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某四缸乘用車柴油機燃燒系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化

周碩，張衛(wèi)國，王興華，魯志遠，張文超

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，保定071000；

2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，保定071000）

摘要介紹了長城汽車研發(fā)的一款高性能"2.0VGT"柴油發(fā)動機燃燒系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化過程，通過模擬計算發(fā)動機整個工作過程，對進排氣系統(tǒng)和進氣道形狀、氣流運動形式、噴油器噴霧特性、燃燒室形狀進行多方案優(yōu)化選型。研究不同工況下，噴油規(guī)律（次數(shù)、噴油間隔、每次噴油量、噴油時刻）、噴油器特性（噴孔數(shù)量、噴孔直徑、噴油壓力、噴油錐角）的噴霧特性（油滴細化程度、貫穿度）對發(fā)動機性能、排放和油耗的影響規(guī)律。并對發(fā)動機實現(xiàn)國Ⅴ排放要求，對所需要的噴油系統(tǒng)特性及燃燒室形狀進行研究。

關(guān)鍵詞：燃燒系統(tǒng)燃燒室噴油規(guī)律仿真優(yōu)化

來稿日期：2015-02-06

1　概述

燃燒系統(tǒng)開發(fā)一直是國內(nèi)內(nèi)燃機開發(fā)的薄弱環(huán)節(jié)，相關(guān)數(shù)據(jù)庫和開發(fā)經(jīng)驗都較少。穩(wěn)定、高效的燃燒取決于油氣混合的過程和對燃燒過程的控制。因此本課題燃燒系統(tǒng)設(shè)計的難點是通過對油氣混合過程和燃燒過程的研究，設(shè)計與進氣系統(tǒng)和噴油特性相匹配的燃燒室結(jié)構(gòu)。

2　優(yōu)化目標

本次優(yōu)化的主要目標是降低排放和油耗。同時，原始soot水平的降低會減小DPF再生頻率，延長再生間隔；原始NOx水平降低減小了對高EGR率的需求，同樣也起到了改善燃燒和降低油耗的作用。

在本次計算分析中，優(yōu)化的主要方向是活塞燃燒室，期望通過燃燒室型線的優(yōu)化改善排放NOx和soot的折中關(guān)系，并保證達到原機功率和扭矩。

對于NEDC（New European Driving Cycle）循環(huán)的油耗和排放水平的評價，在計算中首先要選擇典型工況點，在實驗選型中，其所用的工況包括17個穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)排放工況點以及十余個外特性工況點。綜合計算成本和對于評價的全面性要求，在此次某四缸柴油機燃燒系統(tǒng)優(yōu)化中選取了權(quán)重最大的四個排放工況點，并驗證最終優(yōu)化方案對外特性四個典型工況點的影響。

3　計算模型的建立和校正

本次優(yōu)化工作使用了AVL Fire 2011的一個新工具DVI，這個工具是一個接口工具，能夠?qū)IRE系列軟件中計算出的結(jié)果以及一些設(shè)置條件提取出來作為反饋或者變量，供多目標優(yōu)化軟件進行變參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化過程中還主要應(yīng)用了FIRE中另一個模塊——ESE DIESEL[1]，這個模塊適用于柴油機的燃燒模擬，根據(jù)噴油器和燃燒室的對稱性，利用簡化模型加快計算速度（例如7孔噴油器只需要建立1/7模型），如圖1所示。

圖1　ESE-DIESEL模型示意圖

3.1計算模型的建立

簡化模型相對于包括氣道在內(nèi)的全模型對計算精度有一定程度的影響，但是計算速度會顯著提高。多目標優(yōu)化在每個工況點共約計算200余個方案進行對比分析，使用全模型會使計算成本難以接受。除此之外，使用ESE DIESEL模塊可以將活塞簡化模型實現(xiàn)參數(shù)化，通過參數(shù)調(diào)整來達到改變活塞形狀的目的，故采用DVI和ESE DIESEL兩個模塊聯(lián)合進行本次活塞燃燒室的優(yōu)化工作。為了提高計算精度，首先利用全模型計算進氣行程，將得到的進氣門關(guān)閉時刻的瞬態(tài)渦流比作為ESE DIESEL模塊的缸內(nèi)氣流運動的初始條件。

整個計算流程如下：首先使用AVL-BOOST建立一維整機模型，然后從一維模型中提取邊界條件和初始條件輸入3D-CFD軟件FIRE，計算進氣行程。將FIRE計算得到的進氣門關(guān)閉時刻的瞬態(tài)渦流比作為ESE DIESEL模塊的缸內(nèi)氣流運動的初始條件。

在建立ESE DIESEL的活塞燃燒室模型過程中，由于是參數(shù)化建模，所得到的燃燒室型線與實際模型會有一定的誤差，因此需要對型線進行校核，如圖2所示，ESE DIESEL的活塞型線為黑色線條表示，藍色區(qū)域為實際的活塞形狀，可以看到兩者有一些差異，但是非常小。

圖2　燃燒室計算模型與實際模型的對比

3.2燃燒模型的校正

燃燒模型采用ECFM3Z，經(jīng)驗常數(shù)包括點火模塊參數(shù)（Auto ignition model parameter）、熄火溫度（Extinction temperature）和化學(xué)反應(yīng)時間（Chemical reaction time），噴霧模型采用WAVE，主要經(jīng)驗常數(shù)包括C2，需要用實驗數(shù)據(jù)對這些參數(shù)進行校核。校核中通過調(diào)整這些參數(shù)，使計算的缸壓曲線及放熱率曲線與實驗值吻合。

3.3評價指標

排放區(qū)的評價指標主要是兩項排放指標NOx、soot以及平均指示壓力pi，其中NOx和soot表征發(fā)動機的排放水平，pi表征發(fā)動機的做功能力。這里，NOx和soot分別為排氣行程開始時的缸內(nèi)對應(yīng)濃度，質(zhì)量百分數(shù)；同時由于在計算中同一工況點噴油量保持不變，因此，pi同時也反映了油耗水平。

為了評價燃燒室方案在排放區(qū)四個工況點的綜合表現(xiàn)，特定義了以下幾個綜合評價指標：

持續(xù)時間為NEDC測試循環(huán)中對應(yīng)工況的持續(xù)時間，總質(zhì)量為缸內(nèi)物質(zhì)的總質(zhì)量，包括空氣、燃油以及反應(yīng)后的物質(zhì)。NOx的綜合指標的意義為在一個NEDC循環(huán)中4個排放工況點總的NO排放量，soot的綜合評價指標和NO的意義相似，pi的綜合評價指標的意義為4個工況的加權(quán)之和。

為了更清晰地表達各個燃燒室方案的差異，特定義了各個方案評價指標之差，用這3個綜合評價指標改進前后的變化率來表示。如平均指標壓力pi之差如下式，NO之差和soot之差與pi之差的定義相似。

4　噴油器的優(yōu)化[2]

噴油器的主要參數(shù)包括噴孔孔徑、噴孔相對缸蓋底面的突出高度、噴霧錐角。其中噴孔孔徑主要由最大功率決定，本次優(yōu)化重點在于噴孔突出高度和噴霧錐角。

4.1噴孔突出高度的影響

在性能開發(fā)過程中突出高度可以通過使用不同厚度的墊片調(diào)整，在性能開發(fā)過程中最終優(yōu)化墊片厚度為3 mm，噴油器噴孔距缸蓋底面實際突出高度為0.88 mm。

本次優(yōu)化計算中考察了4種噴孔突出高度，分別為0.88、1.38、1.88和2.38 mm。評價工況采用四個排放點。由圖3中可見，不同噴孔突出高度對平均指示壓力（油耗）的影響較小。

圖3　噴孔突出高度對平均指示壓力的影響

圖4為噴孔突出高度對于四個排放點NO和soot排放的影響，由圖4可以看到，噴孔突出高度為0.88 mm時，在75 N·m（1 520 r/min）、25 N·m （1 880 r/min）、200 N·m（2 010 r/min）這3個工況都取得了最優(yōu)的NO和soot排放折中效果，在110 N·m（1 850 r/min）工況，也NO和soot排放處于較優(yōu)水平，0.88 mm噴孔突出高度在排放區(qū)綜合表現(xiàn)最優(yōu)，和試驗結(jié)果完全吻合。因此原機方案的噴孔突出高度為最優(yōu)位置，無明顯優(yōu)化空間。

圖4　噴孔突出高度對NO和soot排放的影響

4.2噴霧錐角的影響

噴霧錐角是油束的中心相對于氣缸中心的夾角，發(fā)動機噴油器的噴霧錐角為156毅，半錐角為78毅。在優(yōu)化噴霧錐角時，以原機的156毅錐角為基礎(chǔ)，考察了152毅、154毅、158毅和160毅在4個排放工況點的表現(xiàn)。圖5所示為不同噴霧錐角對平均指示壓力pi的影響。由圖中可得，平均指示壓力隨噴霧錐角的增大呈現(xiàn)降低趨勢，但是差異很小。

圖5　噴霧錐角對平均指示壓力的影響

圖6為噴霧錐角對于NO和soot排放的影響?？梢钥吹?，隨著噴霧錐角的增大，4個工況點的變化趨勢不一致。其中75 N·m（1 520 r/min）和110 N·m（1 850 r/min）2個工況的soot排放隨噴霧錐角的增加而升高，NO排放隨噴霧錐角的增加而降低；而其余2個工況，隨噴霧錐角的增大，soot和NO的折中關(guān)系趨于優(yōu)化。綜合考慮4個工況點，原機的156毅噴霧錐角處于較優(yōu)的位置，因此噴霧錐角無明顯的優(yōu)化空間。

對噴油器的優(yōu)化計算結(jié)果表明，原機的0.88 mm噴孔突出高度處于最優(yōu)水平，且156毅噴霧錐角在4個工況點的綜合排放較優(yōu)，均沒有優(yōu)化空間。因此以下的計算過程中采用的噴油器參數(shù)保持原機狀態(tài)。

圖6　噴霧錐角對NO和soot排放的影響

5　活塞燃燒室的優(yōu)化[3]

圖7　優(yōu)化流程圖

活塞燃燒室的整個優(yōu)化流程如圖7所示。由于燃燒室參數(shù)眾多，如果同時進行優(yōu)化，則計算負荷非常高，因此采用了分階段優(yōu)化的方法。首先是表征活塞燃燒室最重要的2個參數(shù)——口徑比和深徑比的優(yōu)化，從中選出較優(yōu)的方案。在此基礎(chǔ)上優(yōu)化凸臺的高度和寬度，然后進行燃燒室凹坑半徑、縮口比及縮口形狀的優(yōu)化，最后對凹坑的容積進行調(diào)節(jié)，保證壓縮比不變。以上優(yōu)化流程針對的是排放區(qū)，重點考察soot和NOx的折中關(guān)系，最后對優(yōu)化方案驗證其在外特性的表現(xiàn)，確保功率和扭矩的設(shè)計指標。

5.1優(yōu)化口徑比和深徑比

保持縮口比不變。圖8為ESE DIESEL中使用的活塞頂部形狀的模版?？趶奖群蜕顝奖鹊淖兓ㄟ^變化R3的橫坐標和縱坐標實現(xiàn)，縮口比通過變化Di的值實現(xiàn)。過程中，壓縮比通過調(diào)節(jié)補償容積保持不變。

圖8　活塞模版

圖9所示為口徑比和深徑比優(yōu)化過程中所有的計算方案示意圖。其中矩形點為發(fā)動機原機燃燒室。根據(jù)前期經(jīng)驗和BOSCH對于歐Ⅴ以上柴油機燃燒室的建議，該發(fā)動機燃燒室口徑比偏大而深徑比不足。因此計算方案主要覆蓋了口徑比縮小和深徑比增加的方案，其中口徑比變化范圍為0.56~0.67，深徑比變化范圍為0.24~0.295，共計72個方案。

圖9　計算方案示意圖

根據(jù)前期經(jīng)驗和BOSCH對于歐Ⅴ以上柴油機燃燒室的建議，某該發(fā)動機燃燒室口徑比偏大而深徑比不足，因此計算方案主要覆蓋了口徑比縮小和深徑比增加的方案，其中口徑比變化范圍為0.56~0.67，深徑比變化范圍為0.24~0.295，共計72個方案。

綜合評估72個計算方案在排放區(qū)的平均指示壓力pi、NO以及soot，選出了最優(yōu)結(jié)果：優(yōu)化方案的口徑比仍為0.66，深徑比由0.24變?yōu)?.27。

圖10為綜合評價指標示意圖。從圖10可以看到優(yōu)化方案與原機相比，對平均指示壓力pi幾乎沒有受到影響，而soot排放大幅度降低，達33.77%，NO也降低了14.83%。

圖10　綜合評價指標示意圖

5.2優(yōu)化凸臺高度和寬度

在確定了燃燒室口徑比和深徑比的優(yōu)化方案基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化燃燒室凸臺高度Dm和寬度Tm。通過改變凸臺高度和寬度，共得到20個方案，其中凸臺高度Dm變化范圍為3.5 mm至7.5 mm，凸臺寬度Tm變化范圍為2 mm至5 mm，計算方案如圖11所示。

圖12為20個方案的綜合評價指標的計算結(jié)果，其中3個方案由于計算結(jié)果發(fā)散，沒有得到結(jié)果，故未在圖中繪出?？梢钥闯觯琋Ox和soot的折中關(guān)系相比原機并未體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢：或者變化率較小，或者soot的降低帶來NOx的明顯升高。因此原機的凸臺高度和寬度處于較優(yōu)水平，沒有繼續(xù)優(yōu)化的空間。仍以口徑比和深徑比優(yōu)化后的結(jié)果作為基礎(chǔ)，進行下一步的優(yōu)化。

圖11　計算方案示意圖

圖12　排放改進效果對比

5.3優(yōu)化凹坑半徑

下一步對活塞燃燒室的凹坑進行優(yōu)化，即R3半徑。過程中為了保持口徑比和深徑比不變，在變化R3的同時調(diào)節(jié)了R3的橫坐標和縱坐標。R3半徑的變化范圍從4.5 mm至6.5 mm，共計11個方案，其中圓點為口徑比和深徑比優(yōu)化后的原機結(jié)果，見圖13。

圖14為11個方案的計算結(jié)果其中圓點為口徑比和深徑比優(yōu)化后的結(jié)果，圖中soot和NO綜合評價指標是軟件的評價參數(shù)，沒有物理量綱?？梢钥吹交钊紵野伎影霃絻?yōu)化對NO和soot的折中關(guān)系沒有得到明顯的改善，以下的計算中仍保持R3=5.5 mm。

5.4優(yōu)化縮口比及縮口形狀

圖13　R3半徑計算方案示意圖

圖14　R3半徑計算方案示意圖

由于凸臺高度和寬度以及凹坑半徑的優(yōu)化對NOx和soot排放均沒有明顯的改善效果，因此繼續(xù)在口徑比和深徑比優(yōu)化后的基礎(chǔ)上作進一步優(yōu)化。決定縮口特征的關(guān)鍵參數(shù)主要有Di、R2半徑以及R2的縱坐標，這些尺寸必須相互配合，否則就會出現(xiàn)不平滑過渡。通過改變直徑Di為Ф50.8 mm、Ф48 mm和Ф46 mm，并且每個Di的尺寸下對應(yīng)若干R2的數(shù)值和R2的縱坐標共計有27個方案。

綜合排放區(qū)四個排放點的表現(xiàn)從27個方案中選取了最優(yōu)結(jié)果，其綜合評價指標相比優(yōu)化前（即口徑比和深徑比的優(yōu)化結(jié)果）如圖15所示.可以看到，優(yōu)化縮口比與縮口形狀主要降低了NO排放，達到26.35%，soot略微降低了4.72%，對平均指示壓力略有影響為0.89%。

優(yōu)化后的趨勢是縮口進一步減小，直徑Di由Ф50.8 mm減小到Ф48 mm，R2由1.84 mm減小至1.5 mm，R2的縱坐標保持不變。

圖15　綜合評價指標示意圖

5.5優(yōu)化燃燒室容積

在之前的優(yōu)化過程中，保持壓縮比不變是通過調(diào)節(jié)補償容積的大小來實現(xiàn)。在確定了口徑比、深徑比、縮口比等關(guān)鍵參數(shù)后，本節(jié)通過調(diào)節(jié)燃燒室的容積保證壓縮比不變，即同時調(diào)節(jié)R3圓心的橫坐標和縱坐標來實現(xiàn)，共8種方案，如圖16所示。

圖16　方案示意圖

綜合排放區(qū)4個排放點的表現(xiàn)，從8個方案中選取了最優(yōu)結(jié)果，如圖17所示。此處對比基準為原機狀態(tài)，而不是口徑比和深徑比優(yōu)化后的方案。從圖中可以看出，相比原機狀態(tài)，soot的綜合評價指標降低了50.83%，NOx降低了14.42%，平均指示壓力pi略有降低，為1.37%。

最終優(yōu)化后的燃燒室參數(shù)為：燃燒室最小直徑Di由Ф50.8 mm減小到Ф48 mm，口徑比由0.664變?yōu)?.653，深徑比由0.24變?yōu)?.26，縮口比由0.96調(diào)整為0.88。

圖17　調(diào)節(jié)燃燒室容積的結(jié)果示意圖

5.6改進效果評價

均勻性是表征缸內(nèi)油氣混合程度的一個指標。對于柴油機，快速的混合消除濃區(qū)是降低soot的有效措施。在圖18中，將110 N·m（1850 r/min）工況下的燃燒室容積優(yōu)化后的結(jié)果與原機狀態(tài)進行了對比。可以看到，在預(yù)混和擴散燃燒階段二者的均勻性相差無幾，但是在后期氧化過程中二者出現(xiàn)了明顯的差異：優(yōu)化方案明顯加速了后期的混合，因此顯著降低了soot排放。

圖18　均勻性示意圖

當(dāng)量比-溫度圖（Φ-T）是柴油機排放指標的主要評價手段，如圖19所示。在某一曲軸轉(zhuǎn)角下，Φ-T圖上覆蓋的區(qū)域表示了所有的計算單元當(dāng)量比－溫度的分布關(guān)系，同時Φ-T圖上還標出了soot半島區(qū)域及NOx半島區(qū)域。

圖19　優(yōu)化前后Φ-T圖對比

可以看到優(yōu)化方案計算單元的最濃當(dāng)量比較稀，表示油氣混合的程度更好；在soot半島所占的區(qū)域較小而且對應(yīng)的單元溫度高，對soot的后期氧化有利，這可以解釋soot大幅降低的主要原因。

5.7外特性驗證

綜合排放區(qū)4個排放點的表現(xiàn)，活塞燃燒室型線的最終優(yōu)化結(jié)果大幅度降低了soot排放，同時NO也有一定程度的降低，因此在排放區(qū)明顯優(yōu)于原機方案。本節(jié)對優(yōu)化方案在外特性的表現(xiàn)進行評估，驗證其對功率和扭矩指標的影響。選取工況為外特性上4檔轉(zhuǎn)速800 r/min、1 800 r/min、2 800 r/min和4 000 r/min，評價指標分別為未燃當(dāng)量比（表示燃燒完全程度）、soot、平均指示壓力pi（功率和油耗），在計算中采用原機的噴油策略，沒有進行調(diào)整。優(yōu)化前后的平均指示壓力pi對比如圖20所示，soot排放的對比結(jié)果如圖21所示，未燃當(dāng)量比的對比結(jié)果如圖22所示。

圖20　平均指示壓力對比

圖21　外特性soot對比

可以看到，優(yōu)化方案對外特性平均指示壓力影響不大，800 r/min時的平均指示壓力降低了1.28%，1 800 r/min時的平均指示壓力增加了0.64%，2 800 r/min時的平均指示壓力增加了2.18%，而4 000 r/min時的平均指示壓力幾乎保持不變。以上結(jié)果是在噴油策略沒有優(yōu)化的情況下得到的，說明了優(yōu)化方案可以達到原機的功率和扭矩水平。

圖22　外特性未燃當(dāng)量比對比

可以看到，優(yōu)化方案在外特性各個工況點的soot排放大幅度降低，尤其是4 000 r/min的工況點，soot排放降幅極為明顯，說明優(yōu)化方案提升功率和扭矩水平的潛力更高。

6　結(jié)論

本次優(yōu)化設(shè)計，針對排放和油耗的優(yōu)化，選取了權(quán)重較高的4個典型工況點。根據(jù)試驗結(jié)果對噴霧和燃燒模型進行了校準，在此基礎(chǔ)上對柴油機活塞燃燒室進行參數(shù)化建模，利用多目標優(yōu)化軟件對燃燒室關(guān)鍵參數(shù)進行尋優(yōu)。為了限制計算負荷，采用了分階段優(yōu)化的方法，得到了最終優(yōu)化結(jié)果。

優(yōu)化方案在保持燃油消耗率基本不變的基礎(chǔ)上，大幅度降低了soot排放50%左右，NOx也有一定程度的降低，綜合表現(xiàn)明顯優(yōu)于原機方案。最后驗證了優(yōu)化方案對于外特性的影響，結(jié)果表明優(yōu)化方案可以明顯降低外特性的soot和未燃當(dāng)量比，進一步提升功率和扭矩水平的潛力更高。優(yōu)化方案兼顧了排放區(qū)和外特性，排放區(qū)主要通過soot的降低延長DPF再生間隔降低綜合油耗，而外特性綜合性能更優(yōu)，潛力更高。

參考文獻

[1]顏金龍.中速柴油機重油燃燒過程分析[D].杭州電子科技大學(xué). 2013.

[2]司鵬鹍.燃燒室和噴油器結(jié)構(gòu)對重型柴油機性能與排放的影響[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2013，44（11）.

[3]胡東.高強化柴油機燃燒室對燃燒過程及性能影響的仿真研究[D].北京交通大學(xué)，2012.

Design and Optimization of Combustion System for Multi-cylinders Diesel Engine of Passenger Vehicles

Zhou Shuo, Zhang Weiguo, Wang Xinghua, Lu Zhiyuan, Zhang Wenchao

（1.Technical Center ,Great Wall Motor Co.,Ltd., Baoding 071000, China;

2.Hebei Automobile Engineering Technology & Research Center, Baoding 071000, China）

Abstract:This paper presents a design and optimization of combustion system for a high performance turbocharged diesel engine of 2.0 L displacement. Through simulating the whole working processes, optimization of the air intake and exhaust system, shape of intake port, forms of air-flow, spray characteristic of injector and types of the combustion chamber were carried out. Under different loads, the effects of the injection strategies (injection times, injection timing and fuel quantity injected per cycle), injector parameters (number of spray holes, spray hole diameter, spray cone angle and fuel injection pressure) and related spray characteristics (droplet breakup and spray penetration) on the engine performance, engine fuel consumption and engine emissions were studied. In order to meet the emissions regulation of China V, researches on the injection system and combustion chamber were conducted for the engine.

Key words:combustion system, combustion chamber, injecting law, simulation and optimizing

作者簡介：周碩（1988-），男，本科，主要研究方向為柴油機。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.01.007