直喷柴油机低压缩比双壁面反射燃烧系统快速燃烧的试验研究

郭鹏江,高希彦

(大连理工大学内燃机研究所，大连 116024)



2015112

直喷柴油机低压缩比双壁面反射燃烧系统快速燃烧的试验研究

郭鹏江,高希彦

(大连理工大学内燃机研究所，大连 116024)

本文除在先前对低压缩比直喷柴油机双壁面反射燃烧系统试验研究的基础上，扩展试验内容，以进一步验证该燃烧系统的优势和良好效果之外，着重对该燃烧系统的快速燃烧这一特征进行了试验研究。结果表明：采用该燃烧系统，在全工况范围内降低了气缸爆发压力和NOx排放，改善了低速油耗率和烟度排放，只是在高速区指示热效率降低，油耗率略有增加。通过外特性工况瞬时放热率在中高速区呈单峰趋势和累积放热率5%～70%对应的曲轴转角θ5～θ70范围内与原机有相同的燃烧速率，证实了低几何压缩比的双壁面反射燃烧系统仍具有快速燃烧的特征。

直喷柴油机；双壁面反射；燃烧系统；瞬时放热率；压缩比

前言

柴油机具有高热效率和很好的耐久性，被广泛地应用在汽车上作为动力源。但是柴油机排气中的NOx和PM物质对环境造成了严重的污染，研究人员积极致力于降低柴油机污染物的研究，开发了许多低排放燃烧系统，如UNIBUS(Uniform Bulky Combustion System)和MK(Modulated Kinetics)燃烧系统[1-3]。作者基于油束壁面引导喷束和分层理论开发了一种低压缩比的双壁面反射(原称双壁面射流)式燃烧系统[4]，它采用较低的压缩比，降低压缩终了的缸内压力，使着火点向后推迟，从而降低燃烧最高温度，降低NOx排放和燃烧噪声；再采用“双壁面反射”燃烧技术弥补了降低压缩比所带来的不利影响。通过一系列试验研究，显示了该燃烧系统的良好效果[5]。本文作为该燃烧系统系列试验研究的延续，一方面在文献[5]的基础上，扩展试验项目，以进一步验证该燃烧系统的优势；另一方面着重通过试验研究，更深入地阐明该燃烧系统的快速燃烧机理与特征。

1 试验方法

本文中所采用的试验设备与装置、双壁面反射燃烧系统和6Φ21与5Φ25喷油器详见文献[5]。进气涡流比在本文中保持不变，与原机相同(Ω=1.732)。在试验中“双壁面反射”燃烧系统与原机保持相同的静态供油提前角，为12°CA BTDC。为了降低供油速率，减少预混合燃烧量，减少NOx排放，使用了直径为Φ9.5mm的柱塞。

本试验研究分两部分进行，第一部分是低压缩比“双壁面反射”柴油机性能补充试验；第二部分是该燃烧系统快速燃烧特征的试验验证。

2 试验结果与分析

2.1 低压缩比“双壁面反射”柴油机性能补充试验

文献[5]中试验研究了原机与配置喷油器5Φ25和6Φ21的低压缩比“双壁面反射”燃烧系统，主要着重于负荷特性；本文中将主要补充外特性性能的对比，包括燃烧始点、缸压、缸内燃烧平均温度、指示热效率、NOx与碳烟排放和有效油耗率等。

指导思想是瞬时放热率的控制。通过降低几何压缩比，控制柴油机的着火始点；通过“双壁面反射”技术和喷油系统、燃烧系统、油束贯穿度的优化与散热损失等控制燃烧速率和瞬时放热率峰值。

图1为原机与“双壁面反射”柴油机的着火时刻

对比。由图可见：“双壁面反射”柴油机外特性工况的着火点(瞬时放热率由负变正的点为着火点)比原机滞后1°～2°CA，主要是由于“双壁面反射”燃烧系统降低了几何压缩比，压缩终了时刻的缸内压力和温度都降低，导致着火滞后；配置喷油器5Φ25的“双壁面反射”燃烧系统着火点，比喷油器6Φ21稍晚一些，主要是因为燃油从喷油器喷出后，油束的外层最先达到着火条件，最先开始燃烧，然后通过燃烧室壁面反射的油束达到着火条件才开始燃烧，形成了从燃烧室中部到外围的有序燃烧方式，而喷油器6Φ21的孔径较小，雾化程度要好一些，所以着火点早于喷油器5Φ25。

图2和图3是原机与“双壁面反射”柴油机在低速(1 400r·min-1)、中速(2 100r·min-1)和高速(3 000r·min-1)额定转矩下的示功图和缸内燃烧平均温度。由图2可见：“双壁面反射”柴油机的缸压远远低于原机的缸压，但原机与“双壁面反射”柴油机的压力升高率相差不大。由图3可见：在低速时，配置喷油器6Φ21的“双壁面反射”燃烧系统的缸内燃烧平均温度高于原机。这主要是由于在低速时原机的喷射压力较低，气流运动较弱，以及活塞运动速率较低，不容易形成较强的反挤流，导致于油气混合能力较差，燃油不能充分的燃烧，降低了燃烧温度；而采用了“双壁面反射”的燃烧方式后，在有限的滞燃期内能实现油气的快速混合，使缸内燃烧温度增加；但无论低速、中速还是高速，燃烧后期的缸内燃烧平均温度都高于原机，随着活塞的下行，燃烧室的容积不断增加，导致后期燃烧变得缓慢，燃烧持续期延长，另外撞击到壁面上的油膜不能立刻汽化蒸发参与燃烧，也延长了燃烧持续期，因此，燃烧不能迅速结束，使缸内平均温度高于原机。

图4和图5是原机与“双壁面反射”燃烧系统外特性的总指示热效率与性能对比。由图4可见：在低速时，原机的油气混合较差，导致指示热效率较低；在高速时，对于“双壁面反射”柴油机来说，随着活塞的下行，燃烧室容积加大，燃烧后期的燃烧速率较低，能量利用率较差，使指示热效率下降。由图5可见：由于“双壁面反射”燃烧系统的几何压缩比降低，NOx排放降低，油耗率有所增加；但是配置喷油器6Φ21的“双壁面反射”改善了柴油机的低速性能，降低了低速烟度和油耗率，配置喷油器6Φ21和5Φ25的“双壁面反射”燃烧系统的差别主要体现在低速工况上，配置喷油器6Φ21要好一些。

2.2 低压缩比“双壁面反射”燃烧系统快速燃烧的

试验验证 综上所述，采用低压缩比后的“双壁面反射”燃烧系统，在全工况范围内降低了气缸爆发压力和NOx排放，改善了低速油耗率和烟度排放，只是在高速区由于指示热效率降低，油耗率略有增加。随着活塞的下行，燃烧室容积的不断加大，碳烟在燃烧后期不能迅速被氧化，燃烧室壁面油膜来不及吸收足够的热量迅速蒸发，导致烟度增加。虽然降低了几何压缩比，但是“双壁面反射”燃烧系统仍然具有快速燃烧的特性，下面通过累计放热率和瞬时放热率来分析。

图6是外特性工况的“双壁面反射”柴油机与原机累计放热率所对应的曲轴转角位置。燃料着火后瞬时放热率由负变正，燃烧向外放热，但是燃料燃烧的同时，缸内的燃油蒸发要吸热，当燃烧的放热大于蒸发的吸热时，火焰生长速度大于油束发展速度，在这个时期发生急剧的放热，这时累计放热率大于零，所以累计放热率零点所对应的曲轴转角要晚于瞬时放热率零点所对应的曲轴转角。

图6中θ5、θ10、θ30、θ50、θ70和θ90分别表示累计放热率为5%、10%、30%、50%、70%和90%时所对应的曲轴转角。θ5-θ90可视为燃烧持续期。在各个转速下，在θ5-θ70阶段，“双壁面反射”燃烧系统几乎与原机有相同的燃烧速率，都属于快速燃烧。在θ70-θ90阶段，“双壁面反射”燃烧系统的燃烧速率变慢，

这主要是由于随着燃烧的持续进行，活塞下行，双壁面射流燃烧室容积大于原机的燃烧室容积，所以燃烧温度较低，降低了燃烧速率。另外，外特性工况喷油量的增多，壁面上的油膜生成量也增多，壁面上的油膜不能吸收足够的热量迅速蒸发，也导致了燃烧后期燃烧速率的降低。油膜的蒸发速率取决于很多因素，包括气体温度、壁温、气体流速、气体压力和燃油特性等。油粒被加热达到平衡温度，并停留在此温度下直到完全蒸发为止。对油膜来说，壁温一般比燃油中很多化合物的平衡温度都低，而且与雾化油粒相比，油膜表面质量传递面积较小，所以油膜的蒸发速率估计比油粒小，预计这种油膜是最后蒸发完[6]。

在外特性的低速和中速工况下，对于累计放热率θ70-θ90阶段，喷油器6Φ21所对应的曲轴转角要大一些，主要是因为对于相同的喷油时刻，喷油器6Φ21的着火始点要提前(图1)，滞燃期较短；另外在有限的滞燃期内，喷油器6Φ21喷入气缸内的燃油量少于喷油器5Φ25，预混合燃烧量要少，扩散燃烧量增多，导致于燃烧后期的持续时间变长。

图7为低速、中速和高速额定转矩下的“双壁面反射”柴油机与原机的瞬时放热率。由图可见：在1 400r·min-1、251N·m工况下，原机的瞬时放热率呈单峰趋势，而“双壁面反射”柴油机的瞬时放热率呈双峰的趋势；随着转速的增加，在中速与高速额定转矩工况，原机与“双壁面反射”柴油机的瞬时放热率都呈单峰趋势，这是因为双壁面反射燃烧系统具有快速混合的特点，使扩散燃烧部分提前，不至于在预混合燃烧结束后再进行扩散燃烧，具有较短的燃烧持续期，能实现快速燃烧。

2.3 低压缩比“双壁面反射”燃烧系统的燃烧稳定性

一般燃烧的稳定性通过平均指示压力变动率δcov来衡量，将平均指示压力变动率的10%作为燃烧不稳定边界。δcov通过下式计算[7]：

(1)

(2)

(3)

式中pimepi为第i循环的平均指示压力，利用燃烧分析仪测得。

图8为配置6Φ21喷油器的双壁面反射燃烧系统在每个工况下连续8个工作循环的缸压(第21～28个工作循环)，将第1个循环压缩终了时刻对应的曲轴转角作为0°CA，第21～28个循环则为14 040°～19 800°CA ATDC。

表1为各个工况平均指示压力变动率的计算结果。由表1可见：在高速小负荷3 000r/min、26N·m工况下平均指示压力变动率为108.97%，属于不稳定燃烧，其余工况下平均指示压力变动率都低于10%，燃烧稳定。

表1 各个工况点平均指示压力变动率计算结果

3 结论

(1) 开发了一种低压缩比的双壁面反射燃烧系统，采用较低的几何压缩比，降低压缩终了时刻的爆发压力，使着火点向后推迟，从而降低了燃烧最高温度、NOx排放和燃烧噪声。采用“双壁面反射”燃烧技术弥补了降低压缩比所带来的不利影响，因为其具有快速燃烧这一特点，缩短了燃烧持续期，有利于碳烟的氧化，同时不至于使燃烧相位向后推迟而恶化油耗率。

(2) 通过试验验证了“双壁面反射”燃烧系统具有快速燃烧的特性。主要从累积放热率和瞬时放热率来论证。对于累计放热率，在各个转速下，在θ5-θ70阶段，“双壁面反射”燃烧系统几乎与原机有相同的燃烧速率，都属于快速燃烧。对于瞬时放热率，在中速与高速额定转矩工况，由于扩散燃烧部分提前，“双壁面反射”柴油机的瞬时放热率呈单峰趋势。

(3) 在各个工况下连续采集8个工作循环的缸压曲线，通过平均指示压力变动率δcov对燃烧稳定性进行评估，只有在高速小负荷3 000r·min-1、26N·m工况下，δcov远大于10%，燃烧变得不稳定，其余工况下燃烧稳定。

[1] Kimura S, AoKi O, et al. Utra-clen Combustion Technology Combining a Low-temperative and Premixed Combustion Concept for Meeting Future Emission Standards[C]. SAE Paper 2001-01-0200.

[2] Shuji Kimura, Osamu Aoki, Hiroshi Ogawa, et al. New Combustion Concept for Ultra-Clean and High-Efficiency Small DI Diesel Engines[C]. SAE Paper 1999-01-3681.

[3] Hiromichi Yanagihara, Yasuo Sato, Junichi Mizuta. A Study of DI Diesel Combustion Under Uniform Higher-dispersed Mixture Formation[C]. JSAE Review,1997,18:247-254.

[4] 郭鹏江,高希彦.直喷柴油机“双壁面射流”燃烧系统的设计与试验研究[J].车用发动机,2010,188(3):8-14.

[5] 郭鹏江,高希彦.直喷柴油机双壁面射流燃烧系统燃烧特性研究[J].大连理工大学学报,2013,53(2):194-199.

[6] 初纶孔.柴油机供油与雾化[M].大连:大连理工大学出版社,1989:106-109.

[7] 尧命发,张波,郑尊清,等.废气再循环与燃料辛烷值对均质压燃燃烧特性影响的试验研究[J].内燃机学报,2005,23(6):503-509.

An Experimental Study on the Rapid Combustion of Low Compression-ratio“Double Wall Reflection”Combustion System for DI Diesel Engine

Guo Pengjiang & Gao Xiyan

InternalCombustionEngineInstitute,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024

In this paper, firstly some supplementary tests are performed based on previous tests on the low compression ratio “double wall reflection” combustion system of direct injection diesel engine for further verifying its advantage and effectiveness. Then the tests on the rapid combustion features of the combustion system are emphatically carried out. The results show that with the proposed combustion system adopted, the explosion pressure and NOxemission reduce in full working range with specific fuel consumption and soot emission improved, except the decline in indicated thermal efficiency and slight rise of specific fuel consumption in high speed region. The instantaneous heat release rate curve shows a single peak trend in external characteristic condition and the combustion velocity in a crankshaft angle range of θ5～θ70corresponding to an accumulated heat release rate of 5%～70% is the same as in original engine. These validate the rapid combustion feature of low compression ratio “double wall reflection” combustion system.

DI diesel engine; double wall reflection; combustion system; instantaneous heat release rate; compression ratio

原稿收到日期为2011年9月29日，修改稿收到日期为2015年5月29日。