摘要
小型化和轻量化是柴油机的未来的重要发展趋势之一，也是实现节能减排的重要途径。高强化柴油机具有体积小、转速高和功率密度高等特点，但随着转速的提升，更多的燃油需要在更短的时间内完成燃烧，这对高强化柴油机快速混合提出更高的要求。因此，良好的油气室匹配对促进高强化柴油机快速混合和燃烧有着重要的意义。双层分流燃烧室能实现燃油碰撞分流扩散、提高顶隙空间利用率，从而加快油气混合，而双层喷孔布置属于喷油式燃油分流，能够进一步扩大燃烧室内燃油分布范围。所以，在双层分流燃烧室内采用双层喷孔布置，从而组成“喷油式双层分流燃烧系统”，将有望进一步加快高强化柴油机混合速率和燃烧速率，以获得更高的升功率以及较低的排放。 本文基于一台小缸径高强化柴油机，采用一维/三维数值模拟验证了模型可信性，并进行柴油机小型化模型设计，进而探究燃烧室结构、双层喷孔布置、预喷射油量和涡流比对高强化柴油机性能的影响。结果表明： 双层分流燃烧室能够实现燃油快速分流，既保证了下层空间燃油扩散，又提高余隙空间的利用率，与直口ω型燃烧室相比，平均混合气扩散速率要高出2.05%，后半段主燃期CA50-90缩短了约15.4%，加速后燃并实现快速燃烧。其中，采用上层浅盆结构和下层较低活塞凸起的Ⅲ型双层分流燃烧室能够进一步加强燃烧室内的空气卷吸和加快燃烧速率，升功率达到118.7kW/L。随着Ⅲ型双层分流燃烧室径深比从1.4增加至2.0，油气混合速率加快且混合气均匀程度不断改善，爆压和放热率峰值均显著提高，燃烧持续期缩短，燃烧重心前移，指示热效率和功率密度不断增加，在径深比达到2.0时，获得最高升功率119.5kW/L。但径深比大于1.8后，避阀坑对燃烧室结构的影响加深，再加上狭长的燃烧室使燃油聚集在缸套附近，导致燃烧室中心空气利用率下降，造成燃烧效率稍微降低，碳烟排放小幅度增加。 在双层分流燃烧室中采用双层喷孔布置，在纵向夹角β=30°的情况下，周向夹角α＜30°方案的两层燃油仍存在不同的干涉程度。与单层喷孔布置对比，双层喷孔纵向和周向夹角皆为30°时，喷油结束后的混合气均匀程度开始反超，在相似的燃烧持续期内，放热率高于单层喷孔，燃烧效率达到99.94%，涨幅为4.7%，升功率突破到了122.8kW/L，涨幅为2.7%，碳烟和NOX排放分别降低了54.9%和23.2%。下层燃油落点位置对填补上层油束间隙并实现快速燃烧有重要影响。β为10°方案的下层燃油落在碰撞台从而实现碰撞分流，而β为30°和34°的方案的下层燃油落在活塞凸起从而由下向上被引导至上层空间，这两种落点既能保证下层空间的空气利用，又能增加容积较大的上层空间的燃油分布，混合速率加快且混合气均匀程度改善，加速了燃烧放热并缩短燃烧持续期，燃烧效率和升功率分别超过99%和122kW/L，碳烟排放低于0.144g/(kW·h)。 在双层分流燃烧室中考察预喷射油量和涡流比对缸内混合和燃烧的影响。随着预喷射油量的增加，预喷燃油的燃烧放热速率越快，所产生的高温区范围越大，导致缸压和缸内平均温度上升速率也越快，相应的爆压和平均温度峰值也越高，升功率不断增加，碳烟减少而NOX排放增加。但预喷射油量大于3%时，燃烧效率变化不大，爆压超过了限值且最大压力升高率也超过1MPa/℃A，这会给柴油机带来很高的机械负荷。将涡流比从0.5增加至1.5~2.0区间能够进一步加强燃油周向扩散，加快油气混合和改善混合气均匀度，燃烧速率加快，燃烧持续期缩短，燃烧重心提前，燃烧效率达到100%，升功率达到127kW/L以上，并获得最低碳烟排放。一旦涡流比超过2.0，相邻油束的干涉程度加大，燃油富集在燃烧室中心，燃烧和排放性能急剧恶化。
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