“高低型双涡流室双缩口燃烧室”柴油机的高原排放特性

李 毅，苏石川*，徐华平，刘 薇，吴中正，臧瑞斌

(1.江苏科技大学能源与动力工程学院，镇江 212003；2.常州玻璃钢造船厂有限公司，常州 213127)

柴油机在高原地区运行的时候，由于大气压力与空气含氧量的降低，导致了过量空气系数减小[1]。当缸内空燃比降低后，就出现了燃烧不充分的现象；同时缸内压力下降，导致燃料贯穿距延长，碰壁现象加剧[2]；燃料滞燃期延长，导致后燃现象严重；缸内空气总量减少又导致了缸内平均温度升高。因此高原柴油机的可靠性、动力性与排放性被严重削弱。为了改善高原柴油机的性能，当前的研究主要集中在三大方向：其一为增压器的优化，例如可变截面涡轮增压、相继增压、复合增压和多级涡轮增压等[3-4]；其二为富氧技术的使用，包括了为柴油机额外供应氧气与使用富氧燃料等[5-7]；其三为喷油策略的调整，如采用提前喷油[8]、使用预喷策略[9]、调整喷油夹角等[10]。在这三大方向上已经有了众多的研究成果，但是对于柴油机“油-气-室”匹配的基础——燃烧室的高原适应性设计优化却鲜有人问津。

当前对于柴油机燃烧室的优化主要适用于在低海拔平原的环境之下。北京理工大学发动机实验室[11-12]开发出的“双卷流燃烧系统”与“分离式卷流燃烧系统”能够显著地改善燃烧室内的油气混合，优化燃烧，减少碳烟(SOOT)与NOx等有害物排放。文献[13-14]指出缩口型燃烧室可以有效地利用涡流和挤流的相互作用改善混合气的形成过程。付垚等[15]的研究表明双层分流燃烧室，能够提高柴油机的动力性与减少有害物的排放。

1 模型建立与验证

1.1 原型机参数

原型机的主要参数如表1所示，其燃烧室为深坑型燃烧室。

1.2 模型建立

根据原型机参数，并综合考量网格状态，在AVL-FIRE中建立原型燃烧室网格模型如图1所示，经过网格无关性验证后，选取网格尺寸为 0.2 mm 进行计算。为了简化计算，根据试算结果、实验数据与经验公式，模拟从压缩上止点前30 °CA到压缩上止点后120 °CA。平原与高原的计算条件如表2所示。

表1 原型机主要参数Table 1 Main parameters of the original engine

表2 平原与高原的计算条件Table 2 Alculation conditions of plain and plateau

图1 原型燃烧室网格模型Fig.1 Mesh of the original combustion chamber

缸内平均湍动能为47.46 m2/s2，湍流耗散率为8 954.11 m2/s3。燃烧模型用适合燃料直喷的ECFM 3Z模型，NOx排放模型选用Extended Zeldovich模型，SOOT排放模型为Frolov Kinetic Model。对于喷油的相关模型，选择适用于热壁面的walljet1碰壁模型，用Dukowicz模型作为燃料蒸发模型，选WAVE模型作为喷油破碎模型。燃油平均喷射温度为320 K，每孔循环喷油量为23.6 mg。

1.3 实验

原型机的平原实验海拔为4 m，平均大气压力为0.102 MPa，环境温度为32 ℃。试验所用到的主要仪器如表3所示。

表3 试验主要实验设备[17]Table 3 Main experimental equipment[17]

1.4 模型验证

图2为原型燃烧室的实验与模拟示功图。在实验示功曲线中，缸压最大值为13.89 MPa，对应的曲轴转角为9°BTDC(压缩上止点前9°CA);而在模拟示功曲线中，缸压峰值点为14.03 MPa，对应曲轴转角为8°BTDC。整体误差限制在5%之内，建立的模型能够较准确地模拟出实际的工作趋势。

图2 原型燃烧室的实验数据与模拟数据的对比Fig.2 Comparison of experimental and simulated data of the original combustion chamber

1.5 高原试验方案设计

由于本研究是为了进行高原环境下的“高低型双涡流室双缩口燃烧室”的“油-气-室”匹配优化。在建立起计算模型(图3)后，高原计算条件如表2所示，试验方案设计如下：

四是严肃对待评议结果的反馈。人大代表对旁听案件的评议，是人大代表依法监督的实实在在的体现，必须高度重视、认真对待。为此，市人大常委会内务司法与法制工作委员会对收集、整理的代表意见和建议，区分不同情况，采取不同方式反馈给法院，要求法院在规定的时间内及时向人大报告意见和建议的具体落实情况。同时，将人大代表的意见和建议纳入法院的内部考评，使代表的声音真真切切地发挥作用。

(1)将原型机进行高原环境下的模拟。

(2)在保证压缩比与燃烧室容积等不变的前提下仅改变燃烧室形状，使用高低型双涡流室双缩口燃烧室进行替换计算。

(3)将高低型双涡流室双缩口燃烧室的最大径深比(D/H)进行细分，分别为2.6、3.1、3.6、4.1。如图4所示。

(4)将高低型双涡流室双缩口燃烧室进行高低涡流室半径比(r/R)进行细分，分别为0.4、0.7、1.0、1.3。此时喷油夹角与原型机型相同，为150°。简图如图4所示。

图3 高低型双涡流室双缩口燃烧室Fig.3 Combustion chamber with a higher and a lower reentrant swirl chamber

图4 不同高低涡流室半径比r/R和不同径深比D/HFig.4 CCHL with different ratio of higher and lower swirl chamber r/R and different ratio of diameter and depth D/H

(5)改变高低型双涡流室双缩口燃烧室的喷油夹角140°～165°，每5°进行一次计算。

2 计算结果与分析

2.1 平原与高原的特性对比

图5 平原与高原的示功图Fig.5 Indicator diagram in plain and plateau

图5与图6为原型机在平原与高原的缸压图与放热率，从图5、图6可以看出，原型柴油机到了高原，缸压急剧下降，从原来的14.03 MPa下降到8.91 MPa，降低了36.5%。出现这种状况一方面是因为高海拔环境下，缸内进气量不足；另一方面是因为滞燃期延长，后燃现象严重。而放热率曲线由平原的尖而陡变为高原的相对平而缓，也证明了柴油机在高海拔地区运行后燃现象严重。

图6 平原与高原的放热率Fig.6 Heat release rate in plain and plateau

“高低型双涡流室双缩口燃烧室”在高海拔区域也能产生和平原区域类似的“飞轮效应”，即上涡流室采用圆弧形缩口，能够产生持久的斜轴涡流(水平旋转的涡流与纵向翻滚的局部滚流相互作用)，持久的斜轴涡流能够在压缩冲程时储存能量与空气，在滞燃期加强油气混合，在后燃期为SOOT的氧化提供氧气，在整个燃烧期间加强湍流扰动。在高原环境下，由于缸内气体密度的降低，上涡流室“斜轴涡流”的动能耗散减弱。这使得“斜轴涡流”的持续时间得以延长。

图7为高低型双涡流室双缩口燃烧室在平原与高原工作时纵剖速度场，在平原与高原环境下，均在上涡流室产生了纵向局部滚流。一方面，由于平原条件下燃烧室内气体密度高，动能耗散加快，因而在10°ATDC(压缩上止点后10 °AC)时纵向局部滚流就开始消失，而在高原环境下到了20°ATDC时纵向局部滚流才开始消失；另一方面，高海拔时喷雾的扩散速度加快与贯穿距离变长，这意味着更多的燃料进入了上下涡流室的缩口中。

图7 高低型双涡流室双缩口燃烧室的平原与高原纵剖速度场Fig.7 Vertical profile velocity field of CCHL in plain and plateau

2.2 不同径深比对高原排放性的影响

图8为不同径深比对“高低型双涡流室双缩口燃烧室”高原排放性的影响。

在设计的计算范围内，NOx排放量先是上升，再微微下降，当D/H=3.1时，NOx排放量最高。SOOT排放量先下降后上升再趋于平缓。D/H=3.1时，排放量最低。相对于原型燃烧室，D/H从2.6增加到4.2时，“高低型双涡流室双缩口燃烧室”燃烧室所表现出的高原NOx排放均低于原型燃烧室。而SOOT排放量在D/H=3.1时超过了原型燃烧室。

图8 D/H对高原排放性的影响Fig.8 The effect of D/H on emission in plain and plateau

“高低型双涡流室双缩口燃烧室”表现出较低的NOx的原因主要是实现了分流燃烧。当D/H=2.6时，燃料碰壁现象最为严重，燃烧不充分现象也最为严重，因此出现了最低的NOx排放量与最高的SOOT排放量。随着D/H的增大，一方面分流脊与上涡流室的距离变远；另一方面，分流脊与下涡流室的距离变近。这就意味着，进入上涡流室的燃料越来越少，而进入下涡流室的燃料越来越多。上涡流室中的斜轴涡流对混合气的改善能力不断减弱，在后燃期对SOOT的氧化能力不断减弱。当D/H>3.1后，NOx开始下降是因为更多燃料进入下涡流室，发生了燃烧不充分。图9为在20°ATDC时，不同D/H的“高低型双涡流室双缩口燃烧室”的缸内温度场。随着D/H的增大，高区区域逐渐向燃烧室下方转移，这正说明了进入上涡流室的燃料越来越少，进入下涡流室的燃料越来越多。为了充分发挥上涡流室的有益作用，D/H不应过小，也不应过大。在D/H=2.6～4.1的范围内，仅有D/H为3.1时才降低了SOOT，说明在高原缺氧环境下，虽然斜轴涡流持续时间延长，但是在后燃期的氧化能力已经下降。

图9 20°ATDC时不同径深比对缸内温度场的影响Fig.9 Influence of different diameter and depth ratios on the temperature field at 20°ATDC

2.3 不同高低涡流室半径比r/R对高原排放性的影响

r/R的增大，实际上是上涡流室空间体积相对于下涡流室空间体积的增大。如图10所示，在计算范围内，随着r/R的增大，NOx排放量先上升后下降，而SOOT排放量经历了升高、下降、再升高三个阶段。总体而言，r/R=0.4～1.3的范围内，NOx排放量均低于原型燃烧室，而SOOT排放量在r/R=1.3时已经超过了原型燃烧室。

图10 r/R对排放的影响Fig.10 Influence of r/R on the emission

图11 10°ATDC与30°ATDC时缸内NOx质量分数分布Fig.11 Distribution of NOx mass fraction in cylinder at 10°ATDC and 30°ATDC

图12 10°ATDC与30°ATDC时缸内SOOT质量分数分布Fig.12 Distribution of SOOT mass fraction in cylinder at 10°ATDC and 30°ATDC

如图11所示，“高低型双涡流室双缩口燃烧室”在高原环境中NOx的生成主要分为两个阶段：第一阶段为急燃期与缓燃期，在火焰路径上的高温区域内大量生成；第二阶段为在后燃期的焰后部位与上涡流室中少量产生。而SOOT的生成也主要经历了两个阶段：第一阶段为急燃期与缓燃期，SOOT在火焰路径上大量生成；第二阶段为后燃期时，部分SOOT在上涡流室与缸内其他位置被氧化，图12为10°ATDC与30°ATDC时缸内SOOT质量分数分布。当r/R=0.4～0.7时，由于下涡流室变小，在下涡流室的空气总量减小，增加了SOOT的生成量，而上涡流室的增大，使得上涡流室在后燃期产生的NOx量增大。当r/R=0.7～1.0时，上涡流室空间继续增大，其中的空气质量增大，上涡流室的斜轴涡流作用强化，在后燃期氧化了更多的SOOT，但是也生成了更多的NOx。当r/R=1.0～1.3时，上涡流室的容积已经大过了下涡流室容积。此时，下涡流室发生了严重的燃烧不充分，产生的SOOT量远大于上涡流室的氧化能力，而上涡流室由于容积大，空气总量大，导致平均温度较低，因此产生的NOx量最少。

“高低型双涡流室双缩口燃烧室”在高原环境下的排放特性较为复杂，总体来说，r/R不应过大也不应过小。当r/R过小时，上涡流室的益处作用削弱，并且容易发生热应力集中；当r/R过大时，下涡流室发生严重燃烧恶化，这将产生大量的SOOT。

2.4 不同喷油夹角α对高原排放特性的影响

喷油夹角α对“高低型双涡流双缩口燃烧室”影响很大，该燃烧室整个燃烧空间可以分为三个部分，活塞顶部余隙容积空间、以分流脊为界的上涡流室空间和下涡流室空间(余隙容积空间为活塞顶部面上方；上涡流室空间为活塞顶部面下方与环形分流脊线所在平面上方；下涡流室空间为环形分流脊线所在平面以下)。在高原环境下，缸内喷雾贯穿距离延长。使用较小的喷油夹角意味着更多的燃料进入下涡流室空间。随着喷油夹角的增大，越来越多的燃料进入上涡流室空间，而下涡流室空间中的燃料渐渐减少。继续增大喷油夹角，将会有较多的燃料进入余隙容积空间。

图13 不同喷油夹角下的高原排放变化Fig.13 Influence of nozzle hole cone angle on the emission

图13为不同喷油夹角下“高低型双涡流室双缩口燃烧室”的NOx与SOOT排放量，在α=140°时，排气中的 NOx排放量较低，而SOOT含量较高。此时燃料喷雾靠近中心圆台的锥面，因此在中心圆台锥面上方产生了高温区域，在圆台锥面上还产生了积碳。到了α=145°时，SOOT排放量略微上升，NOx排放量降低。这是由于在低喷油夹角时燃料大量进入下涡流室，上涡流室的益处作用相对较小，对余隙容积中的空气利用率也较小。因此燃烧不充分，而火焰长度延长与较大的下涡流室空间又使得缸内局部超高温局域减小，尽管圆台锥面附近产生的SOOT有所减少，还是产生了更高的SOOT量与更低的NOx量。从α=150°～155°，更多的燃料进入上涡流室空间，上涡流室的“飞轮效应”有利于油气混合与在后燃期为快速氧化SOOT。因此SOOT开始下降，但是上涡流室在后燃期产生了大量NOx，因而NOx排放量开始升高。而在喷油夹角为160°,SOOT还在下降，NOx排放量也转而降低。这是因为在高原环境下，后燃严重，绝大部分燃烧发生在活塞下行时，加之较高的喷油夹角，燃料由于压力差被吸进余隙容积空间进行燃烧，因此，SOOT排放量进一步地降低，NOx量也随着下降。继续将喷油夹角增大到165°，更多的燃料进入余隙容积空间，虽然降低了SOOT，但是余隙容积产生了高温，增加了NOx的排放量。

在平原环境下，余隙容积中的空气一般不太被重视，然而到了高原之上，余隙容积中的空气也格外珍贵，将其利用好可以有效改善高原柴油机的燃烧。所以在高低型双涡流室双缩口燃烧室中，应该合理地综合利用好下涡流室空间，上涡流室空间和余隙容积空间中的空气。

3 结论

(1)在高原环境下，“高低型双涡流室双缩口燃烧室”的“飞轮效应”依然存在，并能够有效降低高原环境下的NOx与SOOT排放量。

(2)在高原环境下使用“高低型双涡流室双缩口燃烧室”时，随着燃烧室的径深比D/H的增大，SOOT排放量呈先下降后上升趋势，而NOx排放量则先上升后下降。

(3)在高原环境下使用“高低型双涡流室双缩口燃烧室”时，随着上下涡流室半径比r/R的增大，NOx排放量先升高，后降低；而SOOT排放量先升后降再升高。

(4)在高原环境下使用“高低型双涡流室双缩口燃烧室”时，随着喷油夹角的增大，SOOT排放量先增加后持续减少；NOx排放量则呈W形，先后经历下降、上升、下降、再升高的过程。

(5)高原环境下使用“高低型双涡流室双缩口燃烧室”进行“油-气-室”匹配时，径深比选择3.1左右为宜，高低涡流室半径比选择0.7～1.0为宜，喷油夹角选择155°～160°为宜。