轻量化单缸短行程直喷式柴油机喷油器和燃烧系统匹配研究

韦海燕，杨　耿，何　然，周晓蓉

（1.广西大学机械工程学院，广西 南宁530004；2.广西贵港动力股份有限公司，广西 贵港537100）



轻量化单缸短行程直喷式柴油机喷油器和燃烧系统匹配研究

韦海燕1，杨耿1，何然2，周晓蓉1

（1.广西大学机械工程学院，广西 南宁530004；2.广西贵港动力股份有限公司，广西 贵港537100）

摘要：为了改善轻量化的GD190单缸短行程直喷式柴油机的工作性能，建立了三维动态CFD模型并进行了模拟计算，重点分析了喷油器的安装深度，以及油束夹角对缸内气流运动的影响。计算结果表明：在燃油开始喷射后，环形空间中的气体向内流到燃烧室，与油束切向力的相互作用，在油束夹角较大时，在油束上部形成明显的漩涡；油束下方气流基本保持油束带动的漩涡流动。

关键词：单缸直喷式柴油机；喷油器；燃烧系统

影响小缸径单缸直喷式柴油机燃烧系统的主要因素有：进气系统、喷油系统、燃烧室形状［1］。良好的缸内气流运动是单缸直喷式柴油机形成良好混合气，是降低排放的重要途径［2］。合理选择柴油机喷油系统参数、燃烧室形状、进气道的结构，对减少燃油系统参数组合方案的数量、试验的工作量和盲目性，节约成本，加快产品开发的进程无疑是十分有益的。

GD190单缸直喷式柴油机进行轻量化设计后，柴油机质量轻（65 kg），行程短（80 mm），汽缸盖上的零件分布较为密集，出现柴油机冒黑烟、动力和经济性不好的问题。经分析螺旋进气道和燃烧室的结构布置受到限制，进气道的流通特性不好，压缩终了混合气的温度和压力也不够高，需要适当的进气涡流与燃烧室和喷油器进行配合，以形成良好的混合气。目前已经对螺旋进气道进行了研究，并取得了一定的进展［3］。

为了进一步改善发动机的工作性能，现对喷油器的雾化与燃烧系统的匹配进行研究。使用AVL软件对不同喷油器与燃烧室的匹配进行模拟，对缸内气体流动以及发动机的排放进行分析，选取合适的喷油器，并且确定适当的安装位置，最后通过实验验证了模拟的可靠性，改善了柴油机冒黑烟的问题，提高了柴油机的动力和经济性。

1　燃烧系统匹配原理分析

直喷式单缸柴油机气缸盖较小，结构非常紧凑，小缸径单缸直喷式柴油机燃烧室的尺寸较小，喷射油线较短，给组织燃烧过程带来了很大的困难，工作时多数燃油喷到燃烧室壁面上，影响油气混合，因此进气系统要有较强的涡流［4］，以便使燃烧系统能够形成质量较高的混合气，通常采用螺旋进气道与ω型燃烧室进行组合，同时配以适当的喷油器的结构和布置形式。

根据分析，多孔小孔径喷油嘴在ω型这种圆周半径相等的燃烧室中，油线愈多，分布愈均匀，燃油的浓度反差愈小，与空气的混合则越好，燃烧也越好，容易取得较好的经济性指标和排放值［5］。但是油孔愈小、孔数愈多、需要油压愈高，制造的难度越大，使用可靠性越差。因此应适当选择喷油嘴的孔数和相关参数［6］，并且对喷油器与燃烧系统的匹配进行仿真研究。

2　仿真参数选取

（1）进气道

根据文献［3］利用FIRE建立相应的进气道三维模型，选取进气涡流比SR=1.9［3］.

（2）选取喷油器的结构参数

喷油器的结构参数与喷孔的总面积有关。考虑到采用高的最高喷射压力，最重要的是高的平均有效喷射压力，它不但较全面地反映喷油过程的混合能量，而且包括提高喷孔中燃油平均流速Wn，将促进柴油机燃烧过程的改善。根据实际情况，选取喷油持续角φi=21°CA，喷孔中燃油平均流速Wn=180 ～200 m/s.可求得柴油机所需喷孔总面积为：

式中:

Q为最大循环喷油量（mm3/循环）；

Wn为喷孔中燃油的平均流速（m/s）；

ti为喷油持续时间（s），ti=φi/6n（φi是喷油持续角，曲轴转角/度）；

n为发动机转速（r/min）。

根据伯努利方程有：

式中：

μ为喷孔的流量系数，对于制造质量较好的进口喷油嘴一般可取μ=0.7.但是，对于国产油嘴一般只能取μ=0.6；

ρ为燃油密度（kg/m3）.一般取ρ=0.84103 kg/m3.

现代高压直喷式柴油机理论认为，不仅要有高的最高喷射压力，更重要的是要追求高的平均有效喷射压力△p=pi-pa，它不但较全面地反映喷油过程的混合能量，而且从式（2）可以看出，由于△p的提高，Wn提高，从而将促进柴油机燃烧过程的改善。由式（1）、（2）两式可得平均有效喷油压力的估算公式。

式中：

d2为喷孔的直径（m）；

i为喷孔数。

根据国内外相关资料介绍，并考虑到我们的实际情况，取φi=20°CA左右最佳，Wn=180～200 m/s.因此，根据公式（1）可求得柴油机所需喷孔总面积为:

当选用i=5孔的喷油嘴时，喷孔直径应为：

因此，可选用孔径为0.27 mm、孔数为5的国产喷油器［4］。喷油器喷孔的夹角以及喷嘴深入汽缸的深度应由匹配实验确定，它必须与燃烧、进气系统相适应。

喷油器喷孔夹角是一个十分重要的参数，喷孔夹角太小，可能会将燃油集中喷射在燃烧室底部，此处流速较低，较难形成可燃混合气。对于小型单缸直喷式柴油机若没有形成足够强的气流运动，则使得燃油无法和空气充分混合，造成燃烧不充分，使排放增加；喷孔锥角太大，一方面会将燃油喷入余隙内部，余隙内部氧气较少，燃油无法充分燃烧，生成大量碳烟，另一方面没有充分利用高速油束的贯穿作用，燃油不能顺利的进入燃烧室内部容积，同样不利于缸内的燃烧。因此有必要对喷孔锥角作对比模拟计算。

燃油自喷嘴喷出以后，遇到缸内温度较高的空气而蒸发。随着喷油油量的不断增加，燃油在高压喷嘴的作用下迅速进入气缸，燃油油束密度较大，油束进入气缸的速度较快，对缸内混合气的形成影响较大，燃油的雾化还喷油器与燃烧室的匹配有关。在这里我们设计了三种喷油器与燃烧室的配合：A组喷孔锥角为150°，喷油器深度（喷油器头部突出燃烧室的高度）2 mm；B组喷孔锥角140°，喷油器深度2 mm；C组喷孔锥角150°，喷油器深度3 mm.同时设定柴油机喷油提前角和持续角均为21°.

3　仿真

根据上述参数对喷油和燃烧过程进行仿真分析。在喷雾中期（图1）时的速度分布可以看到，射流速度很快，在喷雾射流周边区域有形成强烈的切向运动，油束周围有明显的旋涡，影响了整个缸内流场的分布。随着喷雾过程的进行，油束的切向作用扩散到了整个燃烧室。（图2）及360°CA时的速度矢量可以得到，燃油喷射流切向作用的影响增大，整个缸内流场的流线进一步发生变化，涡旋团随燃油的喷射进行而变大。油束所产生的附加湍流可以达到由旋流与挤流的相互作用所产生的最高湍流水平。从图2中可以看出：当燃油喷射中期时，由于油束的速度快，油束带动周围气流向喷注方向运动，形成的挤流和旋流从油束的上下2个方向分别冲击油束，在油束下部形成明显的漩涡，增强了液滴颗粒与空气的混合。压缩行程末期，由于活塞上行，环形空间中的气体向内流到燃烧室，与油束相互影响，在燃烧室顶部形成了较小的涡流，室内的混合气流出，使其进一步和气缸内的空气混合燃烧。燃烧开始后，缸内气流漩涡的流动有利于火焰向油束喷注方向传播，也带走了已蒸发的燃油组分，便于油束内部的燃油颗粒的混合与蒸发。由图1可以看出在燃油喷射中期，A组较B组能在气缸顶部产生明显涡流，这对改善采用孔数较少、孔径较大的喷油器的短行程高速单缸柴油机的雾化很有帮助。由于喷孔离气缸顶部较近，在图1a中，油束上部分的涡流比较扁平。这可能使燃油蒸汽过多的附着在气缸顶部，这种情况不利于燃烧。为了解决这个问题，考虑采用改变油嘴高度的方法。所以在这里设计了第三组（C组）喷油器与燃烧室的配合：喷孔锥角为150°，喷油器深度3 mm.如图3所示。可以看到在348°时油束上部分的涡流变大。

图2　360°CA缸内流场速度图

图3　C组缸内流场速度图

燃烧室内燃烧过程气体流动组织得好，可燃混合气的形成质量就好，压力升高取得的峰值相应地就比较大。由图4可以看到A组缸内压力峰值略高于B组，C组略高于A组，并且三条曲线随曲轴转角变化的趋势是一致的。

图4　缸内压力图

图5是软件模拟原机计算得出的缸内平均NOx质量分数生成变化曲线。从该图中可以看出，上止点附近缸内的NOx生成率很高，几乎所有的NOx都是在从350°附近到390°附近这个阶段生成的。这是由于随着扩散燃烧的进行，缸内的平均温度急剧升高，因此NOx的生成量也迅速得以升高。在曲轴转到390°之后，由于缸内平均温度在达到最大温度后逐渐下降，这时NOx生成量逐渐降低。在B组中，由于没有合理的利用环形空间流到燃烧室的气流与油束切向力的相互作用，使得没有利用好气缸盖顶部空间，燃油蒸汽雾化不均匀，产生了高温富氧区，使得NOx排放较高。而C组与A组的气流分布较为相识，但C组在气缸顶部可利用的空间更大，这有利于燃油的雾化。如图4所示，可以看出A组在355°CA较C组先生成NOx.在约为510°附近，基本达到了N0x的生成极限，缸内的NOx生成量也因此基本稳定，最终A组的NOx质量分数为4.06×10-5，而B组的NOx质量分数为4.85×10-5，比A组高19.5%.C组的NOx质量分数为3.78×10-5，比A组低6.9%.在油束将燃烧室分割的上下部分产生的螺旋气流使燃油蒸汽与空气混合良好，减少了高温区局部氧气过浓，减少了NOx的生成。

图5　平均NOx质量分数

图6为模拟计算得出的缸内Soot平均质量分数生成变化曲线。从图中可以看出，在喷油后的13°（上止点前7°），缸内的Soot生成量开始慢慢的增加，从363°附近由于部分燃油开始燃烧，缸内的温度急剧增大，部分燃油没有与氧气混合均匀，开始大量生成碳烟。随后，燃烧室内存在的涡流将油束分割，混合燃烧的产物又将油滴包围，同时在高温的情况下，混合物加速了碳烟的氧化，从而使碳烟的生成在燃烧过程中逐渐减小。到375°时，A组缸内的碳烟质量分数达到了最大，峰值为3.5×10-6.而后扩散燃烧，由于Soot在600℃以上都能被氧化，而在1 600℃以上极易生成，故Soot一边生成，一边被氧化。所以形成的结果就是，从图6可明显看出，Soot质量分数大幅度下降，不过随着曲轴转角的增加，下滑的幅度越来越小，趋于平稳。在曲轴转角为440°时，A组的Soot的质量分数为0.83×10-6，而B组的Soot的质量分数为1.1×10-6，C组的Soot的质量分数为0.82×10-6.由于B组未能有效的利用环形空间流到燃烧室的气流与油束切向力的相互作用，组织好良好的缸内流动，使得燃烧不完全，导致Soot生成量较高，排气冒黑烟。而A的燃烧室顶部燃油蒸依附在燃烧室顶部，油膜蒸发的多，在刚开始燃烧时碳烟生成高于C组，但随着活塞的运动，油膜蒸发完全，以及燃烧的扩撒，所以在最后它们的Soot排放在440°CA时几乎一致。总之，碳烟氧化后的排放值的变化规律是缸内的氧化质量和最大生成量的综合反映。

图6　平均碳烟质量分数

图7曲轴转角354°时的喷雾液滴俯视图可以看出，燃油喷射后，油束的温度迅速提高，油束的内部由于燃油的浓度较高，暂时无法与空气报好的混合，油滴也相对较大，所以温度较低，图中深色的油滴可以证实。油束的外部由于缸内空气的扰动加速了燃油的雾化，逆时针旋流使油滴散开，油气的混合面积增加，油滴的温度也因此较高，如图中浅色的油滴所示。

图7354　°CA时的喷油雾化图

从以上三组模型的计算结果可以看出：采用A组时，油束在缸内扩展的过程中，燃油蒸汽前期依附在气缸顶面附近，然后再向周围扩散，蒸汽没有充分地和燃烧室内的空气混合。采用C组时燃油蒸汽脱离了燃烧室顶面，在喷油初期蒸汽分布比较合理。随着喷油油量的增加以及活塞的上行，喷射在燃烧室底部的燃油增多，但燃油在燃烧室加热的作用下，开始蒸发，蒸汽分布情况如上图7所示。在喷雾后期，燃油充分利用了燃烧室的形状，较好的穿透整个燃烧室，使得燃油蒸汽和空气充分的混合，实现了油气的均匀性混合。同时，适合的油束夹角使燃油顺着气流流动，并且在空气的涡旋中充分与空气混合。对比A、B、C三组的仿真数据，C组有着稍高的缸内压力、较低的NOx与Soot排放。另外，对比三种状态下的流场分布，可知道调节喷孔锥角及喷油器深度可以影响缸内流动与排放。喷雾过程中，射流的剪切作用是影响缸内流动状态的主要因素。通过仿真分析，选择5孔、孔径0.27的国产喷油器，并且设置喷孔锥角150度、喷孔深度为3 mm是最合理的布置形式。

4　实验分析

实验在发动机试验台架上进行，对象为一台单缸直喷式GD190柴油机，其主要规格如表1.实验环境为28℃，大气压为99.8 KPa.

表1　GD190柴油机主要技术规格

实验测试装备示意图如图8所示，其中采用FC2210Z智能油耗仪用来测量油耗，水力测功机用来测量柴油机的输出扭矩，温度传感器及数码显示器测量排气温度。

图8　台架实验设备

5　结果分析

（1）模型的验证

图9为发动机在2 600 r/min全负荷工况条件下，缸内压力试验结果与模拟结果的对比。从图中可以看出，尽管模拟结果和试验结果之间存在一定的误差，但是误差在5%的范围内，从而证明模拟计算所建立的模型是可信的。

图9　缸内压力对比图

（2）排气温度

排气温度是柴油机的重要参数，通过它可了解柴油机雾化和燃烧性能的好坏。表2是台架试验中我们测得的排气温度。

表2　不同组别在2 600 r/min全负荷下的排温

在喷孔锥角为150°的情况下，油束将缸内气体分割，以及油束所产生的切向力使燃油蒸汽流动与燃烧室充分配合，使燃油雾化更好，燃烧更为完全，且A组与C组的排气温度比B组的要低，从而降低了NOx排放，这与仿真分析是相对应的。

6　结束语

（1）针对轻量化单缸短行程直喷柴油机冒黑烟、动力性和经济性差的问题，估算喷油嘴的喷孔大小，对喷孔锥角和喷油器的深度进行优化，提高了柴油机的经济性和排放性能，对柴油机的改进节约了时间与经济，并提供了可行的方案。

（2）通过喷油器结构参数的优化，选取90缸径80行程单缸直喷式柴油机合适的喷也锥角为150度，喷油器深度为3 mm，可有效地组织燃烧室内的气流运动，改善发动机的燃烧过程。

（3）为了降低高速短行程单缸柴油机的排放，改善其动力经济性，需要选取较大的喷孔锥角，合理利用环形空间中的气体流动，与油束切向力的相互作用。同时喷油器的深度不能太浅，以避免燃油蒸气过多依附于燃烧室顶部，不能形成较强的气流涡漩运动。

参考文献：

［1］林学东，宋涛.车用柴油机低排放缩口燃烧系统的优化［J］.吉林大学学报:工学版，2007，37（1）：54-59.

［2］石俊伟，张惠明，田远，等.柴油机螺旋进气道设计参数优化的数值模拟研究［J］.内燃机工程，2012，33（5）：79-86.

［3］陆海涵，韦海燕，雷杰超，等.基于稳态流通特性的螺旋进气道结构参数灵敏度分析［J］.装备制造技术，238（15）：18.

［4］吴承雄，杨玟.螺旋进气道-气门-气缸内空气运动的3维数值模拟［J］.内燃机学报，1999，17（1）:62-65.

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［6］李言照，程铁仕.直喷柴油机燃烧室匹配性能研究［J］.山东内燃机，2001，（6）：20-25.

［7］吴晓键，居钰生.直喷柴油机喷油系统参数的合理选择与匹配［J］.内燃机燃油喷射和控制，2000，（3）：32-35.

Study on Matching of Injector and Combustion System for Single Cylinder Direct Injection Diesel Engine with Lightweight and Short Stroke

WEI Hai-yan1，YANG Geng1，HE Ran2，ZHOU Xiao-rong1
（1.College of Mechanical Engineering，Gangxi University，Nanning 530004，China；2.Gui Gang Power Co.Ltd，Gangxi，Gui Gang 537100，China）

Abstract：In order to improve performance of the short stroke of high-speed single cylinder diesel engine，a 3D dynamic CFD model was established，and the CFD simulation was carried out in it.The influence of installation depth of the injector and the angle of the fuel beam on the air flow in the cylinder are analyzed.The simulated results showed that the air flow in the annular space flows inward to the combustion chamber，and the tangential force of the fuel beam is interacting with each other after the fuel injection starting.When the angle of the fuel beam is large，a clear vortex is formed at the upper part of the fuel beam.Below the fuel beam，the vortex flow driven by fuel beam was essential flow type.

Key words：direct Injection single cylinder diesel engine；injector；combustion system

中图分类号：TK422

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）03-0012-05

收稿日期：2015-12-30

基金项目：广西工信委资助项目“GD190（直喷）型柴油发动机新产品合作开发”（编号：20130673）；广西制造系统与先进制造技术重点实验室项目（编号：14-045-15S03）。

作者简介：韦海燕（1963-），女，广西南宁人，博士，副教授，研究方向：机械制造；杨耿（1990-），男，湖北省武汉人，硕士研究生。