高压共轨柴油机混合气形成及燃烧过程的研究

彭华勇

（佛山职业技术学院汽车工程系，广东佛山528137）

高压共轨柴油机混合气形成及燃烧过程的研究

彭华勇

（佛山职业技术学院汽车工程系，广东佛山528137）

柴油机的碳烟和NOx以及噪声排放一直制约着柴油机应用，通过商用FIRE软件建立燃烧室模型，着重对高压共轨柴油机混合气形成及燃烧过程进行研究，分析了喷射压力和匹配喷油器对缸内的两相流特性和燃烧特性的影响，利用高压共轨柴油机的直喷式缩口低排放型燃烧室结构优势，对混合气从喷雾参数和燃烧室匹配问题上进行优化控制，从而在保证柴油机的动力性和经济性的基础上，降低碳烟和NOx以及噪声排放。

共轨；柴油机；喷射压力；喷油器

柴油机的能量释放和排放物的生成均在混合气的燃烧过程中产生，整个燃烧过程的优劣决定柴油机性能的优劣。燃烧过程由预混合燃烧和扩散燃烧组成，预混合燃烧的过程决定了混合气和喷雾的形成，而后者主要决定缸内气体运动状态和喷雾质量。这说明喷油规律和喷雾特性及燃烧室匹配问题对燃烧过程也产生很大的影响［1］。在预混合燃烧过程中，当缸内进气一样时，加大喷射压力，则柴油机的动力性和经济性能提高，但NOx排放量增多，当降低喷射压力时，虽然NOx排放量减少，但是柴油机的动力和经济优势消失，同时也不利于扩散燃烧，所以优化燃料喷射与燃烧室匹配就显得尤为重要。为了提高扩散燃烧过程的性能，现有的诸如推迟喷油时刻和抑制最高温度等方法，都是将参与扩散燃烧的燃料增多，所以提高燃料的燃烧速率将进一步提高柴油机的性能，因此对喷雾特性与燃烧室的匹配进行优化，对降低柴油机的排放量具有重要作用。

1　试验模型的建立

1.1试验用柴油机的参数

试验样机是国产轻型车用4冲程高速柴油机，主要参数如表1所示，该样机最大轨压145 MPa，采用第二代高压共轨喷射系统。

表1　样机参数

1.2模拟条件与计算方法

为了使燃烧室左右空气流集中及更好地配合喷注，将燃烧室结构进行改进，在中部设置凸台。结构图如图1所示。

图1　燃烧室结构模型

整个模拟实验的计算通过FIRE软件计算，计算的初始条件为：燃烧室缩口比为 0.807，径深比为3.23，进气涡流比SN=1.8，计算公式如下：

其中：TKE为湍流动能，TLS为湍流长度标尺，在进行计算时移动边界为活塞顶，边界温度设为553 K，固定边界温度设为403 K，并将燃烧室划分成三部分，活塞顶面、气缸盖底面和气缸壁［2］。按照公式利用ALE方法进行计算，ALE是一种对单元容积控制的差分法，计算时按划分的差分网络内气流的运动场采用拉格朗日方法进行计算，当划分的网络内无运动场时则采用欧拉方式进行计算。

2　喷射参数对混合气形成及排放的影响

对混合气体的形成及排放有影响的喷射参数主要是喷射压力和喷油定时，本节通过两种方式对这两个参数进行分析［3］。一种是其他参数不变，改变喷射压力，研究混合气的形成及排放情况；另一种是在特定的工况下保持喷射压力不变，改变喷射定时，分析对混合气形成和排放的影响。

2.1喷射压力对燃烧室内两相流特性的影响

喷射压力对两相流特性的影响主要分为对燃烧室内的速度场的影响和对燃油相对空气扩散速度的影响。

在分析对速度场的影响中，设定80 MPa、120 MPa、160 MPa、200 MPa四组不同的喷射压力，通过模型进行试验计算。伴随着喷射压力的增大，缸内的最大速度随之增大，同时燃料的射程随着压力的增大变得更长，等量的燃料被喷完，压力较大时所用的时间较短，并且针对实验所用的柴油机，测出在160 MPa与200 MPa时，可以实现燃油以较快速度进入底部，与缸内的气体形成对流，促进混合气体充分混合提高，使得燃料充分燃烧，提高了空气的利用率，据此可得出，改样机的最佳喷射压力在160 MPa～200 MPa之间。

根据柴油的难挥发性和粘性特征，柴油机的混合气形成之前需先对柴油进行雾化，而柴油的雾化分为空间雾化和油膜蒸发混合雾化，雾化方式的不同，柴油机的性能也不同，而雾化的方式取决于喷射的压力，燃油与空气的相对速度对混合气的形成具有关键作用，在分析对燃油相对空气扩散速度的影响中，通过在模型中设立几个采样点来通过FIRE软件模拟计算，得出提高喷射压力可以促进燃油与燃烧室内的空气充分混合，而且随着压力的增大，喷住的射程也在增大，这样就可以使更多的空气参与混合气体的形成，促进混合气体的形成，使得燃油燃烧的更加充分。

2.2喷射压力对燃烧过程的影响

对燃烧过程的影响主要体现在对缸内浓度场和温度场的影响及对NOx排放特性的影响，在不同的压力下进行分析，在压力比较低的80 MPa时，燃烧较滞后，随着压力变大，燃烧过程加快，且放热值随之增高，初期放热较快，燃烧室温度较高，温度高促进NOx排放，因此喷射压力过大会造成NOx产生的较早，持续的时间较长，所以压力过大不是最佳状态，针对试验样机在120 MPa～160 MPa时性能最佳。

2.3喷射定时对混合气的形成及排放的影响

选择特定的一个工况，将样机的喷射压力设定在160 MPa，通过改变喷油提前角进行分析，当推迟喷油提前角时，混合气体的峰值和混合气体形成的曲轴后移，这就造成混合气形成较少，燃烧释放的热值相对较小，燃烧温度随之下降，从而降低NOx的形成和排放，所以推迟喷射提前角，可以降低燃烧室的温度，减少NOx的形成，对降低NOx排放起促进作用。

3　喷油器结构与缩口燃烧室的匹配

合理优化喷油器喷雾特性与缸内气流特性匹配，是除优化喷射参数之外的另一种有效的促进混合气形成和燃烧的方法。为了分析不同结构的喷油器对混合气形成和燃烧的影响，本节采用如表2所示的三种结构不同的喷油器。

表2　喷油器参数

3.1匹配喷油器对缸内两相流特性的影响

研究两相流特性主要从燃烧室内速度场和油滴空间分布入手。对燃烧室内的速度场进行分析，在孔径匹配上，当喷口直径减小时，喷雾的射程降低，参与形成混合气体的空气减少，造成混合气体形成不充分，燃料燃烧率降低，柴油机的油耗增加，除了孔径之外，喷孔的数量对燃烧过程也有很大的影响，喷口数量少时，缸内的空气利用率降低，但如果孔数过多，各个喷口之间就会相互干扰，会对混合气的形成产生干扰，因此，喷口数及孔径的大小都会对混合气的形成产生影响［4］。

油滴的空间分布对混合气的形成及燃烧过程有较大影响，当喷孔数量较少时，油束之间不会产生干扰，但因油束叠加使燃料浓度增加，因此燃烧不充分，造成排放量增大，但随着喷孔数的增加，在缸内燃油的空间分布越来越均匀，对于混合气的形成起到促进作用，在油滴的空间分布上，喷孔的数量和孔径起到很大的作用。

3.2匹配喷油器对燃烧过程的影响

匹配喷油器对燃烧过程影响主要体现在燃烧室的浓度场和温度场上，通过在燃烧室内选取样本点进行分析，7孔的喷油器形成的油膜相对于5、6孔的喷油器形成的油膜更靠近缩口处且比较薄，由于孔数增加，喷射的整体速度降低，则雾化更加充分，利于混合气体的充分形成，使得燃烧更加充分，燃料利用率提高［5］。通过对三个喷油器的放热情况进行分析，6孔的放热峰值最大，7孔的放热较早，温度上升较快，5孔的峰值最低，由此可见在混合气形成中7孔的组织最好，可以充分发挥柴油机的动力性能和经济性能，同时降低排放。

4　结论

（1）混合气体的形成主要受喷射系统对燃料的喷雾特性及燃烧室内的气流特性的影响，为了充分发挥柴油机的性能优势，合理选择喷射压力和喷油定时是非常必要的。

（2）优化喷油器结构与缩口燃烧室的匹配促进柴油机整体性能提升，选择喷口数目多，孔径较小的喷油器，可以使油滴雾化细腻，促进混合气体形成，使燃烧过程更充分，提高燃烧室内的空气利用率，更好地发挥柴油机的动力性能，同时降低柴油机的碳烟排放。

［1］袁方恩，林学东，田维，等.缩口燃烧室中气流特性与燃油喷雾匹配对柴油机燃烧及排放的影响［J］.吉林大学学报：工学版，2011（03）：07-10.

［2］陈超，李浩，邓成林，等.柴油车排放法规最新动态［J］.内燃机与动力装置，2010（06）：14-16.

［3］林学东，李德刚，田维.高压喷射的高速直喷柴油机混合气形成及燃烧过程［J］.吉林大学学报：工学版，2009（06）：23-26.

［4］兰琳.柴油机排气污染及其控制技术［J］.农机化研究，2008（05）：21-24.

［5］金江善，平涛，凌励逊.柴油机高压共轨燃油喷射系统共轨压力控制技术研究［J］.柴油机，2006（03）：29-31.

Study on the Formation and Combustion of High Pressure Common Rail Diesel Engine

PENG Hua-yong
（Department of Automotive Engineering，Foshan Polytechnic，Foshan528137，China）

Diesel soot，NOxand noise emissions have restricted the diesel engine application，through commercial CFD software FIRE designed a combustion chamber model，emphatically of high-pressure co rail diesel engine mixture formation and combustion process were studied，shrink mouth low emissions combustion chamber structure advantages，the mixed gas from the parameters of the spray and combustion chamber matching problem on the optimization control of the direct injection，injection pressure and matching injector in the cylinder of the two-phase flow and combustion characteristic，using high-pressure co rail diesel machine was analyzed，thus to ensure the diesel engine's power and economy based on，reduce soot and NOxand noise emissions.

common rail；diesel engine；injection pressure；injector

TK421

A文献标识码：1009-9492（2015）12-0069-03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.019

彭华勇，男，1964年生，广东佛山人，硕士，高级工程师。研究领域：汽车发动机、底盘及新能源。

（编辑：向飞）

2015-06-08