燃烧室对4190船用柴油机燃烧及排放性能的影响

黄加亮， 温 朋， 尹自斌， 朱 钰(1.集美大学 a. 轮机工程学院；b. 诚毅学院，福建 厦门 361021；2.福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021)

燃烧室对4190船用柴油机燃烧及排放性能的影响

黄加亮1a,2， 温 朋1b， 尹自斌1a,2， 朱 钰1a,2
(1.集美大学 a. 轮机工程学院；b. 诚毅学院，福建 厦门 361021；2.福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021)

结合4190ZLC-2型船用柴油机电控化改造项目，应用AVL_FIRE专业软件，建立柴油机缸内高压循环的仿真模型，通过台架试验获得缸压曲线，验证模型的正确性。利用该模型研究燃烧室型式、结构参数对燃烧过程和排放浓度等的影响。结果表明：缩口燃烧室的排放性能最好；喉口直径较小时，NOx排放浓度低，但是碳烟排放浓度较高；凸台高度增大使得缸内高温区面积减小，缸内最高温度增大，凸台高度越小，NOx排放浓度越高，但碳烟排放浓度较低；随着凹坑半径增大，缸内最高温度和压力逐渐增大，排放浓度也会受到很大影响。

船舶工程；4190ZLC-2型柴油机；喉口直径；凸台高度；凹坑半径；燃烧室；排放浓度

燃烧室承担着油气混合与燃烧的功能，燃烧过程的好坏对柴油机的动力性、经济性和排放特性有着重要影响，因此研究燃烧室几何结构对燃烧过程的影响具有深远意义。[1]RISI等[2]研究了不同燃烧室形状对缸内流场、温度场、NOx和碳烟排放的影响。ZHU等[3]研究了3种不同燃烧室唇部形状和凹坑半径对柴油机缸内混合及燃烧过程的影响。王锡斌等[4]研究了燃烧室缩口、底部凸台和燃烧室偏心对缸内流场的影响，并通过发动机试验研究了燃烧室几何形状对发动机性能的影响。郭晓平等[5]在不改变燃烧室体积的情况下，通过改变燃烧室的口径比和径深比，对柴油机的工作过程进行了仿真计算。尚勇等[6]通过对ω型燃烧室进行参数化设计思想的分析，得到了影响燃烧室形状的3个独立参数，并在定容的情况下对各独立变量进行了改变，设计出了变参数系列的燃烧室。这里主要从燃烧室型式、燃烧室结构参数对燃烧及排放性能的影响等方面入手，对传统ω型燃烧室进行深入研究。

1 研究对象及仿真模型的建立

研究对象为4190ZLC-2型船用四冲程涡轮增压柴油机[7]，其主要参数见表1。

表1 4190ZLC-2型船用四冲程涡轮增压柴油机主要参数

利用AVL_FIRE软件建立柴油机燃烧系统的仿真模型，对缸内燃烧过程进行仿真计算。由于利用AVL_FIRE软件中的柴油机高压燃烧模块ESE(Easy Simulation Environment)可方便快捷地建立不带气道的部分模型，因此仅用一个扇区对喷雾和燃烧进行模拟计算。建立的1/8燃烧室模型见图1。

图1 1/8燃烧室模型

模型构建及验证：湍流流动模型选用K-ε模型；喷雾破碎模型选用WAVE模型；液滴蒸发模型选用Dukowicz模型；碰壁模型选用Walljet1模型；湍流扩散模型选用Enable模型；燃烧模型选用涡耗散模型；NOx排放物生成模型选用Zwldovich模型；碳烟模型选用Kennedy Hiroyasu Magnussen模型。

仿真计算结果和试验测得结果对比见图2，仿真所得示功图与试验测得的示功图趋势一致且吻合良好，表明高压循环模型准确，并可利用该模型对柴油机燃烧室的工作过程和燃烧产物进行仿真分析。

图2 仿真计算结果和试验测得结果对比

2 燃烧室型式对燃烧和排放的影响

4190ZLC-2型柴油机燃烧室为半开式结构，燃烧室内的雾化以空间混合为主，因此其形状对雾化有着重要影响。为对燃烧室结构进行优化，在保证压缩比不变的前提下，首先设计一个缩口燃烧室和一个开口燃烧室的模型(见图3)，并将其与原机燃烧室进行对比分析。仿真计算得到喷油时不同燃烧室、不同时刻速度场的形成过程(见图4)。

a)缩口燃烧室b)开口燃烧室

图3 缩口、开口燃烧室模型

由图4可知，喷射油束对缸内气流运动有非常重要的影响，会形成高速的气流。在燃油喷射过程中可看出：缩口燃烧室和开口燃烧室内气体的流动速度高于原机，特别是缩口燃烧室；此外，由于油束的存在，在缩口燃烧室中形成与喷雾方向成90°的气流，有利于气体混合。各个燃烧室在上止点(Top Dead Centre, TDC)后20°CA(After TDC, ATDC)都有旋转气流生成：原机燃烧室的回流出现在中下部，且方向向上，能很好地将混合气体扩散到整个中部；缩口燃烧室的回流出现在喉口部位，能将混合气体扩散到上部和中部；开口燃烧室的回流出现在中上部，能将混合气体集中到燃烧室右部。

图5为各燃烧室型式对柴油机缸内平均压力和温度的影响。由图5a可知：原机燃烧室的最高爆发压力出现较早；缩口燃烧室的最高压力出现最晚，着火点相对靠后，有利于柴油机有效功率的增加。由图5b可知：开口燃烧室内的温度比缩口燃烧室低，对碳烟在缸内后期氧化有一定的影响；原机燃烧室的最高温度最高，会影响缸内NOx的生成。

图6为各燃烧室型式对NOx和碳烟生成的影响。从图中可看出，缩口燃烧室的NOx生成量和碳烟生成量都低于另外2种燃烧室，特别是开口燃烧室。原因是缩口燃烧室挤流强度大，气缸内湍流动能较大，扩散燃烧加强，有利于抑制碳烟的生成；而开口燃烧室的温度高，符合NOx生成的高温富氧条件。原机燃烧室的碳烟生成量最大值与开口燃烧室相同，但是原机燃烧室中后期湍流能量耗损大，气体流动性较好，使得碳烟的氧化量大、排气中含量少；而开口燃烧室最终的排放量最大，这与其温度在后期降低过快、碳烟氧化过程的时间较短使得氧化量减少有关。考虑到原机燃烧室电控化改造对排放性能的要求，缩口燃烧室的排放特性最好。

10°CA(BTDC)

TDC

20°CA(ATDC)

a)对缸内压力的影响b)对缸内温度的影响

图5 各燃烧室型式对缸内平均压力和温度的影响

a) 对NOx生成的影响

b) 对碳烟排放的影响

3 燃烧室结构参数对燃烧和排放性能的影响

传统的ω型燃烧室的形状由喉口直径(d)、出口角度、凹坑半径(R2)、凸台高度(h)和凸台半径(R1)等变量决定(见图7a)。这里主要研究喉口直径、凸台高度及凹坑半径对燃烧和排放性能的影响。设计考虑的燃烧室结构参数变化情况见表2。

表2 燃烧室结构参数变化情况

3.1喉口直径对柴油机燃烧和排放性能的影响分析

保持燃烧室体积固定不变，喉口直径d变化，凸台倾角和燃烧室最大深度随之变化。d的变化系列见图7b。

图8为喉口直径对放热率和缸压的影响。通过分析可知，燃烧室喉口直径d对放热率的影响较大，由于d对滞燃期φi的影响不大，且喷油和进气系统等参数均保持不变，因此可认为放热率出现差异的原因是d的不同导致φi内油气混合过程不同。放热率的第二峰值随d的增大而增大。TDC前d变化对缸压的影响很小，其后逐渐增大；TDC后随着d增大，压力峰值逐渐增大。

a)ω型燃烧室廓形b)燃烧室喉口直径变化c)燃烧室凸台高度变化d)燃烧室凹坑半径变化

图7 燃烧室结构参数及变化系列

图8 喉口直径对放热率和缸压的影响

图9为不同喉口直径、不同时刻缸内燃空当量比的分布。通过对比分析可知，TDC时刻喉口直径d越大的燃烧室，混合气浓区越接近中央凸台。油束着壁后，沿燃烧室壁面继续向挤流区发展，d较小的燃烧室由于撞壁时刻较早，进入挤流区的混合气较多，且着壁点靠近喉口唇部，因此浓混合气区是由唇口处分别向挤流区和凹坑扩展的；而d较大的燃烧室，油束在10°CA (ATDC)时刻己撞击中央凸台，因此后期浓混合气区是沿中央凸台依次向凹坑和挤流区扩展的，这就造成了在20°CA (ATDC)时刻混合气浓区分布的差异。d较小的燃烧室，混合气浓区分布在挤流区和凹坑处；d较大的燃烧室混合气浓区分布在燃烧室侧壁和挤流区。d过大或过小都不利于油气混合过程的进行，因此应选取合适的d，使油束着壁点位于喉口唇部附近，这样既可充分利用燃油撞壁的动能，增加燃油的分布范围，又可避免油束因撞击中央凸台而在壁面堆积。

TDC

10°ATDC

20°ATDC

图10为d对NOx和碳烟排放的影响。通过分析可知：随着d的增大，NOx生成的质量分数先减小后增大，d=135 mm时，NOx生成的质量分数最低；而碳烟生成的质量分数则刚好相反，d增大时，碳烟生成量先增大后减小，这与缸内温度水平直接相关。

3.2凸台高度对燃烧和排放性能的影响分析

保持燃烧室体积固定不变，凸台高度h变化，凸台倾角和燃烧室最大深度随之变化。h的变化系列如图7c所示。

a) 对NOx的影响

b) 对碳烟排放的影响

图11为不同凸台高度h在不同时刻缸内温度场分布。通过对比分析可知：在TDC时刻，h为2.6 mm时最高温度达到了2 211.2 K，预混燃烧阶段的放热率最大；在10°CA(ATDC)时刻，h越大，油束下侧的高温区越靠近凹坑底部，使得高温区面积越小，但是缸内最高温度越大；在20°CA(ATDC)之后，高温区面积随着h的增加而减小，当h较小时，油束下侧高温区主要集中在凹坑处，随着h增加，位于凹坑处的高温区逐渐向挤流区扩展。

图12为凸台高度h对NOx与碳烟排放影响。分析可知：h=2.6 mm时NOx生成的质量分数明显高于h=4.6 mm和h=6.6 mm时的，碳烟生成的质量分数与之相反。这是因为h越小，高温区面积越大，越符合NOx生成的高温富氧的条件。

3.3凹坑半径对燃烧和排放性能的影响分析

保持燃烧室体积固定不变，凹坑半径R2变化，凸台倾角和燃烧室最大深度随之变化。R2的变化系列如图7d所示。

TDC

10°ATDC

20°ATDC

图13为R2对缸内压力和温度的影响。由该图可知：随着R2的增大，缸内压力峰值由9.866 8 MPa增加到10.148 3 MPa，这有利于柴油机有效功率的增加；同时，缸内温度峰值也由1 657.56 K增加到1 722.25 K。由此可见，随着R2增大，缸内温度和压力均增大。

图14为R2对NOx和碳烟排放的影响。随着燃烧过程持续进行，缸内温度迅速增高，NOx生成量也迅速增加，缸内NOx的生成趋势与温度的变化趋势是一致的。随着R2增大，NOx生成的质量分数逐渐增大，碳烟生成的质量分数逐渐减小。这是因为R2越小的燃烧室，后燃现象越严重，这可以解释R2=14 mm时，碳烟生成的质量分数在后期仍维持较高水平的现象。

a) 对NOx生成的影响

b) 对碳烟排放的影响

a)对缸内压力的影响b)对缸内温度的影响

图13 凹坑半径对缸内压力和温度的影响

a) 对NOx生成的影响

b) 对碳烟排放的影响

4 结束语

借助AVL_FIRE仿真软件对4190ZLC-2型船用中速柴油机进行了仿真计算，仿真结果与试验结果能较好地吻合，验证了模型的正确性。针对不同燃烧室型式以及燃烧室结构参数中喉口直径、凸台高度、凹坑半径对燃烧过程和排放浓度的影响进行了研究，总结出以下结论。

1) 燃烧室型式对柴油机燃烧过程和排放浓度有一定影响，以排放特性为目的的电控化改造中采用缩口燃烧室时NOx和碳烟生成的影响最小。

2) 喉口直径d对滞燃期φi内油气混合过程有显著影响，进而影响缸内放热率，d增大使NOx生成的浓度增大，但是减少了碳烟的生成量。

3) 凸台高度h的变化对缸内温度场的分布有显著影响：h增大使缸内高温区面积减小，但缸内最高温度增大；h越小，NOx浓度越大，碳烟的生成量却越小。

4) 凹坑半径R2对柴油机排放浓度也有很大影响，R2过大或过小都会导致NOx浓度增加。

下一步方案还要考虑更多可能涉及的因素，如喷油系统参数、进气参数部分以及上述因素之间相互匹配作用的影响。

[1] 黄少竹. 船舶柴油机[M]. 大连：大连海事大学出版社，2006：141-192.

[2] RISI A D, MANIERI D F, LAFORGIA D. A Theoretical Investigation on the Effects of Combustion Chamber Geometry and Engine Speed on Soot and NOx[C]. Proceedings of the 1999 Fall Technical Conference, 1999.

[3] ZHU Y, ZHAO H, MELAS D A,etal. Computational Study of the Effects of the Re-Entrant Lip Shape and Toroidal Radii of Piston Bowl on a HSDI Diesel Engine's Performance and Emissions[C]. SAE Paper, 2004.

[4] 王锡斌，马志豪，蒋德明. 燃烧室几何形状对缸内气体流动和发动机性能的影响[J]. 内燃机工程,2002, 23(2): 6-11.

[5] 郭晓平，王占杰. 不同口径比和径深比燃烧室工作过程分析[J]. 内燃机与动力装置,2006(3): 30.

[6] 尚勇，刘福水，李向荣，等. 柴油机ω型燃烧室参数化设计及参数灵敏度分析[C]. 中国工程热物理学会燃烧学学术会议论文, 2009.

[7] 黄加亮，乔英志，王丹. 4190ZLC船用柴油机工作过程仿真与整机性能优化研究[J]. 中国造船，2012, 53(3): 199-207.

[8] 尹自斌，朱钰，马海涛，等. 某柴油机电控组合泵系统喷射性能试验研究[J]. 内燃机工程，2013, 34(6): 76-80.

ImpactofCombustionChamberonCombustionProcessandEmissionsin4190TypeMarineDieselEngine

HUANGJialiang1a,2,WENPeng1b,YINZibin1a,2,ZHUYu1a,2
(1a. Marine Engineering Institute; 1b. Chenyi College, Jimei University, Xiamen 361021, China; 2. Key Laboratory of Ship and Marine Engineering, Xiamen 361021, China)

The Influence of the combustion chamber parameters on the combustion process and emission concentrations in the 4190ZLC-2 marine diesel engine are studied with an AVL_FIRE in-cylinder high-pressure cycle model, which has been verified through bench testing experiment. The simulation shows that the combustion chamber with reduced throat performs best. The simulation tells the following facts: With smaller throat diameter, NOxemission concentration is lower while the soot concentration is higher; the increase of center-crown height reduces the high temperature area in cylinder but increase the highest temperature in it; the smaller center-crown height, the higher NOxemission concentration and the lower soot concentration; With increase of bowl bottom radius, the maximum temperature and the pressure in cylinder increases gradually; bowl bottom radius also has great influence on the emission of diesel engine.

ship engineering; 4190ZLC-2 type diesel engine; throat diameter; center-crown height; bowl bottom radius; combustion chamber; emission concentration

2015-04-20

福建省自然科学基金(2012J01230)；福建省科技厅资助省属高校专项基金(JK2013025)

黄加亮(1963—)，男，福建泉州人，教授，主要从事船舶柴油机性能优化与排放研究。E-mail: jlhuang@jmu.edu.cn

温 朋(1989—)，男，河南许昌人，硕士，主要从事船舶柴油机性能优化与排放研究。E-mail: 294681517@qq.com

1000-4653(2015)03-0023-06

U664.1；TK423.5

A