车用柴油机燃烧室对发动机性能的影响研究

徐 勋 马 勇 程 渊

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心 安徽 合肥 230601）

引言

日益严格的排放及燃油经济性法规，推动着内燃机向更清洁、高效的方向发展[1]。我国排放法规已经升级到第六阶段，2020年左右将全面实施国六排放标准。

燃烧室是柴油机的重要零部件，柴油机内混合气形成和燃烧都与燃烧室有着密切的关系。因此，燃烧室的几何形状及结构尺寸对燃烧过程的完善度和发动机的动力性、经济性、可靠性以及排放性能有着重要影响[2-3]。

随着国六法规的推进，发动机的缸内燃烧效率需进一步提高，同排量的发动机需要有更优秀的动力性和经济性，更低的排放。而燃烧室的结构直接影响着缸内的燃烧，当前国六发动机普遍采用200MPa甚至更高的共轨压力，随着共轨压力的提高，燃烧室结构需要进一步调整，以适应油束和空气的混合。

本文将通过CFD分析和台架试验结果对比的方式研究不同燃烧室结构匹配200MPa轨压燃油系统对发动机性能和排放的影响。

1 试验样机

本文研究的发动机为一台2.7L国五发动机，采用增压中冷技术。为研究当前这台发动机升级到国六的潜力，将轨压提升到200MPa，同时设计两种不同形状的燃烧室结构，研究对发动机性能和排放的影响。

发动机的技术参数如表1所示。

表1 发动机技术参数

当前柴油机的燃烧室结构普遍采用ω型，这种燃烧室结构便于在活塞压缩过程中配合气道形成一定涡流强度缸内扰动，这部分涡流气体能促进柴油机油气的混合。

2 燃烧室方案

为匹配更高的轨压燃油系统，设计了2种燃烧室方案。两个燃烧室深度一样，主要区别在于口径大小和燃烧室内部凸台的锥角不一样。

柴油机燃烧室的主要结构尺寸包括缩口直径、燃烧室深度以及凸台的高度和锥角等参数。通常这些尺寸定义后，决定了燃烧室的容积。燃烧室内部容积在整个压缩容积中占比越大，有效燃烧容积就越大，就越有利于提高燃烧效率，从而更有利于性能的提升和排放的降低。

在国外咨询公司的燃烧室设计的重要指标中有2个关键参数，分别是径深比和缩口率。径深比是指燃烧室口径和深度的比值，这个尺寸合适，说明燃烧室的结构合理，往往径深比大的燃烧室NOx排放更低，而径深比小的燃烧室PM排放更低。缩口率是指燃烧室最大口径减去最小口径与最大口径的比值。这个值越大，说明燃烧室喉口越小，燃烧室内部的残余废气越不容易排出，内部EGR值会增加，NOx排放会降低，但同样会增加PM排放。

对于柴油机而言，缸内的涡流气体强度很重要。在活塞压缩过程中，燃烧室内气体受到涡流、挤流、紊流和逆挤流等气流运动的影响，而这些在混合气形成过程中起着重要作用。

图1为油束和燃烧室的匹配室。在图1中，油嘴油束的落点高度对油气混合影响很大，不同的燃烧室结构，油束落点高度影响着发动机的性能和排放。

图1 油束和燃烧室的匹配

图2 为新设计的2个燃烧室方案。在图2中方案一燃烧室口径小，径深比小，中间凸台锥角小。方案二燃烧室口径大，径深比大，中间凸台锥角大。

图2 新设计2个燃烧室方案

3 模拟分析

基于AVL-FIRE软件对2种燃烧室方案进行了模拟分析，得到在喷油时刻附近、压缩终了时刻燃烧室内空气流动状况，通过查看空气流动状况来分析燃烧室尺寸对缸内气体流动的影响。

图3是计算所用燃烧系统三维模型，计算过程含有了气门的开启和关闭过程。图4是两个燃烧室方案的缸内气体动态云图。可以看出，方案二燃烧室相对于方案一，气体涡流更加集中，横向方向的挤流强度也略高。这些流动的气体强度会在压缩过程中促进紊流的产生，从而更有利于燃油和气体的混合。

图3 计算所用燃烧系统三维数模

图4 2个燃烧室方案的缸内气体动态云图

4 试验结果对比

将2个不同的燃烧室方案分别装配到同一型号的发动机上，其他边界一样的情况下，进行试验对比研究。图5为发动机转矩影响的对比，图6为发动机功率影响的对比。

图5 对发动机转矩影响的对比

图6 对发动机功率影响的对比

图7 对发动机比油耗影响的对比

首先对比2个燃烧室方案对发动机转矩、功率的影响，可以看出，方案二燃烧室比方案一燃烧室表现出更高的发动机转矩，特别是在中高转速段，最大转矩点最多增加了将近10N·m。

在额定点，方案二燃烧室比方案一燃烧室能表现出更高的功率，增大了将近3 kW。说明在相同的边界条件下，方案二燃烧室更匹配当前的燃油系统和进气系统，能更有效地组织缸内气体流动，同时促进缸内燃烧。方案二燃烧室能有效将热能转化成动能，使发动机输出更高功率和转矩。

图7为2个燃烧室方案对发动机比油耗的影响。从图7可以看出，方案二燃烧室比方案一燃烧室对油耗变化表现更优，特别在最低油耗点，方案二燃烧室达到204 g（/kW·h），能满足当前的开发指标205 g（/kW·h）的要求。而方案一燃烧室最低比油耗已经达到215 g/（kW·h），不能满足开发要求。同时在额定点，方案一燃烧室的比油耗已经达到245 g/（kW·h），同样比方案二燃烧室增了5 g/（kW·h）。所以从油耗表现来看，方案二燃烧室确实比方案一燃烧室更能促进缸内燃烧，对发动机热效率有明显提升作用。

图8为2个燃烧室方案对发动机PM排放（FSN）影响的对比。同样，由于方案二燃烧室燃烧效果更优，PM排放有明显降低，最大点（1 600 r/min）降低了将近两倍。2 000 r/min之后，两者趋于一致。

图8 对发动机碳烟影响的对比

图9 为不同燃烧室方案对发动机涡前排温的影响。从涡前排温度来看，方案一在1 300 r/min~2 000 r/min排温偏高，方案二在2 000 r/min之后，有明显提升，但都低于增压器的限值目标。

5 结论

为匹配200MPa燃油系统的开发，本文研究了不同的2个燃烧室结构对发动机性能和排放的影响。2个燃烧室主要区别在于方案一燃烧室口径小，凸台锥角小；方案二燃烧室口径大，凸台锥角大，更加趋于扁平化。通过数值模拟和台架试验得到以下结论：

1）方案二扁平化燃烧室结构更能适应更高轨压的燃油系统和进气系统，能更有效地组织缸内气体流动，同时促进缸内燃烧。同时能有效将热能转化成动能，使发动机输出更高功率和转矩。相对于方案一，功率转矩提高了约3%。

2）由于方案二燃烧室更能促进燃烧，表现出更加优异的经济性和排放特性，试验对比来看，相对于方案一，最低点油耗降低了5%，PM排放降低了50%。