高強(qiáng)化柴油機(jī)燃燒室凸臺匹配油束夾角的數(shù)值模擬研究

胡 東，李國岫

（北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044）

對直噴式柴油機(jī)而言，進(jìn)氣系統(tǒng)、噴油系統(tǒng)和燃燒室之間的匹配關(guān)系對燃燒過程的影響很大，所以對三者之間的匹配關(guān)系的研究就顯得尤為重要。其中，油束夾角與凸臺之間匹配關(guān)系的影響非常大。目前，對兩者之間匹配關(guān)系的研究主要有油束夾角匹配燃燒室廓形的研究［1］，油束夾角對柴油機(jī)性能的影響研究［2］，定容積條件下不同燃燒室主要參數(shù)的最佳油束夾角的研究［3］。在以往的研究中，只針對不同的燃燒室進(jìn)行匹配油束夾角的研究，而忽略了燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的交互作用對燃燒過程的影響。本文首先針對某型柴油機(jī)的ω型燃燒室進(jìn)行參數(shù)化分析，總結(jié)出決定燃燒室形狀的特征參數(shù)，再應(yīng)用三維仿真軟件FIRE，針對不同廓形下凸臺與油束夾角之間的匹配關(guān)系進(jìn)行研究，獲得兩者匹配關(guān)系的相關(guān)結(jié)論。

1 ω型燃燒室的參數(shù)化分析

圖1給出了ω形燃燒室的廓形，其主要參數(shù)有燃燒室喉口直徑d、凸臺高度h、凸臺傾角∠1、出口角度∠2、凸臺半徑R1、凹坑半徑R2、燃燒室深度H。

采用參數(shù)化分析方法，針對所要研究的燃燒室進(jìn)行分析，得出燃燒室體積V與各參數(shù)之間的關(guān)系為V＝f（d，h，∠1，∠2，R1，R2，r）。

在壓縮比不變，即燃燒室體積固定的情況下，在適當(dāng)范圍內(nèi)選定其中6個(gè)參數(shù)時(shí)，另外一個(gè)參數(shù)也隨之固定，其中燃燒室唇部倒圓角半徑r一般在2mm左右，保持其大小不變。此時(shí)，凸臺傾角∠1和出口角度∠2相關(guān)，所以燃燒室體積由5個(gè)特征參數(shù)決定，本文選擇的特征參數(shù)是燃燒室喉口直徑d、出口角度∠2、凸臺半徑R1、凹坑半徑R2和凸臺高度h。

圖1 ω形燃燒室廓形

圖2 ω形燃燒室各旋轉(zhuǎn)體體積

本文主要是針對不同廓形（縮口、直口和擴(kuò)口）下凸臺與油束夾角之間匹配關(guān)系的研究，這里的不同廓形指的是不同的出口角度。在參數(shù)化分析的基礎(chǔ)上，得知要在燃燒室體積及其他特征參數(shù)（喉口直徑、凹坑半徑和凸臺高度）不變的情況下，研究上述問題，就必須給定合理的出口角度和凸臺半徑的取值范圍，本文選取的參數(shù)如表1所示。不同廓形下的燃燒室綜合對比圖見圖3。

表1 特征參數(shù)取值范圍

2 計(jì)算條件及模型

本文的研究對象為某型高強(qiáng)化柴油機(jī)。圖4為原型機(jī)燃燒室的網(wǎng)格圖。噴油器的噴孔數(shù)為8，并布置在氣缸蓋中心部位軸線的鉛垂方向，無傾斜，燃燒室無偏置。仿真計(jì)算時(shí)為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，只造型出1／8扇形作為計(jì)算域，并在FIRE里對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖3 不同廓形下的燃燒室綜合對比圖

圖4 原型機(jī)燃燒室網(wǎng)格

在仿真計(jì)算中，柴油機(jī)的氣缸內(nèi)湍流流動模型選取了標(biāo)準(zhǔn)k－ε雙方程模型；燃油射流分裂霧化模型選取了WAVE模型；燃油蒸發(fā)模型采用Dukowicz模型；液滴碰壁模型為 Walljet模型；湍流燃燒模型采用EBU模型。

3 計(jì)算結(jié)果分析

燃燒室中凸臺的設(shè)計(jì)是基于螺旋形氣流的二級燃燒理論，促進(jìn)燃燒后期的混合，其設(shè)計(jì)的原則是盡量減少凸臺上部分的容積，但要避免燃油噴束與凸臺發(fā)生干涉而影響混合氣的形成［5］。如圖3所示，凸臺半徑越大，所占據(jù)的燃燒室中心體積越大，但需要匹配合適的油束夾角。不同廓形下凸臺匹配油束夾角的研究結(jié)果討論如下。

圖5 凸臺半徑與油束夾角對指示功率的影響

圖5為不同凸臺半徑下指示功率隨油束夾角的變化曲線?？梢钥闯?，3種燃燒室中同一凸臺半徑下，指示功率均隨著油束夾角的增大，而先增大后減小。當(dāng)油束夾角較小時(shí)（130°），3種燃燒室中同一油束夾角下，不同凸臺半徑下的指示功率相差較明顯。其中（a）燃燒室中凸臺半徑每增加15mm，指示功率增加1.5kW左右，但（c）燃燒室中凸臺半徑為0和12mm時(shí)幾乎無差別。當(dāng)油束夾角大于130°后，不同凸臺半徑下的燃燒室之間的指示功率差別較小。這主要是因?yàn)殡S著油束夾角的增大，撞壁燃油減少，凸臺的影響變小，促進(jìn)了混合氣的形成，因而改善了燃燒過程，從而提高了指示功率。3種燃燒室中，凸臺半徑和油束夾角均取最大時(shí)的指示功率都較低，由圖3可知當(dāng)凸臺半徑取最大值時(shí)，相應(yīng)的燃燒室也最深，所以油氣離凹坑底部較遠(yuǎn)，因此此時(shí)指示功率較小，可能是因?yàn)闆]有充分利用凹坑處的氧氣。

（a）燃燒室和（b）燃燒室下指示功率在油束夾角為170°時(shí)達(dá)到最大，（a）燃燒室為105.8kW，（b）燃燒室為105.51kW，此時(shí)的 凸臺 半徑分 別 為41.5mm 和26mm，可知（a）燃燒室和（b）燃燒室指示功率最大時(shí)的差別很小。（c）擴(kuò)口燃燒室下指示功率在油束夾角為160°時(shí)達(dá)到最大，為104.69kW，與（a）燃燒室和（b）燃燒室的指示功率最大值相差1kW左右，此時(shí)的凸臺半徑為零，但與相同油束夾角下凸臺半徑為12mm和24mm時(shí)的指示功率相比差別很小，而后開始下降，這是因?yàn)檫^大的油束夾角導(dǎo)致油束與燃燒室頂部發(fā)生撞壁，而影響了混合氣的形成，從而惡化了燃燒過程。

圖6 缸內(nèi)平均壓力與放熱率曲線

圖6為氣缸內(nèi)平均壓力與放熱率曲線，對應(yīng)3種廓形下指示功率為最大值時(shí)的凸臺半徑。從圖中可以看出，上止點(diǎn)前，3種燃燒室中油束夾角為130°時(shí)的初期放熱率均較低，預(yù)混燃燒較弱，放熱率第2峰值均最低，擴(kuò)散燃燒也很弱，導(dǎo)致整個(gè)燃燒過程中的氣缸內(nèi)平均壓力峰值都最低。而（a）燃燒室和（b）燃燒室下，油束夾角為170°，以及（c）燃燒室下，油束夾角為160°時(shí)的初期放熱率高，預(yù)混燃燒較強(qiáng)，且擴(kuò)散燃燒過程也很強(qiáng)烈，從而使得氣缸內(nèi)平均壓力始終都處于較高的值，3種燃燒室下的峰值分別為（a）：21.86MPa，（b）：21.92MPa，（c）：22.22MPa，所以指示功率最大。

圖7 縮口燃燒室凸臺半徑為41.5mm時(shí)不同油束夾角下在380°CA時(shí)的氣缸內(nèi)濃度場（上）和溫度場（下）

圖7為縮口燃燒室凸臺半徑為41.5mm時(shí)不同油束夾角下在380°CA時(shí)的氣缸內(nèi)濃度場和溫度場?？梢钥闯?，油束夾角為130°、140°和150°時(shí)油氣主要分布于凹坑附近，燃燒也主要發(fā)生這里，而未有效地利用到擠流區(qū)的氧氣。隨著油束夾角的增大，油氣上部逐漸向擠流區(qū)氧氣較多的地方移動，這促進(jìn)了燃燒過程的進(jìn)行，因而油束夾角為170°之前的指示功率是遞增的。但過大的油束夾角會導(dǎo)致油氣與燃燒室頂部過多地接觸，并且流向擠流區(qū)的油氣增加，這不僅不利于混合氣的形成，還增加了火焰淬熄的幾率，所以惡化了燃燒過程，這也解釋了圖5中油束夾角在175°時(shí)指示功率出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。油束夾角為160°、170°和175°時(shí)，混合氣主要分布于凹坑右上方和唇部附近氧氣比較充分的地方，使得燃燒能夠充分地在燃燒室內(nèi)擴(kuò)展，高溫區(qū)較大，因而相對而言，三者的指示功率相差較小。

隨著油束夾角的增加，油氣的下部逐漸向燃燒室唇部移動，由于燃燒室縮口的存在，油束夾角為130°、140°和150°時(shí)混合氣在縮口處出現(xiàn)了明顯的上翹，附壁燃油較少。燃燒室凹坑壁面附近的混合氣濃區(qū)隨著油束夾角的增加而逐漸減少，這有利于燃燒過程的進(jìn)行，因而此處出現(xiàn)了高溫區(qū)。綜合來看，油束夾角為170°時(shí)的混合氣分布合理，既有效地利用到凹坑處的氧氣，又充分利用了擠流區(qū)的氧氣，并且混合氣又不至于過分地向擠流區(qū)擴(kuò)展，從而減少了火焰淬熄的幾率，因而指示功率最大。

圖8 380°CA時(shí)的氣缸內(nèi)濃度場（上）和溫度場（下）

圖8為3種廓形下指示功率取最大值時(shí)在380°CA時(shí)的氣缸內(nèi)濃度場和溫度場?？梢钥闯觯甘竟β首畲髸r(shí)，3種廓形下，油氣主要集中與凹坑上方和唇部附近，其中縮口和直口燃燒室下，唇部附近均出現(xiàn)混合氣濃區(qū)。而擴(kuò)口燃燒室下，由于油束夾角較小，流向擠流區(qū)的油氣相對較少，所以唇部附近并未出現(xiàn)較大面積的混合氣濃區(qū)。3種廓形下，凹坑壁面處的混合氣濃區(qū)都較小，這有利于燃燒過程的進(jìn)行。并且3種廓形下，油氣分布范圍都較廣，凹坑處、燃燒室頂部和擠流區(qū)的氧氣利用率較高。

從溫度場可以看出，凹坑底部均出現(xiàn)面積較大的高溫區(qū)，由于凸臺半徑的不同和油束夾角的不同，高溫區(qū)底部與凸臺的接觸情況有所不同，油束夾角為160°時(shí)的擴(kuò)口燃燒室，高溫區(qū)相對比較接近凸臺頂部和凹坑底部，這增加了向活塞的傳熱，而油束夾角為170°時(shí)的縮口和直口燃燒室，高溫區(qū)主要分布與凹坑上方，而與凸臺頂部和凹坑底部的接觸較少，因而向活塞的散熱量較少，這可能是縮口和直口燃燒室的指示功率略高于擴(kuò)口燃燒室的原因之一（見圖5）。

4 結(jié)論

（1）運(yùn)用參數(shù)化分析的方法，解析出決定燃燒室形狀的5個(gè)特征參數(shù)——喉口直徑、出口角度、凸臺半徑、凹坑半徑和凸臺高度。

（2）不同的燃燒室廓形下，油束夾角對指示功率的影響很大，隨著油束夾角的增加，指示功率都先增加后減??；縮口和直口燃燒室下，油束夾角為170°并采用大凸臺時(shí)的指示功率最大；而擴(kuò)口燃燒室下，油束夾角為160°并采用小凸臺時(shí)的指示功率最大。

（3）匹配最優(yōu)的油束夾角時(shí)，凸臺半徑對指示功率的影響較小，而在油束夾角為130°，凸臺半徑對指示功率的影響較大，這可能是因?yàn)檩^小的油束夾角下，油束主要與凸臺發(fā)生碰撞，因而凸臺的形狀會影響撞壁處的混合氣形成情況，從而對燃燒過程的影響較大。

（4）不同的廓形下，對于不同的凸臺半徑都有一油束夾角與之匹配，使指示功率達(dá)到最大，在所研究的柴油機(jī)中，最優(yōu)的油束夾角都較大。

［1］牛有城，虞育松，李國岫.直噴式柴油機(jī)燃燒室廓形匹配油束夾角的數(shù)值模擬研究［J］.柴油機(jī)，2009，31（3）：10－14.

［2］舒歌群，馬維忍，許世杰，等.噴霧夾角對柴油機(jī)性能影響的數(shù)值模擬［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2008，29（7）：1 239－1 242.

［3］尚 勇，劉福水，李向榮，等.柴油機(jī)ω型燃燒室參數(shù)化設(shè)計(jì)及參數(shù)靈敏度分析［C］.中國工程熱物理學(xué)會燃燒學(xué)學(xué)術(shù)會議論文，2009.

［4］白 冰.柴油機(jī)混合機(jī)制及場效應(yīng)控制方法研究［D］.北京：北京理工大學(xué)，2009.

［5］喻 超，羅馬吉，白金龍，等.燃燒室形狀對柴油機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動影響的數(shù)值模擬研究［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008，21（6）：12－14.