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车用柴油机燃烧系统参数优化及其流动分析

林学东  
【摘要】:我国在汽车排放,特别是柴油车排放控制技术方面与欧洲等先进国家相比落后10多年。自从我国加入WTO以后,与国际接轨,从汽车排放控制方面,于2000年后开始逐渐推行欧Ⅰ、欧Ⅱ法规标准。但是从原来的ECE R15/04标准水平,控制排放使其达到欧Ⅰ、欧Ⅱ水平(参见图1-3),其降低幅度之大,对我国汽车行业现有的技术水平来讲,是一个很艰巨的任务与挑战。 柴油机的燃烧过程和排放特性,主要取决于柴油机气缸内混合气的形成。而气缸或燃烧室内的气流运动和燃料的喷雾特性,是影响柴油机混合气形成和燃烧过程的两大重要因素。因此,本文在深入探讨柴油机的主要有害排放物NOx和碳烟的生成机理和特点,以及国内外柴油机排放控制技术的前提下,结合我国现生产的483ZQ型和GW493型轻型车用直喷式柴油机深形缩口型燃烧室,以及6WA1型重型车用直喷式柴油机浅形缩口燃烧室,利用AVL公司提供的FIRE软件,进行了燃烧室内流场的数值模拟计算与分析。并引入涡流强度保持性的概念,作为评价不同结构形状的燃烧室内的气流特性影响扩散燃烧过程的指标参数。 通过模拟计算,分析不同燃烧室结构形状对燃烧室内气流运动特性及涡流强度保持性的影响,结合实际发动机上的排放对比试验结果,进一步明确轻型车用柴油机之所以采用双涡流型中央突起的深形缩口燃烧室结构形状,是由于其使用转速范围高,混合气形成和燃烧时间短,要求加速混合气形成时间和扩散燃烧过程。而这种深形缩口型低排放燃烧室,可有效地控制和强化燃烧室内的气流运动和涡流强度保持性。而对大型柴油机,由于其使用转速范围较低,混合气形成时间相对延长,所以对燃烧室内的气流强度要求较低。因此采用燃烧室底部突起形状为山形的浅形缩口燃烧室结构形状,由此在有效控制燃烧室内的气流强度及其涡流强度保持性的同时,可充分利用燃烧室空间及其气流运动,促进扩散燃烧速度。 WP=115 通过对不同结构形状的深形缩口燃烧室内的流场进行数值模拟计算分析可知,当改变中央突起的底部形状时,对燃烧室内的气流运动分布规律以及涡流强度保持性具有较大影响;在其它尺寸和形状不变的条件下,改变燃烧室缩口形状使之改成阶梯型形状时,对燃烧室内的气流运动分布特性和涡流强度保持性基本没有影响,但是这种结构的燃烧室通过对喷雾的导向作用,改善了喷雾与燃烧室空间气流的匹配状态,所以直接影响柴油机的性能和排放特性;而适当改变挤气面形状时,在涡流强度保持性基本保持不变的条件下,有效地改善燃烧室内的气流运动分布特性和强度。对于这些不同气流分布特性的燃烧室进行台架对比试验的结果也表明,燃烧室内的不同气流特性和强度,对柴油机排放特性的影响比较明显。当控制喷射初期燃烧室内的气流强度时,可有效地抑制NOx排放,同时提高燃烧室内,特别是膨胀过程中的涡流强度保持性,有利于降低CO和HC排放。但是,尽管深形缩口燃烧室的涡流强度保持性较好,但燃烧室内的气流运动分布特性,特别是II型燃烧室的结构特点,使得在膨胀过程中燃烧室缩口处形成明显的涡旋气流运动,所以对大负荷时不利于CO和HC的排放。这就说明在组织燃烧室内的气流运动时,不仅要提高涡流强度保持性,还要组织燃烧室内合理的气流运动分布特性与之相配合,才能达到有效控制排放的目的。 为了有效利用深形缩口燃烧室的结构特点,进行了供油(喷油)系统参数与燃烧室的优化匹配试验研究。作为供油系统参数,主要改变柱塞直径和喷油泵凸轮升程。对于一定的供油量,柱塞直径和凸轮升程的不同,都不同程度地改变供油规律和供油延续时间。对比试验结果表明,对一定形状的深形缩口燃烧室,柱塞直径的变化对柴油机性能和排放特性的影响更明显。对喷油器喷孔直径进行匹配试验的结果也表明,对一定的燃烧室容积,存在着最佳的喷油器总喷射面积,即喷油器的面容比。对一定的喷射压力,此面容比大时,喷雾质量差,所以NOx排放量降低,而CO和HC排放量有所增加;反之相反。试验结果还表明,对于这种燃烧室,在2200r/min以下对应的最佳静态供油提前角为8°CA/BTDC,在额定工况下(3300r/min)的最佳供油提前角也只有12°CA/BTDC左右,表明这种燃烧室对喷注的喷射位置要求比较高,它在整个适用转速范围内最佳供油提前角的变化范围很小。这一点对于使用转速范围较低的大型柴油机所采用的浅形缩口燃烧室更为明显,其最佳静态供油提前角为0~4°CA/BTDC。这也是这种缩口 WP=116 型燃烧室可以有效地降低排放的主要原因。 对于深形缩口燃烧室,若采用喷射压力(20MPa)较低的喷射系统时,为了进一步改善其排放特性,宜采用增压和氧化型催化剂后处理技术。由于增压可增加进气密度,所以对一定的燃烧室内的气流运动分布规律,直接改变单位时间内卷入喷注的空气量,影响燃烧室内空气的利用效果,也就直接影响柴油机的混合气形成过程和扩散燃烧过程,因此通过合理选用增压系统,即可有效地改善柴油机的性能和排放特性。增压器的匹配试验结果表明,当考虑以控制排放为主时,增压比的选择并非越高越好,也存在一个最佳值,当增压比过高时NOx排放明显增加,而CO、HC及烟度的改善效果却很缓慢。采用可变增压系统时,


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