車用柴油機(jī)燃燒室對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響研究

徐 勛 馬 勇 程 淵

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心 安徽 合肥 230601）

引言

日益嚴(yán)格的排放及燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)，推動(dòng)著內(nèi)燃機(jī)向更清潔、高效的方向發(fā)展[1]。我國(guó)排放法規(guī)已經(jīng)升級(jí)到第六階段，2020年左右將全面實(shí)施國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)。

燃燒室是柴油機(jī)的重要零部件，柴油機(jī)內(nèi)混合氣形成和燃燒都與燃燒室有著密切的關(guān)系。因此，燃燒室的幾何形狀及結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)燃燒過程的完善度和發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及排放性能有著重要影響[2-3]。

隨著國(guó)六法規(guī)的推進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)燃燒效率需進(jìn)一步提高，同排量的發(fā)動(dòng)機(jī)需要有更優(yōu)秀的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，更低的排放。而燃燒室的結(jié)構(gòu)直接影響著缸內(nèi)的燃燒，當(dāng)前國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用200MPa甚至更高的共軌壓力，隨著共軌壓力的提高，燃燒室結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步調(diào)整，以適應(yīng)油束和空氣的混合。

本文將通過CFD分析和臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的方式研究不同燃燒室結(jié)構(gòu)匹配200MPa軌壓燃油系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響。

1 試驗(yàn)樣機(jī)

本文研究的發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)2.7L國(guó)五發(fā)動(dòng)機(jī)，采用增壓中冷技術(shù)。為研究當(dāng)前這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)升級(jí)到國(guó)六的潛力，將軌壓提升到200MPa，同時(shí)設(shè)計(jì)兩種不同形狀的燃燒室結(jié)構(gòu)，研究對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響。

發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

當(dāng)前柴油機(jī)的燃燒室結(jié)構(gòu)普遍采用ω型，這種燃燒室結(jié)構(gòu)便于在活塞壓縮過程中配合氣道形成一定渦流強(qiáng)度缸內(nèi)擾動(dòng)，這部分渦流氣體能促進(jìn)柴油機(jī)油氣的混合。

2 燃燒室方案

為匹配更高的軌壓燃油系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了2種燃燒室方案。兩個(gè)燃燒室深度一樣，主要區(qū)別在于口徑大小和燃燒室內(nèi)部凸臺(tái)的錐角不一樣。

柴油機(jī)燃燒室的主要結(jié)構(gòu)尺寸包括縮口直徑、燃燒室深度以及凸臺(tái)的高度和錐角等參數(shù)。通常這些尺寸定義后，決定了燃燒室的容積。燃燒室內(nèi)部容積在整個(gè)壓縮容積中占比越大，有效燃燒容積就越大，就越有利于提高燃燒效率，從而更有利于性能的提升和排放的降低。

在國(guó)外咨詢公司的燃燒室設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)中有2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，分別是徑深比和縮口率。徑深比是指燃燒室口徑和深度的比值，這個(gè)尺寸合適，說明燃燒室的結(jié)構(gòu)合理，往往徑深比大的燃燒室NOx排放更低，而徑深比小的燃燒室PM排放更低。縮口率是指燃燒室最大口徑減去最小口徑與最大口徑的比值。這個(gè)值越大，說明燃燒室喉口越小，燃燒室內(nèi)部的殘余廢氣越不容易排出，內(nèi)部EGR值會(huì)增加，NOx排放會(huì)降低，但同樣會(huì)增加PM排放。

對(duì)于柴油機(jī)而言，缸內(nèi)的渦流氣體強(qiáng)度很重要。在活塞壓縮過程中，燃燒室內(nèi)氣體受到渦流、擠流、紊流和逆擠流等氣流運(yùn)動(dòng)的影響，而這些在混合氣形成過程中起著重要作用。

圖1為油束和燃燒室的匹配室。在圖1中，油嘴油束的落點(diǎn)高度對(duì)油氣混合影響很大，不同的燃燒室結(jié)構(gòu)，油束落點(diǎn)高度影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放。

圖1 油束和燃燒室的匹配

圖2 為新設(shè)計(jì)的2個(gè)燃燒室方案。在圖2中方案一燃燒室口徑小，徑深比小，中間凸臺(tái)錐角小。方案二燃燒室口徑大，徑深比大，中間凸臺(tái)錐角大。

圖2 新設(shè)計(jì)2個(gè)燃燒室方案

3 模擬分析

基于AVL-FIRE軟件對(duì)2種燃燒室方案進(jìn)行了模擬分析，得到在噴油時(shí)刻附近、壓縮終了時(shí)刻燃燒室內(nèi)空氣流動(dòng)狀況，通過查看空氣流動(dòng)狀況來分析燃燒室尺寸對(duì)缸內(nèi)氣體流動(dòng)的影響。

圖3是計(jì)算所用燃燒系統(tǒng)三維模型，計(jì)算過程含有了氣門的開啟和關(guān)閉過程。圖4是兩個(gè)燃燒室方案的缸內(nèi)氣體動(dòng)態(tài)云圖?？梢钥闯?，方案二燃燒室相對(duì)于方案一，氣體渦流更加集中，橫向方向的擠流強(qiáng)度也略高。這些流動(dòng)的氣體強(qiáng)度會(huì)在壓縮過程中促進(jìn)紊流的產(chǎn)生，從而更有利于燃油和氣體的混合。

圖3 計(jì)算所用燃燒系統(tǒng)三維數(shù)模

圖4 2個(gè)燃燒室方案的缸內(nèi)氣體動(dòng)態(tài)云圖

4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

將2個(gè)不同的燃燒室方案分別裝配到同一型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)上，其他邊界一樣的情況下，進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比研究。圖5為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩影響的對(duì)比，圖6為發(fā)動(dòng)機(jī)功率影響的對(duì)比。

圖5 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩影響的對(duì)比

圖6 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率影響的對(duì)比

圖7 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗影響的對(duì)比

首先對(duì)比2個(gè)燃燒室方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率的影響，可以看出，方案二燃燒室比方案一燃燒室表現(xiàn)出更高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，特別是在中高轉(zhuǎn)速段，最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)最多增加了將近10N·m。

在額定點(diǎn)，方案二燃燒室比方案一燃燒室能表現(xiàn)出更高的功率，增大了將近3 kW。說明在相同的邊界條件下，方案二燃燒室更匹配當(dāng)前的燃油系統(tǒng)和進(jìn)氣系統(tǒng)，能更有效地組織缸內(nèi)氣體流動(dòng)，同時(shí)促進(jìn)缸內(nèi)燃燒。方案二燃燒室能有效將熱能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出更高功率和轉(zhuǎn)矩。

圖7為2個(gè)燃燒室方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗的影響。從圖7可以看出，方案二燃燒室比方案一燃燒室對(duì)油耗變化表現(xiàn)更優(yōu)，特別在最低油耗點(diǎn)，方案二燃燒室達(dá)到204 g（/kW·h），能滿足當(dāng)前的開發(fā)指標(biāo)205 g（/kW·h）的要求。而方案一燃燒室最低比油耗已經(jīng)達(dá)到215 g/（kW·h），不能滿足開發(fā)要求。同時(shí)在額定點(diǎn)，方案一燃燒室的比油耗已經(jīng)達(dá)到245 g/（kW·h），同樣比方案二燃燒室增了5 g/（kW·h）。所以從油耗表現(xiàn)來看，方案二燃燒室確實(shí)比方案一燃燒室更能促進(jìn)缸內(nèi)燃燒，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率有明顯提升作用。

圖8為2個(gè)燃燒室方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)PM排放（FSN）影響的對(duì)比。同樣，由于方案二燃燒室燃燒效果更優(yōu)，PM排放有明顯降低，最大點(diǎn)（1 600 r/min）降低了將近兩倍。2 000 r/min之后，兩者趨于一致。

圖8 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙影響的對(duì)比

圖9 為不同燃燒室方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)渦前排溫的影響。從渦前排溫度來看，方案一在1 300 r/min~2 000 r/min排溫偏高，方案二在2 000 r/min之后，有明顯提升，但都低于增壓器的限值目標(biāo)。

5 結(jié)論

為匹配200MPa燃油系統(tǒng)的開發(fā)，本文研究了不同的2個(gè)燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響。2個(gè)燃燒室主要區(qū)別在于方案一燃燒室口徑小，凸臺(tái)錐角小；方案二燃燒室口徑大，凸臺(tái)錐角大，更加趨于扁平化。通過數(shù)值模擬和臺(tái)架試驗(yàn)得到以下結(jié)論：

1）方案二扁平化燃燒室結(jié)構(gòu)更能適應(yīng)更高軌壓的燃油系統(tǒng)和進(jìn)氣系統(tǒng)，能更有效地組織缸內(nèi)氣體流動(dòng)，同時(shí)促進(jìn)缸內(nèi)燃燒。同時(shí)能有效將熱能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出更高功率和轉(zhuǎn)矩。相對(duì)于方案一，功率轉(zhuǎn)矩提高了約3%。

2）由于方案二燃燒室更能促進(jìn)燃燒，表現(xiàn)出更加優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)性和排放特性，試驗(yàn)對(duì)比來看，相對(duì)于方案一，最低點(diǎn)油耗降低了5%，PM排放降低了50%。