魏勝利,盧泓坤,冷先銀,梁昱,陳良,王飛虎

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212013;2.江蘇大學(xué)能源研究院,江蘇鎮(zhèn)江212013; 3.貴陽(yáng)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,貴州貴陽(yáng)550005)

ZS1100M柴油機(jī)雙ω型燃燒系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

魏勝利1,盧泓坤1,冷先銀2,梁昱3,陳良1,王飛虎1

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212013;2.江蘇大學(xué)能源研究院,江蘇鎮(zhèn)江212013; 3.貴陽(yáng)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,貴州貴陽(yáng)550005)

為了改善柴油機(jī)噴霧空間分布,提高缸內(nèi)空氣利用率,加強(qiáng)燃燒室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng),提出了帶雙ω燃燒室的燃燒系統(tǒng),并在ZS1100M型柴油機(jī)上進(jìn)行了初步性能試驗(yàn)。研究結(jié)果表明:雙ω燃燒室的幾何形狀對(duì)柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)的油耗與排放性能有較大的影響。在額定工況下,57型燃燒室方案的油耗與碳煙排放最低;65型燃燒室方案的NOχ排放與原機(jī)相比基本不變,油耗卻降低了2.2%,碳煙排放降低了8.3%.在額定轉(zhuǎn)速下,65型燃燒室的油嘴突出高度在2.6 mm時(shí)油耗與碳煙排放性能最優(yōu)。在轉(zhuǎn)速1 500 r/min下,采用雙排噴孔的各方案在中小負(fù)荷時(shí)油耗均比采用單排噴孔的原機(jī)方案要低;適當(dāng)增加上排噴孔數(shù),減小雙ω燃燒室的喉口直徑能進(jìn)一步降低油耗。

動(dòng)力機(jī)械工程;ZS1100M柴油機(jī);雙ω型燃燒室;雙排噴孔;試驗(yàn)研究

DOI:10.3969/j.issn.1000-1093.2016.01.003

0 引言

對(duì)直噴式柴油機(jī)而言,油、氣、室三者的合理匹配是決定燃燒過(guò)程好壞的關(guān)鍵因素[1]。燃燒室形狀對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)、混合氣的形成和燃燒具有重要影響[2-3]。因此改進(jìn)燃燒室的幾何形狀,設(shè)計(jì)與燃燒室形狀相匹配的噴孔分布,有效利用進(jìn)氣渦流在燃燒室內(nèi)形成擠流和湍流,對(duì)改善混合氣形成、優(yōu)化燃燒過(guò)程、降低有害物排放具有重要意義[4-5]。

通過(guò)前期進(jìn)行的數(shù)值模擬研究[6-7],設(shè)計(jì)并加工了帶雙ω型燃燒室的活塞和具有雙排噴孔的噴油嘴,在一臺(tái)非道路用ZS1100M柴油機(jī)上開(kāi)展了雙ω燃燒系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)研究,分析了不同雙ω型燃燒室與不同雙排噴孔分布情況對(duì)該機(jī)油耗與排放性能的影響。

1 雙ω燃燒系統(tǒng)的提出

柴油機(jī)的燃燒室結(jié)構(gòu)要有利于燃油迅速擴(kuò)散到燃燒室頂部區(qū)域,從而與空氣快速混合加速燃燒。為在較低成本下,采用較為簡(jiǎn)單的技術(shù),合理組織氣流運(yùn)動(dòng),使油氣能在燃燒室空間內(nèi)迅速混合,促進(jìn)燃燒[8-9]。在保持壓縮比不變的條件下,本文提出了一種雙ω型燃燒室及雙排噴孔燃燒系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of combustion system structure

新的燃燒系統(tǒng)的核心思想為:通過(guò)在燃燒室壁面上設(shè)置一個(gè)凸脊,將燃燒室分為ω形的上、下兩個(gè)環(huán)形區(qū)域,分別為上側(cè)的A區(qū)和下側(cè)的B區(qū)。燃燒室壁面上的凸脊能強(qiáng)化A區(qū)與B區(qū)間的氣流擾動(dòng)。在上止點(diǎn)前,隨著活塞上行,缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)以擠流和湍流為主,氣流由A區(qū)逐漸向B區(qū)運(yùn)動(dòng),由于B區(qū)的空間半徑較小,在其中會(huì)形成較強(qiáng)的擠流運(yùn)動(dòng),有助于B區(qū)中油氣混合。上止點(diǎn)后,活塞下行,在逆擠流和燃燒渦流的作用下B區(qū)的氣流向外流到A區(qū)空間,進(jìn)一步加快了A區(qū)空間內(nèi)油氣混合,促進(jìn)了燃燒。根據(jù)新型燃燒室的形狀特點(diǎn),從匹配雙ω燃燒室結(jié)構(gòu)的角度出發(fā),優(yōu)化設(shè)計(jì)了一個(gè)具有雙排噴孔且兩排噴孔夾角不同的噴射系統(tǒng)。噴孔交錯(cuò)布置的雙排噴孔油嘴具有更好的燃油空間分布特性,通過(guò)改變雙排噴孔噴油器孔數(shù)、孔徑、孔分布,可使燃油在軸向上的分布更靈活,使上下兩排噴孔中的油束各自噴向所設(shè)計(jì)燃燒室的A區(qū)與B區(qū)中,以提高空氣利用率,增強(qiáng)油氣混合,促進(jìn)燃燒。

2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選用ZS1100M柴油機(jī),該機(jī)為臥式單缸、四沖程、自然吸氣、強(qiáng)制水冷直噴柴油機(jī)。其主要技術(shù)參數(shù)如下:缸徑×行程為100 mm×115 mm,氣缸工作容積為0.903 L,壓縮比為17.5,標(biāo)定功率為12.13 kW(1 h),標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2 200 r/min,最大扭矩為58.9 N·m,最大扭矩時(shí)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min.試驗(yàn)機(jī)型采用側(cè)置式短螺旋進(jìn)氣道,測(cè)得Ricardo渦流比為2.55.流量系數(shù)為0.294.圖2所示為雙ω燃燒系統(tǒng)下的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng),試驗(yàn)中的測(cè)試儀器主要包括燃燒分析儀、氣體分析儀、煙度計(jì)及油耗儀等。

圖2 臺(tái)架試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Test site of engine bench

通過(guò)與原機(jī)對(duì)比,試驗(yàn)主要研究了不同幾何形狀下雙ω燃燒室、油嘴突出高度、不同雙排噴孔分布及其組合下油耗和排放特性。

圖3為在壓縮比不變的條件下試驗(yàn)使用的雙ω燃燒室形狀簡(jiǎn)圖。新設(shè)計(jì)的3種不同喉口直徑的雙ω燃燒室,喉口直徑分別取57 mm、65 mm、72 mm,分別稱之為57型、65型、72型燃燒室方案。其中57型與65型呈縮口,72型呈開(kāi)口。原機(jī)為傳統(tǒng)的直口ω型燃燒室,喉口直徑為57 mm,稱之原機(jī)燃燒室方案。圖4為試驗(yàn)中采用的4種不同形狀燃燒室的活塞實(shí)物圖。

圖3 不同幾何形狀燃燒室輪廓線Fig.3 Geometric shapes of different double ω combustion chambers

圖4 不同幾何形狀燃燒室的活塞Fig.4 Pistons with different combustion chambers

圖5 單排噴孔與雙排噴孔實(shí)物圖Fig.5 Photos of single-row and double-row nozzle holes

圖5為試驗(yàn)中采用的原機(jī)噴嘴單排噴孔與新型噴嘴雙排噴孔的局部放大實(shí)物圖。原機(jī)噴嘴參數(shù)孔數(shù)×孔徑為4個(gè)×0.32 mm,噴油夾角150°.在保持噴孔總流通面積與原機(jī)0.322 mm2基本相等情況下,通過(guò)改變孔徑及分布形式,設(shè)計(jì)了如表1所示的3組雙排噴孔。

表1 雙排噴孔設(shè)計(jì)方案Tab.1 Design scheme of double-row nozzle holes

為了更清楚示意雙排噴孔的空間分布,繪制了如圖6所示的3組雙排噴孔三維示意圖,其中紅色噴孔代表上排噴孔,藍(lán)色噴孔代表下排噴孔。兩排噴孔位置都在兩個(gè)同心圓的圓弧上,上、下兩排噴孔交錯(cuò)布置,同心圓的圓心所構(gòu)成的軸線交點(diǎn)距離為1 mm,上排噴孔夾角為150°.為了讓下排噴孔噴出的油束進(jìn)入B區(qū)的ω凹坑,加工下排噴孔時(shí),噴孔夾角設(shè)置為110°.

圖6 雙排噴孔分布空間三維示意圖Fig.6 Schematic diagram of space distribution of nozzles

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了探究雙ω燃燒室的幾何形狀對(duì)柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)的油耗與排放性能的影響,圖7給出了在標(biāo)定轉(zhuǎn)速2 200 r/min,采用原機(jī)單排4孔噴嘴下的不同燃燒室的油耗和排放的對(duì)比曲線。從圖7可以看出:雙ω燃燒室的幾何形狀對(duì)ZS1100M型柴油機(jī)的性能有著較大的影響。那是由于雙ω燃燒室中的凸脊結(jié)構(gòu)能顯著增強(qiáng)燃燒室內(nèi)A區(qū)與B區(qū)間的氣流擾動(dòng),在上止點(diǎn)附近能更好利用擠流的作用去促進(jìn)混合氣燃燒[6-7]。相同喉口直徑下,57型雙ω燃燒室的油耗be在中高負(fù)荷下都比原機(jī)燃燒室要低;在功率p為12 kW時(shí),油耗be降低了3.4%,碳煙排放R也從3.6 BSU降低到3.0 BSU,NOχ排放增高了23%.隨著雙ω燃燒室喉口直徑的增大,燃燒室內(nèi)氣流擾動(dòng)被削弱。在全負(fù)荷下,與原機(jī)相比,65型雙ω燃燒室下的NOχ排放基本不變,但油耗與碳煙排放有所下降,油耗降低了2.2%,碳煙降低到3.3 BSU.72型雙ω燃燒室由于喉口直徑過(guò)大,燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的削弱最為明顯[10-11],同時(shí)又由于采用了更大的凸脊,不利于碳煙的氧化,所以碳煙的排放在所有負(fù)荷下都高于其他方案。但在全負(fù)荷下,油耗比原機(jī)僅略高0.68%的情況下,NOχ排放卻降低了13%.

圖7 不同燃燒室下性能比較Fig.7 Performance curves of different combustion chambers

對(duì)于采用單排噴孔的雙ω燃燒室來(lái)講,油嘴突出高度會(huì)直接影響到油束在燃燒室壁面碰壁的位置和進(jìn)入燃燒室A區(qū)與B區(qū)的燃油量,從而決定了各區(qū)的當(dāng)量比分布。B區(qū)的空間相對(duì)狹小,著火后,B區(qū)的溫度上升較快,使得NOχ排放較高[5]。由于65型雙ω燃燒室具有較好的油耗與NOχ排放折衷,所以采用65型燃燒室研究油嘴突出高度對(duì)雙ω燃燒室性能與排放的影響,并與原機(jī)燃燒室進(jìn)行對(duì)比。

如圖8所示,在2 200 r/min轉(zhuǎn)速下,隨著油嘴突出高度從3.6 mm減小到2.6 mm,在各負(fù)荷下油耗與碳煙排放都進(jìn)一步降低,這是因?yàn)閲娙氲紸區(qū)的油量相應(yīng)增多,有助于燃油迅速擴(kuò)散到燃燒室頂部區(qū)域,從而促進(jìn)油氣混合,加速燃燒。在75%負(fù)荷下,油嘴突出高度2.6 mm時(shí)的NOχ排放比油嘴突出高度在3.6 mm時(shí)要低一些,與原機(jī)燃燒室相比,此時(shí) NOχ排放減小了 5.2%,同時(shí)油耗降低了4.1%,碳煙排放降低了16.7%.在全負(fù)荷下,NOχ排放略高于原機(jī),而油耗與碳煙排放仍要低于原機(jī),只是降幅減小,依次為2.9%和13.8%.進(jìn)一步降低油嘴突出高度到1.6 mm,在額定工況下,NOχ排放比原機(jī)減小了2.1%.但與油嘴突出高度2.6 mm相比,此時(shí)油耗與碳煙排放已經(jīng)不再降低,這主要是因?yàn)橛妥焱怀龈叨冗^(guò)低,會(huì)使B區(qū)的混合氣較少,也會(huì)降低燃燒室內(nèi)空氣的利用率。

圖8 65型燃燒室下油嘴突出高度對(duì)性能影響的曲線Fig.8 Effect of protrusion height of nozzle on performance of 65-type combustion chamber

在研究較小噴油壓力下采用雙排噴孔的噴嘴對(duì)油耗與排放性能影響的試驗(yàn)當(dāng)中,由于試驗(yàn)中的噴油壓力較小,試驗(yàn)在額定工況下會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的現(xiàn)象。而最大扭矩時(shí)轉(zhuǎn)速1 500 r/min下每個(gè)工況點(diǎn)的測(cè)試都很穩(wěn)定,因此選擇在1 500 r/min下探究不同雙排噴孔在原機(jī)燃燒室內(nèi)的油耗性能表現(xiàn)。如圖9所示,在中小負(fù)荷下,較之原機(jī)的單排4孔方案,所有雙排噴孔方案的油耗都有明顯降低。但隨著負(fù)荷增大,雙排噴孔的油耗在高負(fù)荷下都呈現(xiàn)上升趨勢(shì),說(shuō)明原機(jī)配置雙排噴孔后,在高負(fù)荷下燃燒發(fā)生了惡化。這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)高負(fù)荷情況下,噴霧貫穿度是影響噴霧燃燒和排放最為重要的因素[12]。在噴孔總流通面積不變的情況下,隨著噴孔總數(shù)增多,相對(duì)噴油速率會(huì)下降,噴射動(dòng)量與噴霧貫穿度也會(huì)減小。這在當(dāng)量比較低的情況下(中小負(fù)荷)并沒(méi)有什么問(wèn)題,反而可以減少碰壁的燃油,促進(jìn)預(yù)混燃燒,降低油耗。但是,在當(dāng)量比較大時(shí)(高負(fù)荷),雙排小孔徑的噴霧動(dòng)量將不足以將蒸發(fā)的燃油帶到空氣充足的地區(qū),后噴入的燃油很難向燃燒室外延擴(kuò)散,而周圍的空氣又被先噴入的燃油消耗掉了,因此部分燃油會(huì)嚴(yán)重缺氧,導(dǎo)致空氣利用率降低,最終惡化了燃燒[13]。綜合來(lái)看,在雙排噴孔方案中,上5孔下3孔的噴孔分布在中高負(fù)荷下性能更優(yōu)。而文獻(xiàn)[7]在135機(jī)型上的數(shù)值仿真研究,也發(fā)現(xiàn)上5孔下3孔的噴孔分布具有較好的性能表現(xiàn)。

圖9 不同噴孔方案下的油耗曲線Fig.9 Fuel consumption curves of different nozzle hole schemes

圖10 不同燃燒室與雙排噴孔組合下性能比較Fig.10 Performance curves of different combustion chambers with double-row nozzle holes

圖10所示為在1500 r/min的轉(zhuǎn)速下,上5孔下3孔的雙排噴孔對(duì)應(yīng)不同燃燒室的性能曲線圖。從圖10可以看出,較于雙排噴孔配合原機(jī)燃燒室,雙排噴孔配合新型雙ω燃燒室在中小負(fù)荷下可進(jìn)一步降低油耗,且最低油耗在50%負(fù)荷左右;在中小負(fù)荷下,雙ω燃燒室中的NOχ排放都要高于原機(jī)燃燒室。在高負(fù)荷下,各燃燒室方案都出現(xiàn)了不同程度的燃燒惡化現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為油耗與碳煙排放同時(shí)升高。采用雙ω燃燒室的各方案在75%負(fù)荷開(kāi)始惡化,而原機(jī)燃燒室在全負(fù)荷下出現(xiàn)惡化。這主要是因?yàn)榕c原機(jī)相比,雙ω燃燒室的A區(qū)ω凹坑與噴嘴的距離更遠(yuǎn)。采用雙排小孔徑后,在75%負(fù)荷下,噴霧貫穿度不足造成的空氣利用率降低更為明顯,不利于燃燒。對(duì)比所有雙ω燃燒室方案,發(fā)現(xiàn)隨著喉口直徑減小,NOχ排放依次增高,碳煙排放逐漸降低。其中就油耗而言,57型的方案相對(duì)最優(yōu),而65型與72型差別不大。

由于試驗(yàn)機(jī)噴射壓力僅有45 MPa左右,原機(jī)噴孔數(shù)較少、孔徑較大,在增加孔數(shù)并采用雙排小徑噴孔后,噴霧貫穿度減小會(huì)非常明顯。在高負(fù)荷下出現(xiàn)了油耗惡化現(xiàn)象。但如果采用孔數(shù)較多的高噴射壓力平臺(tái)去布置雙排噴孔就能有效避免這一不足。

4 結(jié)論

1)雙ω燃燒室內(nèi)的凸脊結(jié)構(gòu)能強(qiáng)化A區(qū)與B區(qū)間的氣流擾動(dòng),促進(jìn)油氣混合,降低油耗與碳煙排放。65型雙ω燃燒室在保持NOχ排放與原機(jī)基本相當(dāng)?shù)那闆r下,油耗降低了2.2%,碳煙降低到3.3BSU.

2)油嘴突出高度對(duì)雙ω燃燒室性能與排放有較大影響。在額定轉(zhuǎn)速下,65型雙ω燃燒室在油嘴突出高度為2.6 mm時(shí)油耗與碳煙排放最低。

3)原機(jī)燃燒室匹配雙排噴孔在中小負(fù)荷下能顯著降低油耗,上5孔下3孔的噴孔分布具有較好的性能表現(xiàn)。噴油壓力較低時(shí),雙排噴孔在高負(fù)荷下出現(xiàn)不同程度的油耗惡化。

4)雙排噴孔配合雙ω燃燒室在中小負(fù)荷下可進(jìn)一步降低油耗,57型雙ω燃燒室在高負(fù)荷下燃燒惡化程度最低。

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Experimental Research on Combustion System with Double ω Combustion Chamber for ZS1100M Diesel Engine

WEI Sheng-li1,LU Hong-kun1,LENG Xian-yin2,LIANG Yu3,CHEN Liang1,WANG Fei-hu1
(1.School of Automobile and Traffic Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,Jiangsu,China; 2.Institute for Energy Research,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,Jiangsu,China; 3.School of Mechanical Engineering,Guiyang University,Guiyang 550003,Guizhou,China)

In order to improve the spatial distribution of injection spray and the mixture formation quality for diesel engines,a combustion system with double ω combustion chamber is proposed to strengthen the motion of airflow in the combustion chamber.The preliminary performance test of combustion system with double ω combustion chamber is made on ZS1100M diesel engine.The results show that the geometrical shape of double ω combustion chamber has a great influence on the fuel consumption and emission performance of combustion system for diesel engine.The fuel consumption and soot emission of 57-type combustion chamber are the lowest under the rated operating condition.Compared with the original combustion chamber,the fuel consumption and soot emission of 65-type double ω combustion chamber are reduced by 2.2%and 8.3%,respectively,at rated operating condition while the NOχemission remains basically unchanged.65-type combustion chamber with 2.6 mm nozzle height possesses the optimal fuel consumption and soot emission performance at the rated rotating speed.At the rotating speed of 1500 r/min,the double ω combustion chamber with double-row nozzle holes shows better fuel consumption rate under the small and medium loads.The proper increment of the upper-row nozzle holes and a decrease in throatdiameter could further reduce the fuel consumption rate.

power machinery engineering;ZS1100M diesel engine;double ω combustion chamber; double-row nozzle hole;experimental research

TK42

A

1000-1093(2016)01-0017-06

2015-06-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51106065、51366002)

魏勝利(1978—),男,副教授,碩士生導(dǎo)師。E-mail:weishengli@ujs.edu.cn;盧泓坤(1990—),男,碩士研究生。E-mail:maxlhk@163.com