共轨柴油机燃烧室参数对排放性能的影响

龚鑫瑞，刘振明，刘楠，黄新源，周磊

(海军工程大学动力工程学院，湖北 武汉 430033)

基于共轨技术的高强化柴油机是大功率柴油机的发展方向，随着柴油机排放法规的日益严格，在柴油机高强化的同时，其排放性能越来越受到重视[1-3]。共轨高强化柴油机爆发压力高，喷射油量大，喷油持续期短，油气混合困难，燃烧室结构参数对柴油机排放性能有着十分重要的影响。当前国内外学者对柴油机燃烧室的研究较多。Gafoor与Gupta[4]研究了涡流比与燃烧室形状对柴油机性能和排放的影响，发现较小的燃烧室半径与外半径之比会产生较多的NOx。Jafarmadar等[5]研究发现燃烧室凹坑半径适当增大能产生较强的涡流和更少的炭烟。赵昌普等[6]对柴油机燃烧室的分析中表明，凹坑深度较大的缩口燃烧室能产生较强的涡流，从而改善了燃烧。段浩等[7]研究发现减小缩口尺寸可以增大缸内动能，有利于油气混合。李石彪等[8]设计了不同缩口率和径深比的燃烧室，研究发现较小的径深比、较大的缩口率有利于减少NOx排放，但不利于Soot的氧化。焦运景[9]等关于不同燃烧室结构对缸内流动和排放的影响的研究表明，径深比过大时，燃油雾化良好，局部温升较快，导致NOx生成量较多。

已有的研究中，大都分析的是燃烧室形状，没有系统地研究燃烧室组成的各结构参数对排放性能的影响规律，并且关于共轨高强化柴油机的研究也较少。本研究以某型大功率高速柴油机为研究对象，建立三维仿真模型并验证，在此基础上分析了燃烧室口径比、敞口角、上止点间隙、上止点间隙与碗底圆弧半径等结构参数对排放性能的影响，并进行了灵敏度分析，为共轨高强化柴油机的合理优化设计提供一定依据。

1 模型建立及验证

1.1 燃烧室建模

表1示出柴油机的主要技术参数。柴油机燃烧室的结构如图1所示，图中r1表示气缸半径；r2表示活塞碗口半径，燃烧室口径比α=r2/r1；H表示TDC(上止点)间隙，即凸台顶点到缸盖平面的距离；R为燃烧室碗底圆弧半径；φ为燃烧室敞口角。

表1 柴油机主要技术参数

图1 燃烧室结构示意

通过三维建模软件生成燃烧室模型的STL文件并导入Converge，软件会自动生成高质量的正交网格，模型的基本网格边长为2 mm，与此同时可以根据指定流场变量的梯度自动加密网格，最大网格数在270 000左右。由于喷孔孔数为8，选取了整个燃烧室的1/8(45°扇形域)进行仿真，以节约计算时间。模型外侧设置了补偿容积来确保压缩比不变。图2示出实际计算中18°曲轴转角时的网格分布。

图2 18°曲轴转角时实际计算网格

1.2 物化模型与边界条件

柴油机燃烧室内初始的压力、温度等对于燃烧室中的油气混合与燃烧有着十分重要的影响。在计算过程中，选取的相关初始边界条件如表2所示，压缩冲程的上止点为0°曲轴转角，仿真计算区间为IVC(进气门关)-160°曲轴转角至EVO(排气门开)113°曲轴转角。本研究柴油机采用的是直进气道，且气道稳流试验测得的进气涡流较低，所以未对进气涡流进行分析。

表2 仿真边界条件

在满足相关守恒方程的同时，Converge针对内燃机工作过程自带有湍流模型、碰撞模型、燃烧模型、排放模型等。计算所采用的是RNG κ-ε湍流模型和KH-RT破碎模型；在Converge中碰撞聚合模型有NTC模型和O’Rourke碰撞聚合模型两种，NTC模型有着较快的计算速度和准确性，因此，本次计算采用NTC模型；采用了SAGE详细化学动力学模型，由于实际柴油成分复杂，目前数值模拟计算多采用多组分或单组分简化的化学动力学模型替代柴油的化学动力学模型，本次计算用正庚烷单组分替代柴油的燃烧过程，机理反应为47组分、167个基元反应；排放模型选择应用较为广泛的Zeldovich机理预测NOx排放，采用Hiroyasu提出的Soot生成模型预测Soot排放。

1.3 模型的验证

图3示出了喷雾标定后，100%负荷下原机试验缸压与仿真值的对比结果。试验与仿真的缸压峰值分别为219.68 MPa，219.97 MPa，二者的误差为0.13%。试验缸压与仿真的结果有较好的吻合效果，证明了用该模型进行仿真计算的合理可靠性。

图3 缸压曲线的仿真值与试验值对比

2 计算结果及分析

2.1 研究方法

燃烧室各结构参数的取值如表3所示，其中原机燃烧室结构分别为口径比0.78、敞口角60°、上止点间隙8 mm、碗底圆弧半径13 mm。采用控制变量法依次研究了100%负荷下燃烧室口径比、敞口角、上止点间隙和碗底圆弧半径对柴油机排放性能的影响规律。

表3 燃烧室结构参数的取值

2.2 结果与分析

2.2.1口径比的影响

不同口径比下的排放如图4所示，图中纵坐标为消耗1 kg燃油所产生的Soot与NOx的排放量。由图可见，Soot与NOx的排放随着口径比增大呈上升趋势。

图4 不同口径比下的Soot与NOx排放

图5示出18°ATDC时不同口径比燃烧室喷雾与壁面相互作用产生的速度场、温度场以及2°ATDC时的当量比分布。口径比较小时燃烧室产生了较强的气流运动和速度场，挤流动能较高，随着口径比增大，喷雾到壁面的距离相对变远，喷雾撞壁的动能相对减小，燃烧室中挤流逐渐减弱，使得燃油与空气混合变差，不利于燃烧，所以温度场高温区域减少，这一因素会使NOx减少。但是高温只是NOx形成的一个必要条件，NOx生成还受到氧气含量以及高温环境下反应持续时间的影响。从另一个角度看，由于气流运动减弱，油气混合变差，空气未被充分利用，导致局部空气(氧气)含量增加，燃烧持续期变长，这却会使得生成的NOx增多。综合所有因素，随着口径比变大，生成的NOx增多，这也就说明该燃烧室由于口径比不同造成的缸内局部氧气含量以及N，O高温环境下的反应持续时间的变化比高温区域变化对NOx生成影响更大。同时，随着口径比增大，油雾撞壁动能减小，在凹坑壁面附近形成的油雾会相对变厚，局部燃空当量比升高，导致了Soot排放随着口径比增大而升高。但是口径比从0.80变为0.82时，Soot排放略有下降，是因为随着口径比增大，燃烧室平均温度升高(表4示出了相关燃烧室的平均温度)，导致燃料蒸发速度加快，缩短了滞燃期，Soot的后氧化速率也有一定提高，此时缸温变化使得Soot排放有所减少。

表4 不同口径比燃烧室的平均温度 K

2.2.2敞口角的影响

图6示出敞口角对排放的影响。由图可见，随着敞口角的增大，Soot排放量减小，NOx的排放量也呈减小趋势。

图6 不同敞口角下的Soot与NOx排放

图7示出18°ATDC时不同敞口角燃烧室的速度场、温度场以及2°ATDC时的当量比分布。结合速度场与当量比分布可见，喷雾撞壁后的挤流作用随着敞口角的增大而增强，使得燃油与空气的混合更充分，并且更大的敞口角会使得燃烧室侧壁更倾向于竖直，不利于喷雾与壁面接触后产生的油膜附着在侧壁，使得凹坑侧壁的局部燃空当量比相对减小，所以导致了Soot的排放减少。敞口角越大，挤流作用越强，缸内油气混合更充分，有利于改善燃烧，这是NOx排放减少的重要原因；但另一方面，从温度场的变化来看，燃烧室上边缘区域以及凹坑附近的高温区域随敞口角增加而变大，高温环境的增加有利于NOx的生成，几方面因素共同作用最终导致了NOx排放呈减小趋势，说明敞口角的变化导致的缸内油气混合质量的差别是影响NOx排放的主要原因。

图7 不同敞口角燃烧室的速度场、温度场和当量比分布

2.2.3上止点间隙的影响

图8示出了上止点间隙对 Soot和NOx排放的影响。由图可见，随着上止点间隙的增大，Soot排放值略有下降，NOx排放呈上升趋势。

图8 不同上止点间隙下的Soot与NOx排放

图9示出18°ATDC时燃烧室不同上止点间隙对应的速度场、温度场以及2°ATDC时的当量比分布。其中，速度场变化很小，说明上止点间隙对燃油与空气混合的影响不大，同时温度场的变化也很小，从侧面反映出上止点间隙对燃烧的影响相对较小。但从当量比的比较中可知，上止点间隙越大，凸台中心附近的空间越大，在其余结构参数不变情况下，燃烧室空间相对增大，可以容纳更多空气，略微减小了燃空当量比，所以Soot排放随着上止点间隙的增大略有下降。从温度场不难看出高温区域有所增大，同时由于燃烧室空间的相对增大，空(氧)气含量增多，导致了NOx排放增加。

图9 不同上止点间隙燃烧室的速度场、温度场和当量比分布

2.2.4碗底圆弧半径的影响

对于不同碗底圆弧半径的燃烧室，Soot排放变化很小，随着碗底圆弧半径的增大先略微减小后又增大，NOx排放则是先减小后增大再减小(见图10)。

图10 不同碗底圆弧半径下的Soot与NOx排放

图11示出18°ATDC时不同敞口角燃烧室的速度场、温度场以及2°ATDC时的当量比分布。随着碗底圆弧半径的增大，一方面使得凹坑的面积增大，挤流增强，与壁面的换热增多，导致了NOx排放减少，另一方面由于气流运动的增强，在燃烧室边缘的高温区域变大，有利于NOx生成，所以NOx排放随着碗底圆弧半径变化没有明显的规律。

图11 不同碗底圆弧半径燃烧室的速度场、温度场和当量比分布

3 灵敏度分析

对样本数据进行拟合，作各结构参数关于柴油机性能的Pareto图。Pareto图反映的是样本拟合后模型中的参数对每个输出的贡献程度百分比，可直观看出影响输出结果的主要因素。

图12示出柴油机的Soot，NOx排放性能与结构参数的灵敏度分析的Pareto图。敞口角对Soot排放的贡献程度百分比为74.46%，是影响其排放的关键参数；口径比、敞口角的变化对NOx排放有很大影响,影响程度分别为40.62%和25.52%，其中口径比影响最大。燃烧室的上止点间隙对Soot，NOx排放的影响均相对较小，在燃烧室优化设计中可以作为次要因素，保证喷油器与燃烧室有安全距离即可。

图12 燃烧室结构参数对柴油机排放性能影响的Pareto图

4 结论

a) 柴油机燃烧室的结构参数改变了缸内流场运动，影响了空气和燃油的混合，进而决定了柴油机的相关排放性能；Soot，NOx的排放与燃烧室口径比有明显的正相关趋势；Soot，NOx的排放随着敞口角增大主要呈下降趋势；

b) 基于灵敏度分析可知，口径比是影响柴油机NOx排放的最主要因素，影响Soot排放的关键参数是燃烧室的敞口角，上止点间隙对Soot，NOx排放的影响很小。