渦流室式紊流燃燒柴油機(jī)中渦流室的流場(chǎng)特性

袁文華，隆武強(qiáng)，伏軍，劉玉梅

(1. 邵陽學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽，422004；2. 大連理工大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)研究所，遼寧 大連，116024)

柴油機(jī)的燃燒過程一直是人們研究柴油機(jī)缸內(nèi)的一個(gè)重點(diǎn)環(huán)節(jié)，而混合氣的形成和燃燒與燃燒室的結(jié)構(gòu)和其中空氣的運(yùn)動(dòng)有緊密聯(lián)系[1]，適當(dāng)強(qiáng)度的渦流運(yùn)動(dòng)可以有效提高燃料的蒸發(fā)，促進(jìn)燃料與空氣的混合進(jìn)程[2-4]，從而改善燃燒室內(nèi)的燃燒狀況。近年來，人們開始意識(shí)到空氣的紊流運(yùn)動(dòng)在混合氣的形成和燃燒過程中同樣起著重要作用[5-7]，并逐漸對(duì)渦流室式燃燒柴油機(jī)進(jìn)行研究。在對(duì)渦流室的研究中，Komatsu等[8]對(duì)渦流室內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析；Okazaki 等[9-10]研究了渦流室內(nèi)流場(chǎng)及燃油噴霧隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律；朱廣勝等[11-12]使用高速攝影和數(shù)值模擬法研究了不同連接通道對(duì)渦流室內(nèi)流場(chǎng)的影響；唐智等[13]通過Fluent 軟件模擬了不同傾斜角度的連接通道對(duì)渦流室內(nèi)流場(chǎng)的影響；安西方[14]對(duì)渦流室內(nèi)壓縮、噴霧過程進(jìn)行了模擬分析等。紊流燃燒在直噴式柴油機(jī)上已開始得到應(yīng)用，但由于渦流室式柴油機(jī)具有強(qiáng)渦流的優(yōu)點(diǎn)，所以，人們對(duì)引入紊流燃燒尚未引起足夠重視。在渦流式柴油機(jī)機(jī)壓縮行程中，油束隨著活塞上行進(jìn)入渦流室，由于擾流的存在及壁面的引導(dǎo)，又產(chǎn)生了各向空氣運(yùn)動(dòng)，使渦流室內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，并直接影響了高溫區(qū)的混合氣濃度：所以，渦流室內(nèi)的流場(chǎng)分布和燃燒狀況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)性能和排放性能至關(guān)重要。為此，本文作者主要通過流體仿真軟件研究某種渦流室式紊流燃燒柴油機(jī)渦流室內(nèi)的流場(chǎng)特性，給出活塞從下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到燃油噴射前2°內(nèi)渦流室內(nèi)部的空氣流動(dòng)情況及渦流室與燃燒室內(nèi)部壓強(qiáng)和溫度的變化情況。

1 模型建立與網(wǎng)格劃分

1.1 物理模型

設(shè)計(jì)某4 沖程渦流室式柴油機(jī)作為研究對(duì)象，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)行條件見表1。

表1 柴油機(jī)模擬參數(shù)Table 1 Simulation parameters of diesel engine

圖1 所示為活塞行程至上止點(diǎn)時(shí)刻渦流室式紊流燃燒室的剖面幾何圖形，其中，壓縮容積Vc可分為2部分：(1) 渦流室，該部分在氣缸蓋上，上半部形狀呈半球形，下半部形狀呈圓柱形，容積為Vk；(2) 主燃室，該部分在氣缸蓋和活塞頂之間。這兩者通過多空通道a 和b 連接。工作時(shí)，燃油從渦流室中的噴油嘴順著渦流方向噴出。在壓縮過程中，活塞將空氣經(jīng)多空通道推入渦流室，形成強(qiáng)烈的渦流運(yùn)動(dòng)，促使噴入渦流室的燃油噴霧與空氣混合。當(dāng)壓力上升到一定程度時(shí)，渦流室中的混合氣初步燃燒，使得室內(nèi)壓力和溫度急劇上升，將未燃燒的混合氣、燃油和空氣以多股交叉流形式經(jīng)多孔通道推入主燃室中形成二次渦流，進(jìn)一步混合燃燒。

圖1 多通道渦流燃燒系統(tǒng)及鑲塊圖Fig.1 Sketch map of swirl chamber with variable cross-section multi-channels

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文中控制方程可表示為如下形式。

(1) 連續(xù)方程：

式中：ρ 為流體密度(kg·m-3)；u 為流速(m·s-1)。

(2) 動(dòng)量方程：

式中：p 為氣體壓力(Pa)；A 在層流計(jì)算中為0，湍流計(jì)算中為1；α 為無量綱參數(shù)，隨時(shí)間變化；k 為湍流脈動(dòng)動(dòng)能(kJ)；g 為比體積力，常數(shù)；σ 為表面張力(N/m)。

(3) 湍動(dòng)能方程：

式中：T 為氣體熱力學(xué)溫度(K)；hm為組分m 的焓(kJ)；cp為比定壓熱容(kJ·(kg·K)-1)；J 為熱通量矢量，為熱傳導(dǎo)和焓擴(kuò)散作用之和；K 為導(dǎo)熱系數(shù)；Prt為Prandtl常數(shù)。

1.3 仿真計(jì)算

圖2 所示為使用Gambit 軟件繪制的計(jì)算網(wǎng)格，全部網(wǎng)格分為5 種類型：三角形網(wǎng)格、四邊形網(wǎng)格、楔形網(wǎng)格、四棱錐網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格總數(shù)為214 777 個(gè)。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Computed grids

由于考慮使用動(dòng)網(wǎng)格，并且在動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算過程中使用“網(wǎng)格重構(gòu)”法，所以，本文使用鋪層的六面體網(wǎng)格。因?yàn)樵趯?shí)際缸內(nèi)網(wǎng)格中，若在上止點(diǎn)位置時(shí)，則壓扁的容積變得非常小，若使用四棱錐網(wǎng)格，則過渡到四面體網(wǎng)格十分困難。鋪層的楔形網(wǎng)格可以取代六面體網(wǎng)格。

仿真時(shí)，使用Fluent 自帶“氣缸活塞運(yùn)動(dòng)”模塊，定義啟動(dòng)時(shí)下止點(diǎn)曲軸角度為180°，活塞達(dá)到上止點(diǎn)曲軸角度為360°，再次回到下止點(diǎn)時(shí)曲軸角為540°，再次達(dá)到上止點(diǎn)完成1 個(gè)周期時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角為720°。

計(jì)算采用的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型，求解控制使用PISO 算法[15]，流體為理想狀況下的空氣。固體邊界條件分別是：自由滑移(活塞及活塞壁)；無滑移(氣缸壁、渦流室、連接通道及起動(dòng)孔)；絕熱壁面(全部)。

2 仿真結(jié)果與分析

模擬活塞從下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到燃油噴射時(shí)間段缸內(nèi)變化的過程，從速度、湍流、壓強(qiáng)和溫度分布研究噴油前渦流室與氣缸內(nèi)氣體的變化。

圖3 渦流室截面速度矢量圖Fig.3 Vector diagram of velocity at center section of swirl chamber

圖3 所示為噴油前4 個(gè)曲軸角度下渦流室截面的速度場(chǎng)矢量圖。從圖3 可見：當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角為98°時(shí)，渦流室內(nèi)大部分空氣處于低速狀態(tài)，然而，受活塞壓縮影響，空氣通過連接通道和起動(dòng)孔涌入渦流室中，使得連接通道和起動(dòng)孔附近氣體流速較高；在曲軸轉(zhuǎn)角為68°時(shí)，此時(shí)涌入的空氣受渦流室壁面和內(nèi)部低速氣流的影響，形成一定程度的紊流運(yùn)動(dòng)；在曲軸轉(zhuǎn)角為38°時(shí)，紊流現(xiàn)象依然存在，但逐漸向渦流形式變化；在曲軸轉(zhuǎn)角為8°時(shí)，噴油時(shí)刻空氣只從連接通道流入渦流室中，從起動(dòng)孔離開渦流室，并且在渦流室兩側(cè)壁面處的流速最大，在渦流室中形成明顯的渦流現(xiàn)象，中心流速低，外圍流速大。經(jīng)分析認(rèn)為：空氣進(jìn)入渦流室內(nèi)由紊流逐漸形成規(guī)則渦流，在噴油時(shí)刻空氣流速在渦流室中心處最小，靠近壁面處較大。

圖4所示為4種曲軸轉(zhuǎn)角下渦流室內(nèi)湍流變化圖。從圖4 可見：在曲軸轉(zhuǎn)角為98°時(shí)，空氣從連接通道和起動(dòng)孔進(jìn)入渦流室內(nèi)，無法形成明顯的渦流，渦流室內(nèi)湍動(dòng)能水平很低，最大湍動(dòng)能出現(xiàn)在連接通道和起動(dòng)孔處，在渦流室中心偏上區(qū)域出現(xiàn)小型渦流；隨著曲軸的運(yùn)動(dòng)，流入渦流室內(nèi)的空氣增多，在渦流室內(nèi)部逐漸形成有規(guī)則的渦流，并且渦流中心逐漸向渦流室中心移動(dòng)；隨著流入渦流室內(nèi)的空氣逐漸增多，渦流室內(nèi)壓強(qiáng)逐漸升高，連接通道和起動(dòng)孔處的湍動(dòng)能也將逐漸減少；當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)到8°時(shí)，渦流室中段壁面處湍動(dòng)能最最大。分析表明：渦流室內(nèi)空氣流的湍動(dòng)能變化情況與室內(nèi)的渦流變化情況相似，并且在渦流室中心處由于流體流速較低，湍動(dòng)能較小，而再渦流室壁面附近流體流速較高，湍動(dòng)能較大。

圖4 渦流室中心截面湍流變化圖Fig.4 Turbulence variation on center cross-section of swirl chamber

圖5 所示為噴油前4 個(gè)曲軸角度下的壓力場(chǎng)特性變化圖。從圖5(a)發(fā)現(xiàn)：氣缸內(nèi)大于渦流室內(nèi)部壓強(qiáng)，使得空氣逐漸被推入渦流室中。從圖5(b)和圖5(c)可見：氣缸內(nèi)氣壓雖然增加，但分布情況幾乎完全相等，渦流室內(nèi)的壓強(qiáng)分布有較小變化，又由于在渦流室中心區(qū)域逐漸形成紊流和渦流，使得渦流室內(nèi)壓強(qiáng)依舊較小。從圖5(d)可見：隨著壓入渦流室內(nèi)氣體增多，在渦流室中心已形成較大的渦流區(qū)域，使得渦流室中心處的壓強(qiáng)最低，燃油噴射孔附近壓強(qiáng)較大。經(jīng)分析認(rèn)為：隨著曲軸轉(zhuǎn)角的不斷變化，起初氣缸內(nèi)壓力較大，空氣逐漸進(jìn)入渦流室內(nèi)，渦流使內(nèi)部壓力逐漸增加；當(dāng)達(dá)到噴油時(shí)刻時(shí)，渦流室中心區(qū)域壓強(qiáng)較小，靠近壁面處壓強(qiáng)較大。

圖6 所示為噴油前4 個(gè)曲軸角度下的溫度場(chǎng)特性變化圖。從圖6 可見：在曲軸轉(zhuǎn)角為98°時(shí)，缸內(nèi)氣體溫度差異不大，最低差值約為1 K；活塞附近溫度略高(這主要是由于缸內(nèi)空氣是理想氣體，在受到擠壓的情況下溫度上升，并且上升幅度隨擠壓程度的增加而增加)；在曲軸轉(zhuǎn)角為68°和38°時(shí)，氣缸內(nèi)氣體溫度逐漸升高，但分布均勻，而渦流室內(nèi)的氣體溫度有所差異(這主要是由于在渦流室中形成了一定程度的渦流或紊流，對(duì)氣體溫度分布產(chǎn)生了一定的影響)；在噴油時(shí)刻8°時(shí)，高溫區(qū)集中在渦流室內(nèi)，最大值為851 K，并且高溫氣體運(yùn)動(dòng)方向與燃油噴射方向一致。此渦流室內(nèi)較高的原因主要與流體運(yùn)動(dòng)有關(guān)，流體從連接通道進(jìn)入渦流室，從起動(dòng)孔流出，使得渦流室內(nèi)氣體溫度高于燃燒室內(nèi)氣體溫度。經(jīng)分析認(rèn)為：隨著被壓入渦流室的空氣逐漸增多，壓強(qiáng)逐漸上升，渦流使內(nèi)部溫度也逐漸升高，最后在渦流室上壁面附近溫度達(dá)到最大值。

圖5 壓力場(chǎng)特性變化圖Fig.5 Characteristics variation of pressure field

圖6 溫度場(chǎng)特性變化圖Fig.6 Characteristics variation of temperature field

3 結(jié)論

(1) 空氣進(jìn)入渦流室內(nèi)由紊流逐漸形成規(guī)則渦流，且渦流中心靠近渦流室中心；在噴油時(shí)刻空氣流速在渦流室中心處較小，靠近壁面處較大。

(2) 渦流室內(nèi)空氣流的湍動(dòng)能變化情況與室內(nèi)的渦流變化情況相似，并且在渦流室中心處由于流體流速較低，湍動(dòng)能較小，而再渦流室壁面附近流體流速較高，湍動(dòng)能較大。

(3) 隨著曲軸轉(zhuǎn)角的不斷變化，起初氣缸內(nèi)壓力較大，空氣逐漸進(jìn)入渦流室內(nèi)，使得渦流使內(nèi)部壓力逐漸增加；當(dāng)達(dá)到噴油時(shí)刻，渦流室中心區(qū)域壓強(qiáng)較小，靠近壁面處壓強(qiáng)較大。

(4) 隨著被壓入渦流室的空氣逐漸增多，壓強(qiáng)逐漸上升，渦流使內(nèi)部溫度也逐漸升高，最后在渦流室上壁面附近溫度達(dá)到最大值。

(5) 噴油正時(shí)，噴油孔附近空氣流速約為24.1 m/s，壓強(qiáng)約為2.3 MPa，溫度約為845 K，在此狀態(tài)下，能較好地滿足機(jī)內(nèi)柴油的混合及燃燒需要。

[1] LI Detao. LDA Measurement and 3-D modeling of air motion in swirl chamber of diesel engines[J]. SAE Paper No.2002-02-0008.

[2] SHI Yu, Reitz R. D. Optimization of a heavy-duty compression-ignition engine fueled with diesel and gasoline-like fuels[J]. Fuel, 2010, 89(11): 3416-3430.

[3] WEI Shengli, DU Baoguo, FENG Liyan, et al. Simulation and experimental research of DI diesel engine swirl chamber combustion system[J]. Chin Int Combust Eng Engng, 2008,29(4): 19-22.

[4] WEI Shengli, WANG Zhong, NI Peiyong, et al. An experimental research on external supercharging in DI diesel engine with swirl chamber combustion system[J]. Automot Eng, 2011, 39(8):649-652.

[5] 王奪, 紀(jì)威, 周慶輝, 等. 渦流室柴油機(jī)燃燒過程模擬[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2007, 38(7): 49-52.WANG Duo, JI Wei, ZHOU Qinghui, et al. Simulation of combustion process in swirl chamber of diesel engine[J]. Journal of Agricultural Machinery, 2007, 38(7): 49-52.

[6] Cole J B, Swords M D. Laser doppler anemometry measurements in an engine[J]. Applied Optics, 1979, 18(10):1539-1545.

[7] 劉玉梅, 袁文華, 伏軍, 等. 渦流室渦流比對(duì)渦流室式柴油機(jī)污染物生成影響的數(shù)值模擬[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014, 45(7): 2473-2480.LIU Yumei, YUAN Wenhua, FU Jun, et al. Numerical simulation on pollutants generation influence from the swirl ratio of swirl chamber in diesel engine with swirl chamber[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2014,45(7): 2473-2480.

[8] Komatsu G, Uramachi H, HosoKawa Y, et al. Numberical simulation of air motion in the swirl chamber of a diesel engine(effect of connecting port in air motion)[J]. JSME Internation Journal, 1991, 34(3): 379-384.

[9] Okazaki T, Sugimoto M, Fujii S, et al. Development of small IDI diesel engine using numerical approaches[J]. SAE Paper No.2004-32-0054.

[10] Montorsi L, Magusson A, Anderson S. A numerical and experimental study of diesel fuel sprays impinging on a temperature controlled wall[J]. SAE Paper No.2006-01-3333.

[11] 朱廣勝, 林鈞毅, 王謙, 等. 柴油機(jī)渦流室結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)渦流室內(nèi)空氣流動(dòng)特性影響的研究[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù), 1996, 2(4):322-328.ZHU Guangsheng, LIN Junyi, WANG Qian, et al. Effect of swirl chamber structural parameters on air motion in the swirl chamber of diesel engines[J]. Combustion Science and Technology, 1996, 2(4): 322-328.

[12] 朱廣圣, 林鈞毅, 張?jiān)铝? 等. 柴油機(jī)渦流室連接通道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其空氣流動(dòng)特性影響的研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程, 1998, 19(1):52-57.ZHU Guangsheng, LIN Junyi, ZHANG Yuelin, et al. Effect of the connecting passage structural parameters of the swirl chamber on air motion in diesel engine[J]. Chinese Internal Combustion Engineering, 1998, 19(1): 52-57.

[13] 唐智, 熊銳, 劉芳, 等. 發(fā)動(dòng)機(jī)渦流室連接通道對(duì)空氣流場(chǎng)影響的模擬研究[J]. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 26(3): 42-45.TANG Zhi, XIONG Rui, LIU Fang, et al. Effect of the connecting passage of the engine swirl chamber on air motion[J].Journal of Guangdong University of Technology, 2009, 26(3):42-45.

[14] 安西方. 渦流燃燒室碰撞噴霧模擬分析[J]. 柴油機(jī), 2011,33(3): 8-13.AN Xifang. Numerical simulation of the spray impingement in a swirl chamber[J]. Diesel Engine, 2011, 33(3): 8-13.

[15] 范維澄, 萬躍鵬. 流動(dòng)及燃燒的模型與計(jì)算[M]. 合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社, 1992: 265-297.FANG Weicheng, WAN Yuepeng. Model and calculation of flow and combustion[M]. Hefei: Chinese Science and Technology University Press, 1992: 265-297.