小型直喷柴油机喷雾油线在燃烧室内的分布研究

第1页/共6页小型直喷柴油机喷雾油线在燃烧室内的分布研究摘要：利用UG软件，依据充分利用燃烧室的有效空间，保证油气均匀混合的原则，针对4L22BZ发动机燃烧室按等空燃比喷雾油线在燃烧室内的分布方法，提出了匹配方法关键词：柴油机；喷油器；匹配前言：喷雾特性与燃烧室的匹配是影响柴油机性能的最重要的因素之一。小缸径燃烧系统采用半开ω型燃烧室，用4~5喷孔的喷油器喷油，通过适当的进气涡流组织油气混合和燃烧。对采用两气门结构的柴油机，由于受空间限制，气门轴线、燃烧室中心线都须偏置于气缸中心线、喷油器头部的油束中心也偏离燃烧室中心，且喷油器与气缸中心线以一定的倾斜角度布置，这使喷油器各喷孔喷油量不均等。喷雾油束在燃烧室内的分布应能充分利用燃烧室内的每一处空气，使油气在燃烧室内尽量以等空燃比混合，通过气缸内气流运动的组织，使局部混合气尽可能均匀。对喷雾油线与燃烧室的匹配，现有一些评定及评价指标，如油线在活塞顶燃烧室投影的等面积、等圆弧分布及喷油器头部伸出气缸盖高度值等，在柴油机开发过程中使用UG软件模仿油线在燃烧室中的空间布置，对其中的影响因素进行探讨并进行了试验，试验是在4L22BZ柴油机上进行，燃烧室为半开ω型收口燃烧室，其性能参数如下：4L22BZ型柴油机性能参数：型号4L22BZ型式直列、水冷、四冲程、直喷增压中冷缸数-缸径×行程（mm）4-85×95总排量（L）2.156最大功率/转速（kW/r/min）52/3200最大扭矩/转速（N.m/min）175/2200第2页/共6页1、喷雾油束油线在燃烧室的轴向分布设计一般用油线在燃烧室壁的落点高度、喷油器伸出气缸盖的高度值及喷油器的喷孔夹角等表示。在设计时考虑两点原则：第一、各喷油油线在空间上的路线与中部凸台应当不发生干涉，有一定的空间距离。第二、各喷油油线形成的锥面把燃烧室有效空间（包括气缸压缩余隙容积）分为上下两部分容积。图1燃烧室形式图2油线锥面截燃烧室其中各喷油油线在空间上的路线与中部凸台应当不发生干涉（如图第3页/共6页2所示）是为了确保燃油不喷到凸台上，因为该处气流运动较弱，粘附在凸台上的燃油难以快速蒸发，使扩散燃烧过程进行缓慢，少量不完全燃烧的燃油还会使排气中HC含量生高。油线把处于着火位置的有效燃烧空间等分是为使油气沿燃烧室轴向分布均匀，因从上行过程中的活塞着火点位置到上止点再到下行过程中相对应着火点位置处，曲轴转角很大，而活塞位置变动较小，因此在活塞处于着火点位置时等分有效燃烧空间可以使燃烧初期的这一过程中实现沿轴向的大致等空燃比，因此油线形成的锥面把燃烧室空间分成的这两部分容积应尽量保持相等。为了保持油束在燃烧室中的落点高度相同，各喷孔与燃烧室中心线夹角不应保持一致。结合油线的周向分布，在图形中测量出各喷孔油线与燃烧室中心线夹角为：β1=77.5oβ2=76oβ3=74oβ4=75oβ5=77o适当调整喷油器伸出高度，使用UG软件对燃烧室进行模拟直至伸出高度高度为2.8mm时，油线将燃烧室分为上下两部分容积相等。2、喷雾油束在燃烧室的周向分布设计通过油束油线在活塞顶燃烧室周边落点的几何分布可以分析燃油与空气的周向混合的均匀性。4L22BZ缸盖采用两气门，考虑到提高充气效率及排气能量的充分利用，进排气门几何尺寸不能偏小，受缸盖尺寸限制，气缸中心、燃烧室中心、喷油器中心三者不能重合，存在一定的偏差。为减小该偏差的影响，采用了直径较小的P型喷油器，同时P型喷油器在缸盖上倾斜15o角布置，使喷嘴更加靠近活塞中心线，因喷油器相对气缸中心倾斜安置，各个喷油孔与喷油器轴线之间有不同的倾斜角度，造成喷油器各个喷孔之间的喷油量不均等，图3是喷孔倾斜角与喷孔流量偏差的试验统计结果。由于存在各喷孔的喷油量差异，采用等面积、等圆弧布置油线不能实现周向等空燃比的油气分布。合理的周向布置应该是喷孔的喷油量偏差与活塞顶燃烧室油线夹角的投影面积大小成对应关系（见图4）。此外，在不考虑燃烧室内沿燃烧室中心与喷油器中心形成的连线不对称因素时,无论采用那种方案布置油线，其喷孔的油束油线均应以燃烧室中心与喷油器中心形成的连线对称布置，此时连线两侧各个油线的长第4页/共6页度差值及油量差值也以此连线对称,在以上大原则下考虑燃烧室内，沿燃烧室中心与喷油器中心形成的连线流场不对称及喷油油束对流场影响等因素，对喷孔的油束油线予以调整。仍然虽表1为调整后4L22BZ喷油器油线空间角度。图3图4喷油器油线周向布置方案燃烧室中心坐标油线长度/mm油线分割的投影面积/mm212345S12S23S34S45S51原方案4.5,1.026.3322.4723.5527.7629.04389.98369.33412.10431.23420.59优化后方案4.5,1.527.9826.8824.5424.2726.54459.64427.08395.88417.27425.89表1喷油安装角度倾斜15o，用UG软件分析空间角度，各油线与喷油器中心线角度为ψ1=62oψ2=76oψ5=74oψ4=82oψ3=81o按图2-6计算，油线1与油线4角度相第5页/共6页差20o，按油线4油量为基数，油线1油量增大12%、油线5油量增大6%、油线2油量增大5.6%、油线3与油线4油量基本相同。3、燃烧状态分析：图5、6、7分别为装用该喷油器后的示功图、压力升高率曲线图、和燃烧放热量率曲线图，从燃烧放热量率曲线图中可见预混燃烧阶段的第一个放热峰值与扩散燃烧过程的第二个放热峰值相比，第一峰值不明显，说明着火滞燃期内形成的可燃混合气很少，预混燃烧控制的比较好，燃烧主要集中于扩散燃烧部分，且20oCA之后，放热率迅速下降，即后燃较少，在扩散燃烧初期燃烧质量好，后燃现象少。从压力生高率曲线来看，未出现过高的压力生高率峰值，燃烧柔和。说明该喷油器的设计对燃烧组织比较有利。0123456789101112-75-50-250255075100，OCAP,MPa图5示功图00.050.10.150.20.250.30.350.4-60-40-20020，OCAλp,MPa/oCA图6压力升高率曲线第6页/共6页00.010.020.030.04-200204060，oCAdQ/d,J/OCA图7燃烧放热量率曲线：直喷柴油机的喷雾油线应对称布置与燃烧室中心与喷油器中心的连线上；对于收口燃烧室当活塞位于发火位置时各条油线在燃烧室壁面上的落点应处于收口处圆弧处；相邻油线在活塞顶燃烧室的投影面积与各喷油孔和喷油器轴线形成的夹角不等造成的各喷孔油量差值相一致。