单次喷射。
全负荷工况下两者的缸内最高爆发压力与转速的关系基本一致。图3是全负荷工况下,放热量为总放热量50%所对应的曲轴转角位置曲线。由图可知1号燃烧室放热稍稍早于2号,但不明显。可能因为是1号燃烧室的径深比Da/T比2号燃烧室小,油气混合的质量、速度均优于2号燃烧室,故燃烧始点稍有提前。
全负荷工况下,两种燃烧室对应的NOX以及soot排放见图5和图6。1号燃烧室和2号燃烧室有关NOX的排放值基本相同,但是2号燃烧室的soot排放优于1号燃烧室,在中高转速时尤其明显。可能的原因是:2号燃烧室过量空气系数较高(图4),进气流量也略高,有利于缸内高温过浓区域的减少,从而降低了soot的比排放;同时,2号燃烧室的径深比Da/T大,有利于soot在新鲜空气中的氧化。
经过以上的对比及分析,1号和2号燃烧室的全负荷性能基本相同,NOX排放随转速变化趋势相差不大,且都处于较低水平。在soot排放方面,2号燃烧室存在一定的优势。
4 结论
本章对燃烧系统进行了优化,主要集中在燃烧室结构的设计,对不同结构的燃烧室进行匹配后发现,1号和2号燃烧室的全负荷性能相差不大,额定点功率都满足要求。因为实测压缩比略有差异,2号燃烧室比油耗略高于1号,但基本满足要求。全负荷时,两者的NOX排放水平相差不大,且都处于较低水平。在soot排放方面,2号燃烧室明显优于1号燃烧室。
参考文献:
[1]朱坚.燃烧系统结构参数对柴油机性能影响的试验研究[D].广西大学,2005.
[2]吴承雄.内燃机缸内湍流运动数值模拟研究[J].内燃机学报,1997(4):398-404.
[3]刘建英.高强化柴油机燃烧系统参数优化匹配的多维仿真研究[D].北京交通大学,2007.
[4]徐丹.柴油机燃烧室及喷油系统多参数优化匹配研究[D].北京理工大学,2015.
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.
关键词:柴油机;燃烧室;排放
Key words: diesel engine;combustion chamber;discharge
中图分类号:U664.121 文献标识码:A 文章编号:1674-957X(2021)15-0028-02
0 引言
柴油机燃烧系统的优化即为燃烧室形状、燃油喷射、气流运动三者的一个最优匹配。它对柴油与空气的混合速率和混合质量有着直接的影响,进而影响柴油机的燃烧过程[1]。因此,燃烧系统对柴油机的经济性、动力性、排放特性起着至关重要的作用。
1 燃烧室结构设计
柴油机燃烧技术的开发一直伴随着燃烧室结构的优化,燃烧系统其余参数的变化都要与其相适应的燃烧室结构变化相匹配。因此,燃烧室结构设计是柴油机燃烧系统优化的首要内容。
燃烧室的结构设计受油束射程,油束喷射角度,进气涡流强度以及燃油的雾化程度等因素的综合影响。目前,喷油压力逐渐提高,喷孔数目和喷射角度也有所增加,这都要求燃烧室深度变浅,直径也要变大,形状也由缩口型变为敞开型。故在燃油喷射末期,可以避免油束和燃烧火焰与气缸壁碰撞,利于碳烟排放的降低。
综合考虑排放和冷起动性能,同时借鉴以往机型的开发经验,压缩比拟选在17.0~17.5之间。该方案设计是基于現有的柴油机活塞上进行的,各个燃烧室的具体参数如表1所示,与1号燃烧室相比,2号燃烧室开口直径和双唇直径增大,凹坑深度减小。
2 燃烧室优化计算分析
使用三维软件建模,选取B100工况作为计算工况,通过发动机台架试验获得柴油机性能排放数据和缸压曲线,根据缸压曲线计算得到缸内瞬时和累计放热率曲线,为三维CFD计算中的缸内喷雾、燃烧和排放物生成模型参数标定提供基础的试验数据。
根据经验和计算结果优化出6个不同型线的燃烧室(case1、2、3、4、5、6),其型线如图1所示。
将优化的燃烧室与喷油器(选取三组不同流量的喷油器,A1>A2>A3)进行正交计算,并绘制ISFC-ISNOX和ISFC-ISPM之间的trade-off关系图,如图2所示。
根据计算结果可以看出,大流量喷油器在油耗和PM上均优于小流量喷油器,16.3压缩比燃烧室与A1喷油器组合对于油耗和PM降低效果最明显,但NOX排放恶化。所以,将16.3压缩比燃烧室与A1喷油器组合作为首选方案。定义为1号燃烧室。case1与A3小流量喷油器在油耗及排放上降幅较小,作为备选方案。定义为2号燃烧室。
3 优化计算结果试验验证分析
进行燃烧室结构对柴油机性能的影响的试验时,均采用喷油锥角为148°的8孔喷油器,喷油控制参数相同,喷油压力设为160MPa,并且均为单次喷射。
全负荷工况下两者的缸内最高爆发压力与转速的关系基本一致。图3是全负荷工况下,放热量为总放热量50%所对应的曲轴转角位置曲线。由图可知1号燃烧室放热稍稍早于2号,但不明显。可能因为是1号燃烧室的径深比Da/T比2号燃烧室小,油气混合的质量、速度均优于2号燃烧室,故燃烧始点稍有提前。
全负荷工况下,两种燃烧室对应的NOX以及soot排放见图5和图6。1号燃烧室和2号燃烧室有关NOX的排放值基本相同,但是2号燃烧室的soot排放优于1号燃烧室,在中高转速时尤其明显。可能的原因是:2号燃烧室过量空气系数较高(图4),进气流量也略高,有利于缸内高温过浓区域的减少,从而降低了soot的比排放;同时,2号燃烧室的径深比Da/T大,有利于soot在新鲜空气中的氧化。
经过以上的对比及分析,1号和2号燃烧室的全负荷性能基本相同,NOX排放随转速变化趋势相差不大,且都处于较低水平。在soot排放方面,2号燃烧室存在一定的优势。
4 结论
本章对燃烧系统进行了优化,主要集中在燃烧室结构的设计,对不同结构的燃烧室进行匹配后发现,1号和2号燃烧室的全负荷性能相差不大,额定点功率都满足要求。因为实测压缩比略有差异,2号燃烧室比油耗略高于1号,但基本满足要求。全负荷时,两者的NOX排放水平相差不大,且都处于较低水平。在soot排放方面,2号燃烧室明显优于1号燃烧室。
参考文献:
[1]朱坚.燃烧系统结构参数对柴油机性能影响的试验研究[D].广西大学,2005.
[2]吴承雄.内燃机缸内湍流运动数值模拟研究[J].内燃机学报,1997(4):398-404.
[3]刘建英.高强化柴油机燃烧系统参数优化匹配的多维仿真研究[D].北京交通大学,2007.
[4]徐丹.柴油机燃烧室及喷油系统多参数优化匹配研究[D].北京理工大学,2015.