, 潘春雨 2 , 周明 1 1.清华大学 航天航空学院, 北京 100084;
2.中航工业金城南京机电液压工程研究中心, 南京 211106
收稿日期: 2015-12-11
作者简介: 兰旭东(1980-), 男, 讲师。E-mail:lanxd@tsinghua.edu.cn
摘要：为了满足发动机动力性、经济性和排放的要求，设计与进气系统和燃油喷射系统相匹配的燃烧室构型至关重要。采用数值模拟和实验验证相结合的方法，对电控单缸柴油机的燃烧室进行设计和优化。参考基准机型的主要结构参数，完成燃烧室结构设计，采用Euler-Lagrange联合仿真法对发动机标定点和扭矩点的性能进行计算，并与实验结果对比；对燃烧室结构进行参数化建模，研究标定点和扭矩点工况下燃烧室缩口比、燃烧室深度、燃烧室内径3个关键结构参数对发动机耗油率和排放的影响。结果表明：Euler-Lagrange联合仿真法满足燃烧室设计要求；在进气系统和燃油喷射系统确定的情况下，燃烧室的3个关键结构参数对发动机性能有显著影响。
关键词： 柴油机 燃烧室设计 Euler-Lagrange耦合方法 实验研究
Design and tests of a combustion chamber for an electrically controlled, single-cylinder diesel engine
LAN Xudong1
, PAN Chunyu2, ZHOU Ming11.School of Aerospace Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2.Nanjing Engineering Institute of Aircraft Systems, Jincheng, AVIC, Nanjing 211106, China
Abstract:The design of a combustion chamber must match the intake air and fuel injection systems to improve the power, specific fuel consumption (SFC) and emissions of diesel engines. Numerical simulations and experimental validations are used to optimize the combustion chamber of an electrically controlled, single-cylinder diesel engine. The power and torque of a single-cylinder diesel engine are predicted using a hybrid Euler-Lagrange method with comparisons to test measurements. A parameterized design is then used to design the combustion chamber. Three key parameters for the re-entrance ratio, depth and inner diameter of the combustion chamber relate to the engine performance (power, torque, SFC and emission). The results show that the hybrid Euler-Lagrange method can be used to design the combustion chamber. The three key parameters strongly affect the engine performance for the given intake air and fuel injection systems.
Key words: diesel enginecombustion chamber designhybrid Euler-Lagrange methodexperimental research
单缸柴油机价格低、适应性强，目前保有量8 400万台，年产量500~800多万台，年消耗石油6 400万t，在农林牧矿等领域应用广泛。然而，传统(非电控)单缸柴油机因其油耗高、排放大无法满足日益提高的节能环保要求，发展电控单缸柴油机刻不容缓。
燃烧系统是柴油机的能量转换装置，也是化学能向机械能转换过程中污染物产生的场所。燃烧系统包括燃烧室、进气系统和喷油系统，三者之间的匹配关系对发动机动力性、经济性和排放影响巨大。
本文利用数值模拟和实验验证相结合的方法，对电控单缸柴油机的燃烧室进行优化设计。首先，根据基准机型，验证了Euler-Lagrange联合仿真法在燃烧室性能分析中的可行性和可靠性；然后，对燃烧室结构进行参数化建模，研究了标定点和扭矩点工况下燃烧室缩口比、燃烧室深度、燃烧室内径3个关键结构参数对发动机耗油率和排放的影响，并给出燃烧室设计建议。
1 数值方法简介1.1 Euler-Lagrange联合仿真法研究发动机工作过程的难点之一是研究缸内喷雾过程。目前应用最广泛的方法是Lagrange喷雾方法[1]，也叫离散液滴模型(discrete droplet model, DDM)方法。该方法将喷雾模型分为气态连续相和液态离散相，气态连续相包围液态离散相，在Lagrange坐标系跟踪燃油粒子的运动轨迹[2-5]，在Euler坐标系求解气态连续相参数，通过由阻力、蒸发等引起的质量、动量、能量输运产生的源项，将两个方程联系在一起[6-7]。
DDM方法的关键是给出准确的喷雾边界条件。因此，本文基于AVL Fire(v2013.2)软件建立了联合仿真计算方法，流程图如图 1所示，分2步：1)?基于Euler多相流方法，进行喷油器内3维流动仿真，将喷孔出口的速度信息、湍流信息、流量信息等记录在喷嘴数据文件；2)?基于Lagrange喷雾方法，以喷嘴数据文件作为喷雾边界条件，模拟发动机喷雾、燃烧、污染物排放过程。
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| 图 1 Euler多相流与Lagrange喷雾联合仿真流程图 |
| 图选项 |
1.2 数值模型及参数选取通过模型和参数敏感性分析，联合仿真过程中选择的数值模型及模型参数如表 1所示。
表 1 联合仿真模型及参数选取
| 模型 | 模型参数 |
| 湍流模型 | k-e |
| 湍流耗散模型 | Enable |
| 液滴碰撞聚合模型 | Nordin |
| 蒸发模型 | Corrected Florov |
| 初次破碎模型 | Blob (B2=12) |
| 二次破碎模型 | KH-RT (C2=40) |
| 撞壁模型 | Naber (dry wall) |
| 燃烧模型 | EBU (A=20) |
| NO排放模型 | Extended Zeldovich |
| 碳烟排放模型 | Kinetic |
表选项
2 燃烧室设计与实验2.1 燃烧室结构参数设计燃烧室设计要同时考虑燃油喷射和气流运动方式，从而对“油、气、室”三者进行合理匹配。本研究的单缸柴油机的主要设计参数如表 2所示。
表 2 单缸柴油机主要设计指标
| 参数名称 | 设计指标 |
| (额定功率/kW)@(转速/(r·min-1)) | 18.38@2 200 |
| (最大扭矩/(N·m))@(转速/(r·min-1)) | 89.0@1 500 |
| 扭矩点耗油率/(g·(kW·h)-1) | ≤220 |
| (缸径/mm)×(冲程/mm) | 113×140 |
| 压缩比 | 17.5:1 |
| 喷油系统 | 电控单体泵 |
| 喷射开启压力/MPa | 25 |
| 过量空气系数 | > 1.5 |
| 进气涡流比 | 2.0 |
表选项
根据燃油喷射系统形式和发动机总体结构参数，选择深坑缩口ω型燃烧室，燃烧室结构示意图如图 2所示。
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| 图 2 燃烧室结构示意图 |
| 图选项 |
2.2 联合仿真分析喷油器中置，考虑到燃烧室对称性和计算时间成本，选择整个计算区域的1/7作为模拟区。数值仿真从进气门关闭590°起，到排气门打开850°结束，分别计算标定点和扭矩点工况下，单缸柴油机的动力性、经济性和排放特性。部分计算条件如表 3所示，其中初始涡流比由专门的气道试验测试(试验地点：天津内燃机研究所)给出，温度边界条件由1维软件GT-Power(v7.3)计算给出。得到的标定点和扭矩点的缸内压强和放热率分别如图 3和4所示。
表 3 初始和边界条件
| 计算范围/(°) | 590~850 |
| 喷雾过程计算时间步长/μs | 5 |
| 转速/(r·min-1) | 1 500/2 200 |
| 初始压强/Pa | 105 |
| 初始温度/K | 303 |
| 初始涡流比 | 2.2 |
| 初始湍动能/(m2·s-2) | 18.36 |
| 特征长度尺度/mm | 5.36 |
| 活塞顶面温度/K | 600 |
| 气缸顶面温度/K | 550 |
| 气缸侧面温度/K | 450 |
表选项
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| 图 3 缸内压强和放热率随曲轴转角变化(标定点) |
| 图选项 |
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| 图 4 缸内压强、放热率随曲轴转角变化(扭矩点) |
| 图选项 |
单缸柴油机的标定点机械效率取为0.75，扭矩点机械效率取为0.80[8]，得到标定点的功率为19.26 kW，燃料消耗率为207.5 g/(kW·h)；最大扭矩为93.4 N·m，扭矩点耗油率为206.3 g/(kW·h)。从计算结果来看，设计的燃烧室满足单缸柴油机性能指标要求(如表 2所示)。
2.3 单缸柴油机性能试验发动机性能定型试验在山东省内燃机产品质量监督检验站进行，设计指标与检测结果如表 4所示。从检测结果来看，设计的单缸柴油机性能全面达到了第二代单缸柴油机性能指标(根据《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段)》(GB 20891—2014))。
表 4 电控单缸柴油机设计指标与实测结果对比
| 项目 | 设计指标 | 实测结果 |
| (额定功率/kW)@(转速/(r·min-1)) | 18.38@2 200 | 18.46@2 200 |
| 扭矩点耗油率/(g·(kW·h)-1) | ≤220 | 209.4 |
| 机油消耗率/(g·(kW·h)-1) | ≤1.70 | 1.18 |
| 噪声/dB | ≤110 | 110 |
| CO排放量/(g·(kW·h)-1) | ≤5.5 | 0.7 |
| HC排放量/(g·(kW·h)-1) | ≤1.5 | 0.9 |
| NOx排放量/(g·(kW·h)-1) | ≤8.0 | 8.0 |
| PM排放量/(g·(kW·h)-1) | ≤0.8 | 0.52 |
表选项
3 燃烧室结构优化燃烧室主要结构参数如图 5所示。其中：D是气缸直径；Dc是凹坑内径(燃烧室宽度)；Dk是燃烧室缩口直径；Dc/Dk是缩口比，表示燃烧室缩口程度。S0是压缩上止点余隙高度，H是燃烧室凹坑深度，Hc是燃烧室中心凸台高度。
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| 图 5 ω型燃烧室结构示意图 |
| 图选项 |
燃烧室缩口比(Dc/Dk)、燃烧室凹坑深度(H)、燃烧室内径(Dc)是影响发动机性能的3个主要结构参数[9-12]。
3.1 单缸柴油机燃烧室结构优化方法在燃烧室结构优化过程中，保持上止点余隙高度、发动机压缩比不变，在基准燃烧室构型条件下，采用单一变量法，分别增加/减小燃烧室缩口比、增加/减小燃烧室凹坑深度、增加/减小燃烧室凹坑宽度，通过调整凸台高度保持压缩比不变，得到6组燃烧室几何构型(见表 5)。分别对表 5所示的6种燃烧室结构进行数值计算。
表 5 6组燃烧室几何构型
| 工况 | 与基准构型对比 |
| Ⅰ | 增大缩口比 |
| Ⅱ | 减小缩口比 |
| Ⅲ | 增大深度 |
| Ⅳ | 减小深度 |
| Ⅴ | 增大宽度 |
| Ⅵ | 减小宽度 |
表选项
3.2 燃烧室结构优化分析在标定点和扭矩点，燃烧室构型对功率和耗油率的影响结果如图 6和7所示；燃烧室构型对NO和碳烟排放的影响如图 8和9所示。
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| 图 6 燃烧室构型对有效功率和耗油率的影响(标定点) |
| 图选项 |
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| 图 7 燃烧室构型对有效功率和耗油率的影响(扭矩点) |
| 图选项 |
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| 图 8 燃烧室构型对NO和碳烟排放的影响(标定点) |
| 图选项 |
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| 图 9 燃烧室构型对NO和碳烟排放的影响(扭矩点) |
| 图选项 |
单缸柴油机动力特性分析：在标定点，工况“Ⅱ(减小缩口比)、Ⅳ(减小深度)、Ⅴ(增大宽度)”型燃烧室，功率较大，耗油率较低；在扭矩点，“Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ”型燃烧室，功率较大，耗油率较低。这是因为在喷油量一定时，在燃烧室凹坑内既可以形成足够大的涡流动能，也可以较好地利用活塞上止点附近气缸内的径向挤流的动能，从而使油气掺混效果良好，使燃烧在较短时间内完成，最大爆发压力增大，功率升高，工作循环中等容加热的比例增大，热效率提高。
单缸柴油机排放特性分析：NO与碳烟排放存在一定程度的矛盾关系；在标定点，“Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ”型燃烧室，NO排放较多，燃烧充分，相应碳烟减少；正是因为油气掺混良好使得燃烧充分，热量瞬间释放使得汽缸内温升增大，而NO的生成与温度正相关，因此NO排放较多，而碳烟排放减小。在扭矩点，“Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ”型燃烧室，由于油气掺混较差，燃烧相对不充分，从而导致功率相对下降，NO排放较多。
4 结论采用数值仿真和实验验证相结合的方法进行电控单缸柴油机燃烧室的设计与优化，主要结论如下：
1)?完成电控单缸柴油机燃烧室设计，联合仿真计算表明燃烧室与进气系统、喷油系统匹配良好，实验表明发动机主要性能指标达到设计要求。
2)?给出燃烧室关键几何参数——燃烧室缩口比、燃烧室宽度、燃烧室深度在标定点和扭矩点对发动机油耗和排放的影响，在已有喷油器和燃烧室的基础上，进行燃烧室结构优化。
本文给出如下建议：
1)?改善动力性和经济特性。
(a)?若改善标定点的动力性和经济性，可采取减小燃烧室凹坑深度、增加燃烧室凹坑宽度的措施。减小燃烧室凹坑深度、增加燃烧室凹坑宽度可有效提升标定点的功率、降低耗油率和碳烟排放，但会导致扭矩点性能略有恶化，NO排放有所提高。
(b)?若改善扭矩点动力性和经济性，可采取增加燃烧室凹坑深度的措施。增加燃烧室凹坑深度可提升扭矩点的功率、降低耗油率和碳烟排放，NO排放上升；但会降低标定点的功率、增加耗油率和碳烟排放，NO排放下降。
2)?改善排放特性。
改善NO和碳烟排放，可采取减小燃烧室宽度的措施。减小燃烧室宽度可降低标定点的NO排放，碳烟排放略微上升，同时导致发动机动力性能降低，耗油率上升；对扭矩点，NO排放略微下降，碳烟排放显著下降，发动机动力性略有上升，耗油率下降。
参考文献
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