高海拔区域不同燃烧室在不同喷油正时下的性能

吴学东， 徐华平， 苏石川， 李毅

(江苏科技大学能源与动力学院， 镇江 212100)

纵观地理环境，能够发现中国高原具有海拔高、面积广的特点。随着海拔高度的增加，大气环境具有昼夜温差大、气压低、氧质量浓度下降等特点，导致了高原柴油机缸内进气量小、喷油背压低、缸内混合气密度下降[1]。因此在高原环境下运行的柴油机出现了喷油贯穿距延长、燃油碰壁量增大、滞燃期延长、燃烧不充分、后燃现象严重、缸内平均温度升高等问题，严重影响了高原柴油机的动力性、排放性、经济性与可靠性[2-3]。当前对高原柴油机性能恢复的研究主要集中在优化增压技术，如二级可变截面增压、使用双涡轮增压器、电动涡轮增压器和单涡轮增压器与机械压缩机相结合[4-5]；开发富氧技术，采用膜法富氧[6]；使用酯类、醇类含氧燃料[7-8]以及改善缸内“油-气-室”匹配等方面。其中改善缸内“油-气-室”匹配是高原柴油机性能恢复最为可靠的方法。一般而言，改善缸内油气混合可以通过优化以下部分得以实现：进气方式、燃烧室类型、喷油正时、喷油夹角等。其中燃烧室为“油-气-室”匹配的基本载体，是一切改善燃烧技术的基础，所以优化燃烧室的形状至关重要[9]。付垚等[10]利用AVL-Fire软件进行模拟计算，发现提前喷油正时和双层分流燃烧室能够改善燃油喷雾、提高柴油机的性能、降低污染物的排放。魏建辉等[11]通过台架实验和数值模拟研究了在低负荷工况下喷油正时对双燃料发动机性能的影响规律，发现适当的喷油提前正时能够改善缸内燃烧情况，提升输出功率，减少能量消耗。郑顺等[12]设计了3种不同形状的掺混孔，利用FLUENT软件模拟分析了掺混孔几何形状对燃烧室出口特性的影响。Karthickeyan[13]认为柴油机改装技术是当前柴油机研究领域的发展方向之一，旨在推动柴油机实现完全燃烧，其设计了两种新型的燃烧室，即环形燃烧室和梯形燃烧室，研究发现环形燃烧室能够更好地混合空气和燃料，并使燃料进一步燃烧。Ramazan等[14]以压燃式发动机为研究对象，在计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)的指导下，对压燃式发动机的形状进行了优化，其目的是在保持发动机功率和扭矩的同时优化柴油的燃烧效率。Zhang等[15]确定了波状燃烧室的几何形状可以改善乙醇和生物柴油混合燃烧柴油发动机的性能。由中外最新研究可知在高原环境下燃烧室的选型以及优化值得更深入的学习和研究。

为了研究高原环境下的燃烧室适应性，采用原型ω型燃烧室、高低型双涡流室双缩口燃烧室、双层分流式燃烧室、底部大涡流室燃烧室进行海拔4 550 m的模拟研究。分别对上述燃烧室配用12°、14°、16°、18° BTDC的喷油提前角进行计算，并通过高原实验[16]对其进行验证。此研究能够为高原柴油机的燃烧室选型以及喷油正时提供理论与实验依据。

1 计算模型的建立与计算方案的设计

柴油机缸内燃烧的模型建立包括网格模型的建立与计算模型的建立。本文的数值模拟部分是基于CFD软件AVL-Fire。

1.1 网格模型的建立

此研究的原型柴油机为某6缸直列式增压中冷柴油机，其燃烧室为普通偏置型ω型燃烧室，偏置量为5 mm。其具体参数如表1所示。

依据多次试算和实验数据，选择模拟范围为进气门关闭后与排气门开启前。在进行网格无关性对比后，选择网格平均尺寸为0.000 5 m，总网格数目为210 812。用AVL List GmbH公司的FIRE软件建立网格模型，如图1所示。

表1 原型机主要参数

图1 原型燃烧室网格模型Fig.1 Prototype combustion chamber mesh model

1.2 计算参数的设置

根据经验公式和实验数据，燃烧室顶部温度设为550 K，燃烧室壁面平均温度为520 K，连杆平均温度为470 K。开始模拟时缸内压力为2.35 MPa，初始温度为690 K，空气含氧量为0.18，燃料为温度300 K的纯柴油，只计算缸内高压循环区间。

1.3 计算模型的选择

(1)

(2)

经过试算与验证：燃料的破碎模型为WAVE模型；蒸发模型为Dukowicz模型；碰壁模型为Walljet1模型。NOx排放模型为扩充的泽尔多维奇(Zeldo-vich)模型。NOx主要有NO2与NO，但NO的量占据了主要部分，为了简化计算，主要讨论NO的生成。NO的生成速率公式[19]为

(3)

式(3)中:[·]e表示组分的平衡浓度;T为温度；t为时间。可见，NO的生成随着温度的上升而快速增加。soot并不是某一种物质而是属于混合物的范畴，成分也特别复杂，其净生成是同时生成与氧化的动态结果，故选择Kinetic模型。

1.4 计算方案设计

对柴油机进行高原环境下的数值计算，采用不同的燃烧室与不同的喷油提前角。首先在严格控制变量的前提下，仅仅改变原型柴油机的燃烧室形状，并重点保证燃烧室容积相等。改用的燃烧室分别为高低型双涡流室双缩口燃烧室、双层分流式燃烧室、底部大涡流室燃烧室。其结构图如图2所示。其次，在控制其余变量的前提下，分别更改原型ω燃烧室与其余3种燃烧室的喷油提前角，喷油提前角分别为12°、14°、16°、18° BTDC。

图2 试验燃烧室Fig.2 Test combustion chamber

2 计算结果与分析

2.1 原喷油提前角下4种燃烧室的高原特性

在海拔4 550 m条件下，4种燃烧室的缸内燃烧各有特点。图3为4种燃烧室在喷油提前角为12 °CA时的高原特性曲线。如图3(a)所示，从4种燃烧室的缸压曲线图中可以看出，双层分流式燃烧室的平均缸压最高，接着为原型ω燃烧室、高低型双涡流室双缩口燃烧室，底部大涡流燃烧室的平均缸压最低。这表明在当前的计算条件下，双层分流式燃烧室能够在高海拔地区表现出较高的功率，而底部大涡流燃烧室的功率最低。

如图3(b)所示，4种燃烧室的放热率曲线中，原型ω燃烧室在燃烧前期拥有最高的放热率，而高低型双涡流室双缩口燃烧室与双层分流式燃烧室在燃烧后期的放热率较高。这表明，原型ω燃烧室在急燃期与缓燃期燃烧最为剧烈，而高低型双涡流室双缩口燃烧室与双层分流式燃烧室后燃期初期的燃烧较为剧烈。

如图3(c)所示，很明显可以看出高低型双涡流室双缩口燃烧室的NO生成量为最低，在排气门开启时刻的NO量仅为11.23 mg，而原型ω燃烧室的NO排放量为15.21 mg。至于双层分流式燃烧室，也展现了较低的NO生成量为12.01 mg；底部大涡流燃烧室的生成量第二高为13.36 mg。高低型双涡流室双缩口燃烧室相比较于原型ω燃烧室的NOx减排量达到了26.17%。

如图3(d)所示，在当前计算条件下，高低型双涡流室双缩口燃烧室的soot排放量最高，紧接着为底部大涡流燃烧室，双层分流式燃烧室排在第三，原型ω燃烧室的soot排放量最低。另外可以看出，高低型双涡流室双缩口燃烧室与双层分流式燃烧室在燃烧初期均生成了大量的soot。

4种燃烧室在高原地区表现出不同特性的主要原因在于各种燃烧室的燃烧室形状不同导致了不同的缸内流场与燃烧状况。高低型双涡流室双缩口燃烧室与双层分流式燃烧室均能实现分流燃烧，即部分燃料经由燃烧室中的分流脊分别向分流脊上方与下方分流。在高低型双涡流室双缩口燃烧室中，拥有一个缩口型的上涡流室。而双层分流式燃烧室的分流脊上方为一段长长的导流斜面，有利于火焰向余隙容积空间扩散。原型ω燃烧室与底部大涡流燃烧室为典型的深坑型燃烧室。燃料在经过碰撞壁面后向凹坑中扩散。在高原环境下，滞燃期延长，燃料喷柱的贯穿距离延长，碰壁量加大，缸内氧气含量降低，同时由于缸内压力下降，涡流的耗散率降低。

图3 4种燃烧室在喷油提前角为12°BTDC时的高原特性Fig.3 The performance of four combustion chambers in high altitude when the advance of injection timing is 12° BTDC

综上原因，双层分流式燃烧室表现出了最高的缸内压力与较低的NOx排放是因为实现了分流燃烧，缸内温度较为平均，并提高了余隙容积空间空气的利用率。双层分流式燃烧室的soot排放量高于原型ω燃烧室的原因在于分流脊上方的导流斜面上燃料容易附着而无法充分燃烧。而同样实现了分流燃烧的高低型双涡流室双缩口燃烧室因为上涡流室的缩口构造阻碍了对余隙容积空间的利用，另一方面由于上涡流室中能形成持久的斜轴涡流，将大量燃料卷入上涡流室，因此soot的排放量最高，NOx排放量最低。对于高原直喷式柴油机，燃烧室中轴线附近的空气利用率较低，而底部大涡流燃烧室的较低的中心凸台设计增大了凸台上方的空间，进一步降低了空气利用率，同时在余隙容积空间的空气也未能充分利用。这些原因造成了底部大涡流燃烧室的动力性与排放性均不及其余燃烧室。

2.2 不同喷油提前角下4种燃烧室的高原特性

对柴油机喷油正时提前，喷油提前角分别为14、16、18 °CA。计算结果如图4、图5所示。其中图4为4种燃烧室在不同喷油提前角时缸内最高压力的变化图，图5为4种燃烧室在不同喷油提前角时的排放特性。总体来说，4种燃烧室的最高缸内平均压力与NOx排放量随着喷油正时的提前而不断升高，soot量持续减小。

图4 4种燃烧室在不同喷油提前角下的缸内最高压力Fig.4 Maximum in-cylinder pressure of four combustion chambers at different injection advance angles

图5 不同喷油提前角下4种燃烧室的NOx与soot排放Fig.5 The NOx and soot emissions of four combustion chambers at different advance angles of injection timing

双层分流式燃烧室的最高燃烧压力一直保持最高。双涡流室双缩口燃烧室在喷油提前角时为12 °CA时最高平均压力排在第三，而到了喷油提前角为16 °CA时追上了原型ω燃烧室的最高缸内平均压力，到了喷油提前角为18 °CA时仅次于双层分流式燃烧室。而底部大涡流燃烧室的缸内平均最高压力一直为最低，并且在较大喷油提前角时与其余3种燃烧室之间的压力差有变大的趋势。双层分流式的油气混合能力较好，燃烧室对余隙容积空间的空气利用率也最高，因此在不断提高喷油提前角后，该燃烧室也能保持最高的缸内平均压力。但是随着喷油提前的增大，更多的燃料在滞燃期就能进入余隙容积与底部涡流室、急燃期同时燃烧的燃料增多。并且燃烧重心提前、燃烧最剧烈时余隙容积的空间较小，因此在高喷油提前角时，缸内最高压力上升量随着喷油正时的增大而减小。同时带来的结果是NO增量加大，而soot减小率降低。同样作为分流式燃烧室的高低型双涡流室双缩口燃烧室，通过喷油正时提前来优化缸内燃烧的潜力最大。一方面是因为该燃烧室对余隙容积空间的空气利用率较低，但是由于喷油提前，在燃烧最剧烈的时候，余隙容积空间较小，相对来说燃烧室内部的空气总量增大，所以该燃烧室对余隙容积空间的空气利用率低下的缺点被缩小了；另一方面是该燃烧室特殊构造，缸内的湍流扰动最为复杂，提前喷油使得混合气质量越来越好。两点原因使得该燃烧室在喷油提前角为18 °CA时最高缸内平均压力超过了原型ω燃烧室。不仅如此，该燃烧室的soot排放量由12 °CA时的最高退为倒数第二，并有低过原型燃烧室的趋向；其NOx排放量一直保持为最低。

原型ω燃烧室与底部大涡流燃烧室作为直喷式柴油机最古朴的深坑燃烧室，有着结构简单，可靠性强等优点。在高海拔、高喷油提前角时，原型ω燃烧室的最高缸内燃烧压力升高量不如分流式燃烧室；soot降低量也不如分流式燃烧室；NOx排放量一直为最高。而底部大涡流燃烧室由于燃烧室中心的凸台较低，凸台上方空间较大，涡流旋转速度较低；在高原环境下，燃料喷柱的贯穿距长，因此对燃烧室中轴线附近的空气利用率低下。加之该燃烧室对余隙容积中空气的利用也较低因此油气混合较差，燃烧并不充分，即使喷油提前，燃料也主要在大涡流室中混合，难以改善中轴线附近的油气混合，因此该燃烧室的性能以及性能恢复程度均不及其余燃烧室。

图6为30° ATDC(after top dead center,上止点后)时不同燃烧室在不同喷油正时下的缸内氧气分布。如图6所示，随着喷油正时提前，同一种燃烧室在30° ATDC时的缸内平均氧气含量越来越低，这表明，喷油正时提前能够有效地改善高原柴油机的后燃现象。可以注意的是，在高原环境下，缸内氧气剩余较多的部位为燃烧室中轴线附近与余隙容积空间。则通过减小燃烧室中轴线附近空间的体积，减小余隙容积空间或者合理向余隙容积空间导流是高原柴油机性能恢复的重要原则。同时值得注意的是，各燃烧室凹坑内严重缺氧，这说明，高原环境下直喷式柴油机的凹坑中承载了剧烈的燃烧。这也是高原环境下燃料贯穿背压减小，滞燃期延长，碰壁量加大造成的后果。因此在高原柴油机燃烧室设计的另一个原则是在保证所需压缩比前提下在燃料喷雾的贯穿路径方向上延伸燃烧室空间。

图6 30° ATDC时不同燃烧室在不同喷油正时下的缸内氧气分布Fig.6 In-cylinder oxygen distribution in different combustion chambers at 30° ATDC with different injection timings

3 实验验证

在青海海拔为4 550 m处对原型增压柴油机进行喷油提前实验，实验结果如表2所示。

实验分别测试了喷油提前角为12和与18 °CA时的柴油机特性。当喷油提前角从12 °CA到18 °CA时柴油机功率由229.7 kW升高到238 kW；扭矩从877 N·m上升到911 N·m；最高缸内燃烧压力9.13 MPa上升到11.20 MPa；燃油消耗率233.4 g/(kW·h)降低到230.1 g/(kW·h)。NOx排放量从13.65 mg上升到20.42 mg，soot排放量从7.11 mg下降到4.4 mg。在喷油提前角为18° BTDC时，实验数据的最高缸内压力比计算数据要高，NOx排放量也比计算数据高，而soot排放量较低。这是因为在柴油机在实际运行中，由于喷油正时提前，柴油机的整机温度会上升。影响计算结果的边界条件如燃烧室壁面温度、活塞顶部温度等均会升高，从而提高了缸内平均温度与平均压力。相对的实验的NOx排放量较高，而soot排放量相对较低。

总体而言，实验与计算的误差控制在允许范围内，因此计算结果较为可靠。

表2 高原环境下不同喷油提前角对原型机特性的影响

4 结论

(1)分流式燃烧室在高原环境下能够显著降低NOx的排放量。双层分流式燃烧室能够提高对余隙容积的空气利用率，表现出最高的缸内平均压力。高低型双涡流室双缩口燃烧室拥有较强的油气混合能力，表现出最低的NOx排放量，但对余隙容积中的空气利用率较低。

(2)在高原环境下，随着喷油正时的提前，缸内燃烧最剧烈时活塞顶部空间较小，燃烧室内部空气总量相对较大。高低型双涡流室双缩口燃烧室对余隙容积空间空气利用率较低的缺点被缩小，性能得以显著提升。

(3)在高原环境下，底部大涡流燃烧室在涡流室以上空间的油气混合较差，动力性、排放性均不如其他燃烧室。

(4)高原直喷式柴油机燃烧室的设计原则：适当增高增大燃烧室的中心凸台；减小余隙容积或者合理导流以提高余隙容积空气利用率；延长燃料喷雾贯穿方向上的纵深，减少燃料碰壁的影响；尽量保证结构简单，减少热应力集中。