柴油機燃燒室不同結(jié)構(gòu)對缸內(nèi)流場的影響分析*

于文妍，尹成明

(內(nèi)蒙古科技大學 機械工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

柴油機燃燒室不同結(jié)構(gòu)對缸內(nèi)流場的影響分析*

于文妍，尹成明

(內(nèi)蒙古科技大學 機械工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

運用三維建模軟件Pro/E、有限元分析軟件ANSYS Workbench和流體分析軟件CFX三種軟件進行聯(lián)合仿真，研究燃燒室結(jié)構(gòu)對柴油機缸內(nèi)的速度場及壓力場影響。先運用Pro/E進行三維建模，再通過ANSYS Workbench對其劃分網(wǎng)格，最后通過ANSYS Workbench中的CFX模塊對其不同燃燒室形狀進行速度場及壓力場分析，所得結(jié)果對分析提高燃油利用率和燃燒效率，為燃燒室的形狀優(yōu)化提供了依據(jù)。

有限元；流體；速度場；壓力場

1 引 言

柴油機燃燒過程的好壞對發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放起非常重要的影響。燃油與空氣的合理混合是影響柴油機燃燒過程的重要因素,燃油與空氣混合良好,不僅可縮短燃燒持續(xù)期,提高經(jīng)濟性和動力性,而且對發(fā)動機某些排放指標的改善也起較重要作用。對直噴式柴油機而言,燃油與空氣的混合速率主要取決于燃油動能及空氣運動能量[1]。目前國際上柴油機有采用高噴油壓力、低進氣渦流的趨勢，而且噴油壓力最高可達180 MPa以上[2]。由于我國供油系統(tǒng)與國外有一定的差距,只靠供油系統(tǒng)不能得到滿意的混合效果,還需合理組織燃燒室內(nèi)的氣體運動以彌補噴射能量的不足。

發(fā)動機試驗研究表明,燃燒室形狀對于缸內(nèi)的氣流運動有非常明顯的影響。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在已可對缸內(nèi)的三維流動進行模擬計算,不僅節(jié)省試驗費用,縮短試驗周期,還可獲得試驗難以測量或不能測量的數(shù)據(jù),從而對缸內(nèi)流動進行定性定量分析成為可能。通過利用計算內(nèi)燃機缸內(nèi)氣體流動、計算不同形狀的燃燒室內(nèi)的氣體流動,并結(jié)合試驗結(jié)果,分析燃燒室形狀對缸內(nèi)氣體流動和發(fā)動機性能的影響[3]。

2 計算方案

2.1 柴油機參數(shù)

1臺直噴式六缸柴油機,氣缸直徑為106 mm；行程為125 mm；標定轉(zhuǎn)速為2 300 r/min；標定功率為155 kW；壓縮比為17.5；進氣渦流比為2.3。

2.2 柴油機燃燒室構(gòu)成

如圖1所示，此柴油機進氣口高、出氣口低，便于盡可能多排出一些廢氣，使其燃燒充分。

圖1 柴油機燃燒構(gòu)成

3 模型的建立及網(wǎng)格的劃分

3.1 模型的建立

為了考察不同燃燒室形狀對其速度流場和壓力流場的影響，設(shè)計了四種燃燒室形狀，燃燒室主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。

圖2(a)是w型半開式燃燒室，該燃燒室通過燃燒室內(nèi)壁的曲率的變化，使進來的空氣產(chǎn)生一個徑向旋流，由此使噴霧更加理想。(b)是由(a)中局部修改而來，改變了斜率的變化率，增加流動的復雜性。(c)也是(a)的一個變形，(c)的縮脖長于(a)，主要是探討燃燒室上部高度和壓縮比對于流動的影響。(d)是一個燃燒室凹坑曲率比較平緩的情況，來驗證對流動的影響。

圖2 四種燃燒室形狀

3.2 網(wǎng)格的劃分

在Pro/E中建立計算區(qū)域幾何模型,將幾何模型導入ANSYS Workbench中的CFX mesh模塊進行網(wǎng)格劃分。在劃分網(wǎng)格之前應(yīng)對導入的計算區(qū)域幾何模型進行修復,采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對燃燒室?guī)缀文Ｐ瓦M行區(qū)域離散,計算區(qū)域網(wǎng)格，上述四種燃燒室劃分后的單元數(shù)基本都在15萬左右。

4 氣缸和燃料的初始邊界條件

計算模擬的對象為柴油機處于上止點時，假設(shè)缸內(nèi)氣體均勻分布,在發(fā)動機機缸內(nèi)仿真過程中,模擬的基本計算方程組由質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、組分守恒方程、動量守恒方程、及湍流模型方程組成[1]。經(jīng)實驗測量，氣缸和燃料的初始邊界條件如表1所列。

表1 初始邊界條件

5 計算結(jié)果和分析

隨著活塞向上運動,運動到上止點時，活塞頂面與缸蓋底面間的間隙逐漸減為最小,缸內(nèi)氣體受到壓縮作用,氣流從擠壓區(qū)逐漸流向燃燒室[4]。

5.1 不同燃燒室的速度場變化分析

如圖3所示為缸內(nèi)氣流運動的速度矢量圖，由于燃燒室形狀的差異,圖3中(b)型燃燒室的流動最高速度最高為57.2 m/s，(a)型次之，其后是(c)型，(d)型最小為54.05 m/s。根據(jù)氣體運動速度越快，氣體之間的碰撞越激烈，從而使燃料燃燒越充分。由此可見(d)型燃燒室比其他三種燃燒室更加有利于燃料燃燒，從而提高燃料的利用率，節(jié)省燃料。

圖3 燃燒室內(nèi)速度場分析

5.2 不同燃燒室的壓力場變化分析

如圖4所示為缸內(nèi)氣體產(chǎn)生的壓力場分布情況，(a)型燃燒室壓力值為6.177 MPa，(b)型燃燒室壓力值為5.214 MPa，(c)型燃燒室壓力值為4.284 MPa，(d)型燃燒室壓力值為11.29 MPa。在材料允許的情況下，壓力值越高，對柴油機的輸出動力越好；在材料不允許的情況下，缸內(nèi)承受的壓力越大，對氣缸壁、缸蓋、活塞的失效、破壞越嚴重[5]。

圖4 燃燒室內(nèi)壓力場分析

6 結(jié) 論

在計算參數(shù)設(shè)置完全一樣的條件下,只改變?nèi)紵业男螤?對某柴油機燃燒室流場情況進行了計算,由計算結(jié)果可得出如下結(jié)論。

(1) 燃燒室低部光滑會適當減少燃燒室內(nèi)部氣體的流動，燃燒室低部斜率的變化率對內(nèi)部氣體的流動有一些影響。

(2) 燃燒室體積的增大即凸臺增高，會減少氣體的流動和缸內(nèi)的壓力。

(3) 燃燒室凹坑曲率較平緩對于缸內(nèi)的壓力有相對較大的影響。

[1] 郜 冶. 湍流場特性對燃燒室溫度場的作用[J].空氣動力學學報,2000(3):81-85.

[2] Xui J S L, Xiong Z, Zhang Y Q. 3D Embedded Subband Coding with Optimal Truncation(3D-ESCOT)[J].Applied and Computa-tional Harmonic Analysis, 2001(10):589.

[3] 王錫斌,馬志豪,蔣德明. 燃燒室?guī)缀涡螤顚Ω變?nèi)氣體流動和發(fā)動機性能的影響[J].內(nèi)燃機工程,2002(2):6-11.

[4] Kim B J, Xiong Z, Pearlman W A. Very Low bit-rate Em-bedded VideoCodingwith 3-D SetPartitioning inHierarchicalTrees(3D-SPIHT)[J].IEEE Trans on Circ. and Syst. for Video Tech., 2000(8):1365-1374.

[5] 謝 琰,席明智,劉曉麗. 柴油機縮口四角 ω 燃燒室活塞溫度場試驗研究[J].內(nèi)燃機,2010(2):37-40.

Impact Analysis of Cylinder Flow Field of Diesel Engine Combustion Chamber with Different Structure

YU Wen-yan, YIN Cheng-ming

(DepartmentofMechanicalEngineering,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,BaotouInnerMongolia014010,China)

Co-simulation with 3D modeling software Pro/E， ANSYS Workbench and fluid analysis software CFX are made. The effect of speed field and pressure field of the structure of combustion chamber of diesel engine are researched. Three-dimensional model is established by using Pro/E, then grid is divided by using ANSYS Workbench. Finally,the pressure field and velocity field of different combustion chamber shapes are analyzed based on CFX module of ANSYS Workbench. These results of analysis can be used to improve the utilization rate of fuel and combustion efficiency，which can also provide the basis for the shape optimization of the combustion chamber.

finite element; fluid; velocity field; pressure field

2013-11-08

于文妍(1962-)，女，內(nèi)蒙古包頭人，教授，主要從事機電液一體化系統(tǒng)研究與應(yīng)用方面的工作。

U664

A

1007-4414(2014)01-0065-02