柴油机预燃室射流扰动燃烧系统的设计与试验.pdf

第 41 卷（2023）第 4 期 内 燃 机 学 报 Transactions of CSICE Vol.41（2023）No.4 收稿日期：2022-08-11；修回日期：2023-01-02 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2022YFE0100100)；国家自然科学基金资助项目(51921004).作者简介：聂靖宇，硕士研究生，E-mail：njy_.通信作者：苏万华，教授，E-mail：.DOI:10.16236/ki.nrjxb.202304034 柴油机预燃室射流扰动燃烧系统的设计与试验 聂靖宇，刘一泽，王家勇，邬斌扬，苏万华(天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300350)摘要：为了实现重型柴油机大负荷工况下的高效清洁燃烧，设计了一种应用于重载柴油机的预燃室射流扰动燃烧系统，旨在利用预燃室产生的射流动量促进柴油机大负荷工况下的油、气混合过程，提高扩散燃烧的速度，增大燃烧等容度，从而提高发动机的指示热效率建立预燃室仿真模型，研究预燃室射流的作用位置、持续时间、动量大小及作用相位对油、气混合与燃烧过程的影响，以缩短发动机燃烧持续期、提高指示热效率为目标，对预燃室的结构进行优化基于仿真结果，搭建了预燃室射流扰动燃烧系统的试验平台并进行试验结果表明：在没有明显提高排放的前提下，采用预燃室射流扰动燃烧系统可以有效缩短大负荷工况下的燃烧持续期，提高指示热效率在转速为 1 200 r/min、平均指示有效压力(IMEP)为 2.54 MPa、进气压力为 0.36 MPa、预燃室喷油量为 6 mg且主燃室喷油量为 194 mg 时，原机指示热效率可从 48.18%提升至 48.65%关键词：重型柴油机；预燃室；油、气混合；指示热效率 中图分类号：TK423.2 文献标志码：A 文章编号：1000-0909(2023)04-0289-09 Design and Experiment of a Prechamber Jet Disturbed Combustion System for Diesel Engine Nie Jingyu，Liu Yize，Wang Jiayong，Wu Binyang，Su Wanhua (State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300350，China)Abstract：In order to realize high efficiency and clean combustion on a heavy-duty diesel engine under high load condition，a combustion system disturbed by prechamber jet flow was designed.Its purpose is to use the jet mo-mentum generated in the prechamber to promote the fuel-gas mixing process under high load condition，improve the speed of diffusion combustion and increase isovolumetric degree of combustion，so as to improve the thermal efficiency of the engine.A simulation model of the prechamber was established to study the influence of the action position，duration，momentum，and phase of the prechamber jet on the fuel-gas mixing and combustion.To shorten the combustion duration and improve the indicated thermal efficiency of the engine，the structure of the prechamber was optimized.Based on the simulation results，an experiment platform of the combustion system dis-turbed by prechamber jet flow was established.The experimental results show that the combustion duration under high load can be effectively shortened and the indicated thermal efficiency can be improved without increase of ob-vious emission.When the speed is 1 200 r/min，the indicated mean effective pressure(IMEP)is 2.54 MPa，the in-take pressure is 0.36 MPa，the injection mass of the prechamber is 6 mg and the injection mass in the main chamber is 194 mg，the indicated thermal efficiency of the engine is increased from 48.18%to 48.65%.Keywords：heavy-duty diesel engine；prechamber；fuel-gas mixing；indicated thermal efficiency 全球交通运输 CO2排放中，重型卡车的排放量高居第二1，仅次于轻型卡车 预计到 2040 年，重型卡车将成为交通运输业中 CO2排放最多的类别 提高卡车所搭载发动机的能源利用效率，对减少能源消耗，实现碳达峰、碳中和目标有深远意义2 中重型柴油机在大负荷工况工作时，其喷油量加大，喷油持 290 内 燃 机 学 报 第 41 卷 第 4 期 续期延长，快速形成可燃混合气的难度加大，定压燃烧的比例大，导致提高指示热效率存在难度 射流扰动型预燃室可以对主燃烧室内的油、气混合过程增加额外的能量，提高油、气混合速率 射流扰动型预燃室及类似结构主要应用于汽油机或气体燃料内燃机中，用于拓展稀燃极限，且具有降低燃油消耗和排放的潜力 吴学舜等3研究发现，预燃室点火的方式可以明显改善天然气发动机的燃烧和排放 苏万华等4将预燃室用于解决均质充量压燃(HCCI)着火相位难控制等问题，用预燃室高温射流控制着火5 Choi 等6通过装有气体喷射装置的直喷式柴油机，在燃烧后期利用气体喷射装置在燃烧室注入 N2，研究不同工况下 N2射流对排放的影响 Kurtz等7研究发现，喷油后期尾端的燃油因自身动能低且没有额外的能量来促进混合，造成大量碳烟生成 在喷油尾段注入空气或 N2射流可以明显减少碳烟排放 Murayama 等8和 Konno 等9提出扰动燃烧室的设计，在缸头上安装一个带有喷油器的扰动燃烧室(CCD)在主燃烧过程中向 CCD 喷射少量燃油，主喷射和 CCD 喷射采用独立的喷油系统，CCD 产生的强湍流射流可增强燃烧后期空气与未燃燃油的混合，在不增加 NOx排放的前提下能显著降低碳烟排放，提高内燃机在大负荷下的热效率 上述预燃室及类似燃烧系统研究多集中于预燃室对主燃室燃料的引燃与减少 NOx、碳烟排放，但对利用预燃室产生的高速射流促进油、气混合速率，提高主燃室燃烧速度，进而提高发动机热效率的相关研究较少 加大喷嘴流量、提高喷油压力和缩短喷油持续期等技术同样可以实现缩短燃烧持续期的目的，但中国在高压共轨式电控燃油喷射系统的技术研究上起步较晚，与世界先进水平相比尚有差距10，大流量喷油器在缩短燃烧持续期的同时也会带来燃油雾化质量差等问题11-12 为了进一步提高热效率，笔者设计了一种预燃室射流扰动燃烧系统，通过数值模拟的方法研究预燃室射流对主燃室内油、气混合和燃烧过程的影响，优化预燃室的几何参数和控制参数，以缩短柴油机在大负荷工况下的燃烧持续期，提高热效率 根据模拟结果搭建预燃室射流扰动燃烧系统试验台，验证预燃室在实际柴油机上的应用效果，以期为提高重载柴油机大负荷工况下的热效率提供参考 1 预燃室射流扰动燃烧系统仿真模型 为了研究预燃室的应用效果，同时减少投入成本，有必要建立预燃室燃烧系统准确的仿真模型 1.1 预燃室射流扰动燃烧系统的几何模型 笔者基于 WP10H 发动机改装的单缸机试验台架进行预燃室设计，表 1 为原柴油机主要技术参数 图 1 为预燃室射流扰动燃烧系统几何模型 考虑发动机内部的气路、水路和油路，可布置预燃室的位置受到了较多限制 综合考虑发动机的实际空间、预燃室的容积及活塞和喷油器的位置因素，设计的预燃室如图 1a 所示 预燃室主要分为 3 部分，燃烧进行的主体区域为上部的圆柱体区域 主燃室和预燃室的装配关系如图 1b 所示 表 1 柴油机技术参数 Tab.1 Engine specifications 参数 数值 型式 增压中冷、直列、6 缸 缸径/mm 活塞行程/mm 116 150 排量/L 9.5 压缩比 18.5 进气涡流比 1.1 喷油器孔数 8 孔径/mm 0.169 喷孔锥角/()149 最高转速/(rmin-1)2 100 标定功率/kW 294(1 900 r/min)最大转矩/(Nm)1 800(1 0001 400 r/min)最高爆发压力/MPa 24 （a）预燃室 （b）主燃室和预燃室装配关系 图 1 预燃室射流扰动燃烧系统几何模型 Fig.1Geometric model of the prechamber jet disturbedcombustion system 1.2 仿真模型及验证 笔者基于计算流体力学数值模拟软件 Converge建立了 WP10H 柴油机的仿真模型，基础网格尺寸为 2023 年 7 月 聂靖宇等：柴油机预燃室射流扰动燃烧系统的设计与试验 291 4.0mm，表 2 为仿真计算中采用的主要模型 WP10H 原型机中不含预燃室结构，笔者在模型的标定验证中采用的为不带有预燃室的原机模型，表3 为标定试验时发动机的边界参数 图 2 为缸内压力及放热率的模拟值和试验值 可知，由模拟计算和试验获得的缸内压力和放热率曲线形态分别相近 缸压曲线峰值的误差为 0.05%，二者对应的曲轴转角误差不超过 0.1CA，放热率曲线峰值的误差小于5%模拟值和试验值基本吻合，因而所建立的模型能较为准确地描述发动机缸内燃烧过程 表 2 仿真计算的主要模型 Tab.2 Main models used in simulation calculation 模型 名称 燃烧模型 SAGE 化学反应求解器简化化学反应动力学机理12 传热模型 Han and Reitz 湍流模型 RNG k-喷雾破碎模型 KH-RT 喷雾蒸发模型 Frossling 油滴碰撞模型 NTC collision 液滴碰壁模型 ORourke and Amsden 表 3 发动机边界参数 Tab.3 Boundary parameters of engine 参数 数值 转速/(rmin-1)1 200 每循环喷油量/mg 180 喷油定时/()CA ATDC-2 喷油规律形线 梯形 进气温度/K 360 共轨压力(90%负荷)/MPa 180 进气压力(进气道)/MPa 0.39 EGR 率/%0 壁面温度/K 550(活塞表面)，520(缸头底面)，430(缸套内壁)图 2 缸内压力和放热率的模拟值和试验值 Fig.2 Simulation and experimental results of cylinder pressure and heat release rate 2 预燃室射流扰动燃烧系统的设计与优化 2.1 原机油、气混合过程存在的问题 在研究用原型机 WP10H 中，采用了由形燃烧室改进的 stepped-lip 形燃烧室 相较于传统的形燃烧室，stepped-lip 形燃烧室的壁面传热损失更小且燃烧中、后期混合速率更高，但在对原机的燃油发展路径及当量比分布的研究中仍存在混合困难的区域和油、气分布不合理的现象 图 3 为满负荷工况(基础工况)下不同曲轴转角的缸内当量比和氧质量分数分布，主要参数见表 4 （a）当量比 （b）氧质量分数 图 3 不同曲轴转角下缸内当量比和氧质量分数分布 Fig.3Distribution of equivalent ratio and oxygen mass fraction in cylinder at different crank angles 表 4 满负荷工况发动机边界参数 Tab.4 Boundary parameters of engine at full load 参数 数值 转速/(rmin-1)1 200 每循环喷油量/mg 192(满负荷)喷油定时/()CA ATDC-2 共轨压力/MPa 180 主喷油持续期/()CA 23.8 进气温度/K 360 进气压力(进气道)/MPa 0.36 EGR 率/%0 壁面温度/K 550(活塞表面)，520(缸头底面)，430(缸套内壁)从图 3 中可以看出，曲轴转角为 15CA ATDC时，燃油喷雾在唇口附近撞壁，在活塞壁面的引导下发生分流 一部分燃油向上发展，到达活塞台阶的上方以及活塞顶；另一部分燃油向下发展，沿着活塞凹坑的壁面运动 从氧质量分数分布可以看出，这两个位置的氧气得到了充分利用 曲轴转角为 21CA ATDC 时，柴油喷射已经结束，随着燃油的发展，逐渐在活塞台阶位置的上方和活塞顶位置形成浓区 在凹坑侧壁附近，附着于壁面的燃油不能及时蒸发，同时由于壁面附近的氧质量分数低，也形成了高当量比区域在曲轴转角为 37CA ATDC 时刻(CA90)，绝大部分燃油已经完成了燃烧，此时浓区 292 内 燃 机 学 报 第 41 卷 第 4 期 主要位于台阶上方和活塞顶位置，凹坑和唇口的壁面位置仅有少量的燃油残留，其余的燃油都已完成燃烧 而残留的氧气主要存在于活塞中心的上方以及相邻油束之间的区域 原机的油、气混合过程主要存在两个问题：(1)活塞中心的上方及相邻油束之间的氧气没有得到有效利用，一方面，燃油喷雾的发展路径不经历这两个区域，无法利用该区域的氧气；另一方面，缸内气体的组织存在一定的问题，无法促进这部分的氧气与未燃燃油混合(2)燃油的分布不均匀，在燃油喷雾撞壁后较多的燃油向上发展，在燃烧室的台阶上方和活塞顶的位置形成高当量比区域，燃烧中、后期的未燃混合气几乎全部存在于该区域 2.2 射流作用位置对油、气混合及燃烧过程的影响 从原机的浓区分布可以发现，燃烧中、后期的未燃燃油主要存在于活塞台阶上方以及活塞顶位置，影响燃烧速度，因而利用预燃室射流提高该区域的油、气混合速率，是缩短燃烧持续期的关键 预燃室射流的作用位置由预燃室射流出口位置和通道角度决定，受到实际空间的限制，预燃室射流出口位置可以改变的幅度很小，所以预燃室射流的作用位置主要由通道角度决定 定义两个预燃室射流通道的水平夹角为(图 1a)，两个通道对称分布，改变夹角，预燃室射流的方向随之改变 笔者建立不同的仿真模型，射流出口中心与活塞顶在同一高度，预燃室的相关参数如表 5 所示，其余边界条件与表 4 保持一致，研究预燃室射流作用于不同位置时对主燃室内油、气混合的影响 图 4 为不同下的燃烧持续期(CA 90-10)和指示热效率 可以看出，不同射流方向下的燃烧持续期相较于原机都有明显减小，但是指示热效率却远低于原机的水平对燃烧持续期和指示热效率影响显著，当从 20增至 110时，燃烧持续期随通道夹角的增大呈先增大后减小的趋势，为 20时的燃烧持续期最短(21CA)，相对原机缩短 34.37%，为 70 表 5 预燃室关键仿真参数 Tab.5 Key simulation parameters of the prechamber 参数 数值 预燃室喷油量/mg 8 预燃室喷油定时/()CA ATDC 6 喷油器孔数 3 孔径/mm 0.138 锥角/()149 主燃室喷油量/mg 184(喷油量之和保持为 192 mg)带预燃室后总压缩比 17 预燃室体积占上止点燃烧室总体积的比例/%8.4 预燃室壁面温度/K 550 时的燃烧持续期最长(24.8CA)，但过大(120)或过小(10)的通道夹角都会造成燃烧持续期增加 指示热效率随着的增加呈先增加后减小的趋势，最高指示热效率(46.4%)同样出现在为 20 时，但相对于原机指示热效率(48.6%)明显降低 不同下 CA50的差别不大，燃烧相位的差异主要体现在 CA90 的变化，CA90 最小为 26.3CA(20)，比原机提前了 11.4CA，说明预燃室射流的存在对燃烧中、后期的油、气混合速率改善明显 图 4 不同 下的缸内燃烧变化 Fig.4Variation of combustion conditions in cylinder atdifferent 图 5 为不同下的缸内当量比分布及射流发展20 时，预燃室射流流向主燃室的中心，发展到远离预燃室一侧 从曲轴转角为 20CA ATDC 的当量比分布(隐藏了预燃室射流)中可以看到，燃油在预燃室射流的影响下在主燃室形成新的浓区，新的浓区会持续受到射流的扰动，促进该区域的油、气混合过程，射流中的氧气也会用于该区域的燃烧过程，因而该区域的燃油不会存在较长时间 此外，由于燃油发展路径的改变，使缸内的油、气分布更加合理，减少了富集在台阶上方及活塞顶位置的燃油110时，预燃室的两支射流沿着缸套和活塞顶发展，由近至远依次扰动不同油束在台阶上方及活塞顶形成的高当量比区域，可以充分利用油束之间的氧气70 时，射流作用的位置对 13 号燃油射流影响有限，使这些位置的油、气混合速率下降，阻碍了燃烧持续期的进一步缩短 综上可知，预燃室射流作用于不同位置对缸内油、气混合改善的机理主要有两种：较小时，预燃室射流冲击燃油射流的根部，影响燃油发展路径，浓区的位置发生变化，使主燃室内部的油、气分布更加合理，减少了高当量比区域的体积；较大时，预燃室射流直接对主燃室内油、气混合困难的区域进行扰动，并提供部分氧气，从而加快了该区域的油、气混合速率 图 6 为原机和预燃室系统的能量分布 图 6a中，预燃室射流扰动燃烧系统的传热损失占比明显增 2023 年 7 月 聂靖宇等：柴油机预燃室射流扰动燃烧系统的设计与试验 293 （a）10CA ATDC （b）15CA ATDC （c）20CA ATDC （d）25CA ATDC （e）30CA ATDC 图 5 不同曲轴转角下的缸内当量比分布及射流发展 Fig.5 Distribution of equivalent ratio and jet develop-ment in main cylinder at different crank angles 大，排气损失占比明显减少，但传热损失的增加幅度更大(燃烧损失占比极小，未展示)传热损失的大幅度增加导致预燃室射流扰动燃烧系统的指示热效率没有提升 图 6b 中，增加预燃室后不同位置的传热损失相对原机都有所增加 射流的作用位置是影响预燃室系统传热损失分布的重要因素，20 时预燃室射流向主燃室的中心发展，使更多的燃油在缸头附近燃烧，导致缸头的传热损失增加明显；110时射流沿着活塞顶发展，当活塞下行后，射流又对缸套进行冲刷，导致活塞和缸套的传热损失增加明显 预燃室射流扰动燃烧系统的传热损失增加，一方面，由于预燃室射流促进了主燃室内快速放热，导致缸内温度增加，传热温差增大；另一方面，高速的预燃室射流及受其影响的缸内混合气的运动使各个壁面附近的湍流动能增加，对流换热系数增大，最终使传热损失增加20 时，射流向燃烧室中心发展，对活塞和缸套的冲刷较少，因而传热损失更少，取得了较高的热效率 （a）能量分布 （b）传热损失 图 6 原机和预燃室系统的能量分布 Fig.6Distribution of energy of the original engine and the prechamber system 2.3 预燃室高度对混合和燃烧过程的影响 预燃室射流虽能有效缩短燃烧持续期，但大幅增加了传热损失 从图 5 中 30CA ATDC 时的射流情况可知，此时预燃室射流存在，但在射流的发展路径上几乎没有燃油，说明此时射流对油、气混合促进作用很小，却增大了传热量，不利于热效率提升 预燃室的体积是决定射流持续时间的重要因素，为了进一步提高热效率，建立了不同预燃室高度 h 的模型，研究不同射流持续时间对预燃室射流扰动燃烧系统的混合及燃烧过程的影响(20，其余参数见表5)图 7 为不同 h 下的燃烧变化 指示热效率随着 h增加呈先增大后减小的趋势，预燃室总高为 23mm时指示热效率最高(48.72%)，高于原机(48.60%)燃烧持续期随 h 的增加呈下降趋势，但高度过高时燃烧持续期略微增加 图 8 为不同 h(预燃室体积占燃烧室总体积比分别为 3.2%和 8.4%)下的缸内当量比分布和射流发展 预燃室射流持续时间随着 h 降低而下降，20CA ATDC 时，h23mm 的预燃室射流已经消失，而 h48mm 的预燃室射流一直存在，且几乎没有衰减 射 294 内 燃 机 学 报 第 41 卷 第 4 期 流持续时间降低后，燃烧持续期增加，这是由于新形成的浓区无法受到射流的持续影响，导致形成燃油残留区域，增加了燃烧持续时间 此外，预燃室体积的降低使射流发展的距离受到限制，导致对主燃室远侧的油、气混合减弱，降低燃烧速度 h 过高时，射流持续时间过长，传热损失大；h 较低时，预燃室内进气量小，内部燃烧恶化，射流的动量和持续时间均下降，导致主燃室内的燃烧持续期增长，h23mm 时射流平衡了两方面的效果，取得了较高的指示热效率 图 7 不同预燃室高度下的缸内燃烧变化 Fig.7 Variation of combustion conditions in cylinder atdifferent prechamber height （a）h=48 mm （b）h=23 mm 图 8 不同预燃室高度下缸内当量比分布以及射流发展 Fig.8 Distribution of equivalent ratio and jet develop-ment in cylinder at different prechamber height 2.4 预燃室喷油量对油、气混合和指示热效率的影响 图 9 为预燃室射流扰动燃烧系统(h23mm，其余参数见表 5，保持总的循环油量恒为 192mg)在不同预燃室喷油量下的燃烧变化 燃烧持续期随着预燃室喷油量从 4mg 逐步增加至 14mg，呈先减小后增大的趋势，预燃室喷油量为 10mg(占总循环喷油量的 5.2%)时燃烧持续期最短(22.3CA)，不同油量下燃烧相位主要体现在燃烧中、后期，CA50 之间的差异很小 指示热效率随着预燃室喷油量的增加先增大后减小，预燃室喷油量为 10mg 时，指示热效率较高(48.88%)，相对原机提高 0.28%图 10 为不同预燃室喷油量下预燃室和主燃室之间的压差 由图 9 和图 10 可知，燃烧持续期的变化规律和压差峰值的变化规律一致 预、主燃室的压差决定了射流动量的大小，压差增大则预燃室射流动量增加，对油、气混合的改善效果增加，燃烧持续期缩短 压差峰值的大小随喷油量的增加先增大后减小，在预燃室喷油量为 1012mg 左右时压差峰值最大，达到 5MPa 左右 喷油量增加到 14mg 后预燃室压力的峰值明显下降 由于燃烧速度不同，喷油量的大小也会对压差保持的时间产生一定影响，随喷油量增加，压差产生的时间向后小幅度推移，结束时间向后推移的幅度更大，总的持续时间随喷油量增加而延长 预燃室内部的燃油燃烧放热使预燃室的压力比主燃室高，燃烧速度快，放热量大，对应的压差越大，因而随预燃室喷油量增加，压差逐渐增大，持续时间延长 但预燃室内部空间狭小，含氧量低，过多的燃油会导致预燃室内燃烧恶化，预燃室射流动量下降 图 9 不同预燃室喷油量下的缸内燃烧变化 Fig.9Variation of combustion conditions in cylinder at different injection mass of prechamber 图 10 不同预燃室喷油量下预燃室和主燃室之间的压差 Fig.10Pressure difference between prechamber and main chamber at different injection mass of prechamber2.5 喷油定时对油、气混合和指示热效率的影响 图 11 为不同预燃室喷油定时下主燃室内的燃烧变化(预燃室喷油量为 10mg，其余参数见表 5)图11a 中，随着预燃室喷油定时的推迟，燃烧重心(CA50)逐渐向后推移，燃烧持续期随着喷油定时的 2023 年 7 月 聂靖宇等：柴油机预燃室射流扰动燃烧系统的设计与试验 295 变化呈先减小后增大的趋势，喷油定时为 10CA ATDC 附近时燃烧持续期最短 指示热效率随喷油定时的推迟呈先增大后减小的趋势，指示热效率较高点(49.1%)的预燃室喷油定时为 4CA ATDC，比原机提高了 0.5%，燃烧持续期缩短 26.9%图 11b 中，喷油定时为-2CA ATDC 时放热率峰值相较于原机有所提前，但没有明显增加 由于射流作用相位过于靠前，燃油喷雾还未充分发展，导致射流对油、气混合的影响较弱，燃烧持续期和原机相近 预燃室喷油定时的推迟使放热率峰值逐渐推迟，也更能促进燃烧中、后期的油、气混合速率 燃烧中、后期缸内的涡流强度和湍动能会逐渐耗散下降，导致燃烧速度下降，因而提高燃烧中、后期的油、气混合速率更有助于缩短燃烧持续期 但燃烧重心逐渐远离上止点不利于指示热效率的提升，所以指示热效率最高点对应的燃烧持续期并不是最短当预燃室喷油定时推迟到14CA ATDC 时，预燃室射流进入主燃室时喷油过程接近结束，无法对燃油发展路径产生有效影响，导致燃烧持续期增加 （a）燃烧相位和指示热效率 （b）放热率 图 11 不同预燃室喷油定时下的缸内燃烧变化 Fig.11 Variation of combustion conditions in cylinder at different injection timing of prechamber 3 预燃室射流扰动燃烧系统及试验 3.1 试验系统 笔者基于改造的单缸机试验台架及仿真结果，搭建了预燃室射流扰动燃烧系统试验平台 以原机第 1缸作为试验缸(安装预燃室)，其他气缸作为拖动缸，试验过程中拖动缸运行在小负荷工况，由原机的电控系统控制 试验缸具有独立的进/排气系统、燃油供给系统和电控系统，便于实现对试验条件的灵活控制 图 12 为预燃室燃烧系统 预燃室适配套上方插入预燃室喷油器，与高压共轨连接 图 12 预燃室射流扰动燃烧系统试验平台 Fig.12Experiment platform of the prechamber jet dis-turbed combustion system 3.2 试验结果 笔者研究不同预燃室喷油定时及预燃室喷油量对主燃室内部燃烧过程及排放的影响 试验中使用的铝制活塞几何压缩比为 17.5，带有预燃室系统后的压缩比降为 17.0，循环总油量为 200mg(仿真中的使用的柴油替代燃料为正庚烷，192mg 正庚烷热值约等于 200mg 柴油的热值)，表 6 为试验参数 图 13 为不同预燃室喷油定时下的缸内燃烧变化 预燃室的喷油量为 10 mg 与仿真结果相同，发动机的指示热效率随着预燃室内喷油相位的推迟呈先增大后减小的趋势，在喷油定时为 8CA ATDC 时指示热效率较高(48.24%)，过早或过晚的喷油会使指示热效率低于相同工况下的原机 燃烧持续期随着预燃室喷油定时的推迟而逐渐减小，由于预燃室射流的作用相位在一定范围内推迟，能更有效地促进燃油中、后期的混合过程，缩短燃烧持续期 当预燃室 表 6 试验参数 Tab.6 Experiment parameters 参数 数值 转速/(rmin-1)1 200 循环总油量/mg 200(满负荷)负荷/MPa 2.5 预燃室喷油量/mg 4，6，10，14 预燃室喷油定时/()CA ATDC 0，4，8，12 共轨压力/MPa 180 主燃室喷油提前角/()CA ATDC-2 主燃室喷油量 循环总油量-预燃室喷油量压缩比 17.0 进气温度(进气道)/K(3303)进气压力(进气道)/MPa 0.36 EGR 率/%0 296 内 燃 机 学 报 第 41 卷 第 4 期 的喷油定时为 12CAATDC 时，燃烧持续期为26.84CA，相较于原机缩短了 22.3%图 13b 中，放热率计算中所用的体积为预燃室和主燃室的体积之和，压力为缸压传感器测得的主燃室压力 在发动机压缩冲程，因为带有预燃室结构导致压缩比降低，所以预燃室射流扰动系统的缸内压力低于原机；当预燃室喷油后，因预燃室射流对油、气混合的促进作用，燃烧速率提高，缸内压力和放热率峰值明显高于原机 随着预燃室喷油定时的推迟，放热率峰值和缸压峰值逐渐向后推移，燃烧持续期缩短，但燃烧重心远离上止点并不利于指示热效率提高，因而预燃室喷油定时为 12CA ATDC 时燃烧持续期较短，但指示热效率较高点的喷油定时为 8CA ATDC 图 14 为预燃室喷油定时和喷油量对指示热效率和燃烧持续期的影响 图 14a 中，在不同喷油定时下，随着预燃室喷油量的增加，指示热效率呈先增大后减小的趋势，预燃室喷油量为 6mg 时都取得了较高的热效率 预燃室喷油定时为 8 CA ATDC、平均指示有效压力(IMEP)为 2.54MPa 且喷油量为 6mg时，指示热效率为 48.65%，相较于原机的指示热效率 （a）燃烧相位和指示热效率 （b）缸内压力和放热率 图 13 不同预燃室喷油定时下的缸内燃烧变化 Fig.13 Variation of combustion in cylinder at different injection timing of prechamber 提高了 0.47%，燃烧持续期从 35.5CA 缩短至28.5CA，燃烧持续期缩短 19.8%虽然指示热效率随预燃室喷油量的变化趋势与仿真结果相同，但指示热效率较优点对应的预燃室喷油量降低(仿真结果为10mg)，这可能是由于预燃室加工的精度及壁面的光滑程度有限，导致预燃室内部的燃烧状况不佳，预燃室的最佳喷油量减小 图 14b 中，不同喷油定时下，燃烧持续期随预燃室喷油量的增加呈先减小后增大的趋势，并受预燃室喷油定时的影响较大 由于预燃室的射流动量随喷油量增加而上升，但燃油过多会导致预燃室内部燃烧恶化，降低射流动量，造成燃烧持续期增加和指示热效率降低，预燃室喷油量增加到 14mg 时，指示热效率远低于原机 不同预燃室喷油定时下，预燃室喷油量对燃烧持续期的影响也不相同，在预燃室喷油定时为 0 CA ATDC 和 4 CA ATDC、预燃室喷油量为4mg 时燃烧持续期最长，由于预燃室喷油较早，射流作用于主燃室的相位靠前，预燃室喷油量较少又会使射流持续时间降低，射流对燃烧中、后期的油、气混合影响减弱，导致燃烧持续期较长 而预燃室喷油定时为 8CA ATDC 和 12CA ATDC 时，射流的作用相位靠后，射流可以有效影响燃烧中、后期的油、气混合，无需通过增加预热室喷油量来提高射流持续时 （a）指示热效率 （b）燃烧持续期 图 14 不同试验工况下的燃烧变化 Fig.14Variation of combustion conditions at different experiment conditions 2023 年 7 月 聂靖宇等：柴油机预燃室射流扰动燃烧系统的设计与试验 297 间，过多的预燃室喷油量会导致射流动量下降，燃烧持续期增加，因而预燃室喷油量为 14mg 时燃烧持续期较长 图 15 示出预燃室喷油定时为 8CA ATDC 时不同预燃室喷油量对排放的影响 随着预燃室喷油量的增加，soot、HC 和 CO 排放逐渐增加 当预燃室的喷油量增加时，由于预燃室内部空间狭小，油、气分布不均匀，局部的当量比增大，会造成 CO、HC 和soot 排放增加，预燃室壁面附近也可能形成火焰淬熄，造成 HC 排放增加 NOx排放增加主要是由于缸内温度上升，预燃室射流提高了缸内的油、气混合速率，使燃烧更加集中，提高了缸内的温度，导致 NOx排放增加 NOx增加的幅度与缸内放热率有关，取决于预燃室射流的动量和相位 预燃室喷油量过大会导致预燃室内部燃烧恶化，射流动量下降，主燃室内放热率受到影响，缸内温度增加的幅度降低，因而NOx排放与预燃室喷油量并不呈正相关 在指示热效率较高点、预燃室喷油量为 6mg 时，排放水平相对于原机仅略微增加，在可接受的范围内 图 15 预燃室喷油量对排放的影响 Fig.15 Effect of prechamber injection mass on emissions 4 结 论(1)预燃室射流扰动燃烧系统可以利用预燃室射流改变缸内的燃油发展路径或扰动缸内浓区促进油、气混合，缩短燃烧持续期，提高燃烧等容度 (2)预燃室射流的持续时间受预燃室体积的影响，预燃室体积为燃烧室总体积的 3.2%时可取得较高的指示热效率 (3)预燃室和主燃室之间的最大压差随预燃室喷油量的增加先增加后减小；预燃室喷油定时决定了射流作用于主燃室的相位，射流作用于燃烧中、后期更有助于缩短燃烧持续期 (4)预燃室射流扰动燃烧系统可提高柴油机大负荷下的指示热效率，缩短燃烧持续期；预燃室喷油量为 6mg 且主燃室喷油量为 194mg 时，原机指示热效率从 48.18%提升至 48.65%，燃烧持续期从35.5CA 缩短至 28.5CA，缩短 19.8%参考文献：1 张志强，刘一泽，邬斌扬，等.喷孔直径对重型柴油机燃烧和排放的影响J.内燃机学报，2022，40(2)：97-105.2 林伯强.新能源车发展主要矛盾已转变政府补贴如何助力实现碳中和目标N.第一财经日报，2020-12-16.3 吴学舜，楚云路，胡明艳，等.预燃室式天然气发动机燃烧及排放性能模拟J.中国科技论文，2018，13(24)：2815-2823.4 苏万华，赵华，王建昕.均质压燃低温燃烧发动机理论与技术M.北京：科学出版社，2010：25-30.5 隆武强，田江平，冷先银，等.内燃机双燃料燃烧系统：中国，CN101571069BP.2010-08-18.6 Choi C Y，Foster D E.In cylinder augmented mixing through controlled gaseous jet injectionC/1995 SAE International Fall Fuels and Lubricants Meeting and 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