燃烧室开口形式对475柴油机性能影响研究

柏水通，王文勤

(常柴股份有限公司，江苏常州 213003)

0 引言

柴油机具有较好的经济性、动力性，可以与工程机械、农用机械以及汽车等配套使用，是车辆的重要动力源之一[1-2]。柴油机燃烧室对发动机性能起到非常关键的作用，不同形状的燃烧室有着不同的气流运动状况及燃烧过程，进而影响发动机的动力性、经济性以及排放性能[3-4]。付垚等[5]应用可视化方法研究了3种双层分流燃烧室的燃油混合过程，上层燃烧空间采用凸圆弧底面使燃烧室顶层区域在较早喷油正时时获得了较好的利用。

实验研究虽然更加清晰直观，但具有较高的研发成本，更多的学者选择采用模拟仿真的方法来提高发动机开发效率，缩短开发周期。

张爱中等[6]研究了某非道路国Ⅳ柴油机高凸台型燃烧室对气流运动、排放性能的影响。缩口型燃烧室可以形成剧烈的涡旋运动，加速燃油雾化，提高混合气质量，有利于提升发动机的排放性能。

纪霏霏等[7]研究了燃烧室形状对柴油-天然气双燃料发动机燃烧的影响，通过改变燃烧室的形状来实现柴油微引燃技术，提高了天然气燃料的替代率并减少由于替代率上升所引起的发动机爆震的发生。

本文以475柴油机为研究对象，为了优化柴油机燃烧过程，降低油耗及排放，在AVL-FIRE中建立仿真模型，研究不同燃烧室开口形式对发动机性能的影响，对475柴油机的优化升级起到了一定的指导作用。

1 发动机参数及模型

1.1 柴油机参数

475柴油机的主要技术参数如表1所示。

表1 475柴油机主要技术参数

1.2 模型的建立

由于柴油机活塞形状是对称的，所以选取燃烧室的一半为样本，在FIRE软件的ESE Diesel模块中建立燃烧室的二维平面模型(如图1所示)，燃烧室1是直口型，燃烧室2是开口型，燃烧室3是缩口型。

图1 燃烧室的二维平面模型

1.3 模型选择

720°为发动机活塞压缩上止点，喷油期设置为曲轴转角712°到732°，喷油持续角20°。喷雾模型选择WAVE离散模型(描述喷雾破碎过程)，燃烧模型选择Turbulence controlled combustion model(预混和扩散燃烧的模型)，NOx的排放选择Extended Zeldovich模型(扩展赛尔多维奇模型)，碳烟排放模型选择Kinetic Model(动力学模型)。

1.4 发动机模型的验证

文中模拟的工况是3 200 r/min，75%负荷。计算步长为0.2°曲轴转角，设置活塞处温度为583K，气缸壁处温度为413K，燃烧室顶部温度为553K。压力为0.101 MPa，温度为363K，湍流动能为30.8 m2/s2，湍流长度尺寸为0.004 5 m，湍流扩散率为6 241.59 m2/s3。

首先将计算的缸内压力曲线和实际台架测试的压力曲线进行比较，发现模拟计算的压力曲线和实际测试的压力曲线可以较好吻合(如图2所示)，可以有效保证所建立的计算模型的准确性。

图2 台架测试缸内压力和仿真计算压力对比

2 模拟计算结果与分析

2.1 燃烧室形状对压力和温度的影响

从图3和图4中可以清晰地看到，3种燃烧室在不同的曲轴转角下的缸内平均压力和平均温度的变化曲线大体一致。通过两图的对比分析，可以发现3种燃烧室的压力和温度均在压缩上止点后达到最大值，730°附近平均压力达到最大值，740°附近平均温度达到最大值。最高压力点和最高温度点之间是缓燃期，压力开始下降，温度还在上升。712°时喷油开始，最高温度点之前732°时喷油结束。图3中气缸内压力出现了双峰现象，第一个最大压力点是压缩上止点的压力，可燃混合气未燃烧之前的最大压力点，第二个最大压力点是燃烧之后高温形成的最大压力爆发点。平均温度最高点燃烧室3>燃烧室2>燃烧室1。

图3 曲轴转角-缸内平均压力图

图4 曲轴转角-平均温度图

2.2 燃烧室形状对排放性能的影响

因为柴油机中最终排放的平均混合气浓度比较稀(平均过量系数远大于1)，所以柴油机中排放的CO和HC比汽油机少。柴油机最后排放的污染物主要有NOx和碳烟。NOx产生的条件是高温、富氧和较长的作用时间，所以容易产生柴油机燃烧过程速燃期的稀燃火焰阶段和缓燃期的扩散燃烧阶段。在柴油机中，高温和局部混合气过浓容易形成碳烟，混合气越浓，碳烟值越大。3种不同燃烧室对发动机NOX及碳烟排放影响如图5、图6及表2所示。

图5 曲轴转角-平均NOx质量分数图

图6 曲轴转角-平均碳烟质量分数图

表2 740°CA时3种燃烧室温度和碳烟浓度分布图

由图5可以发现，燃烧室3中的平均NOx质量分数最高，725°CA后NOx生成量快速增加；由图5和表1可知，平均温度最高点燃烧室3>燃烧室2>燃烧室1，又因为NOx是在高温高压下产生的，所以排放的平均NOx质量分数燃烧室3>燃烧室2>燃烧室1，与图4相吻合。

由图6可知，各燃烧室中的平均碳烟含量都是先增加后减少，因为喷油在732°时结束，碳烟生成量开始减少；由图3可知，曲轴转角740°附近时缸内温度达到最高，因为在高温和混合气过浓时容易生成碳烟，所以在740°附近时平均碳烟含量最高，与图5相符，平均碳烟含量燃烧室3<燃烧室1<燃烧室2。

在图5和图6中可以看出，碳烟的生成时期比NOx早，也就是说，碳烟的生成主要是在燃烧初期，但是碳烟的氧化主要是在燃烧中后期。如果在此期间，碳烟的氧化过程好，则排气门打开后，碳烟的排放量会减少很多。因此，在燃烧初期合理组织燃烧室内的气流运动，促进湍流混合及扩散燃烧，可以有效控制碳烟的生成。对于预混合阶段，要提供足够的氧气，控制NOx的生成。从而可知，改进燃烧室的结构形式，合理组织燃烧室内的气流流动，保证一定的湍流强度，是保证燃烧充分、控制NOx生成量及减少碳烟排放的有利措施。

2.3 燃烧室形状对气流运动的影响

图7为燃烧室的形状对发动机缸内气流运动的影响。对比图中3种不同形状的燃烧室对混合气气流运动特性的影响，可以看出，平均湍流动能燃烧室3>燃烧室1>燃烧室2。较大的气体湍流动能对于促进缸内燃料的扩散燃烧是很有利的，同时还能够促进碳烟的氧化，减少污染物的排放。这个结论符合图6中曲轴转角760°之前碳烟含量燃烧室3<燃烧室2<燃烧室1。燃烧室3是缩口型燃烧室，从湍流强度及其保持性上来看，压缩比相同，缩口较大的燃烧室，其湍流动能及其保持性均为最佳；燃烧室2是开口型燃烧室，其湍流动能较其他2种燃烧室结构较小；基于燃烧室1 (直口型)来说，改变ω型燃烧室的开口形状，使缩口比加大，能够使燃烧室中的气流强度增强；燃烧室3的平均湍流动能最高，气流运动特性最为理想。

图7 曲轴转角-平均湍流动能图

2.4 燃烧室形状对放热规律的影响

图8中的放热率曲线所示：3种压缩比相同、形状不同的燃烧室在备燃阶段混合气形成得都很快，所以如图8所示，压缩上止点后，速燃期期间，放热率曲线峰值达到最大值，且放热率曲线峰值点处于压缩上止点后5°左右。此时，平均湍流动能燃烧室3>燃烧室1>燃烧室2，所以混合气形成条件是燃烧室3优于燃烧室1优于燃烧室2。表3中，由曲轴转角723°数列时可以看出，燃烧放热时刻燃烧室2早于燃烧室1早于燃烧室3，由曲轴转角725°数列时反应过程变量燃烧室1高于燃烧室2高于燃烧室3，所以燃烧室1的峰值温度最高。

图8 曲轴转角-放热率图

表3 反应过程变量分布图

从图8放热率曲线对比可知，3种燃烧室结构的放热情况大体一致，而由图9得知，累计放热量燃烧室3>燃烧室2>燃烧室1，因此燃烧室3(缩口型)的放热性好，柴油机性能更好。

图9 曲轴转角-累计放热量图

3 结论

3种燃烧室对缸内平均压力的影响区别不明显，缩口型燃烧室相对于其他2种具有较高的缸内平均温度。

3种不同燃烧室对排放具有较明显的影响。缩口型燃烧室NOx排放水平明显偏高，但是它的碳烟量是最少的。

缩口型燃烧室具有最大的平均湍流动能，有利于促进扩散燃烧，而开口型燃烧室平均湍流动能最小。

3种燃烧室的发动机放热规律基本一致，缩口型燃烧室和开口型燃烧室累计放热量相当，直口型燃烧室累计放热量略低。