活塞燃燒室及其三維建模的比較

蘭自志

(武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建武夷山354300)

活塞燃燒室及其三維建模的比較

蘭自志

(武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建武夷山354300)

為了對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞的頂部燃燒室進(jìn)行準(zhǔn)確的三維建模，以兩種典型的缸內(nèi)直噴式內(nèi)燃機(jī)為例，分析了它們活塞頂部燃燒室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和特點(diǎn)，柴油機(jī)活塞頂部具有深而窄的凹坑，而汽油機(jī)活塞頂部具有特殊的凸起和較寬的凹坑．基于Pro/E三維造型軟件，比較了這兩種活塞頂部的三維造型過程，提出它們的二維視圖表達(dá)以及三維造型需采用不同的方案．可為各種活塞燃燒室的三維建模提供參考．

缸內(nèi)直噴；柴油機(jī)活塞；汽油機(jī)活塞；燃燒室；三維造型

2 某柴油機(jī)活塞頂部結(jié)構(gòu)及其三維造型

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

柴油機(jī)混合氣的形成基本上有兩種形式，即空間霧化混合和油膜蒸發(fā)混合，兩種混合方式都兼而有之，只是主次各有不同，目前多數(shù)柴油機(jī)仍以空間霧化混合為主．空間霧化混合是直接將柴油以圓錐形的油束從噴油器高壓、高速地噴射到燃燒室空間，形成霧狀混合物，再在空間蒸發(fā)形成混合氣，使柴油與空氣形成混合氣的一種混合方式．但霧化過程中柴油分子的擴(kuò)散范圍是有限的，它只能與它附近的空氣相混合．為了充分利用燃燒室內(nèi)的空氣，并使混合迅速而均勻，可在燃燒室內(nèi)適當(dāng)?shù)亟M織空氣運(yùn)動(dòng)．例如利用活塞頂部的特殊形狀，可在壓縮過程中和膨脹行程開始時(shí)，使空氣在燃燒室中產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流運(yùn)動(dòng)，在擠壓氣流和噴射霧化氣流的共同作用下，更易形成均勻的混合氣，提高了空氣利用率．

某柴油機(jī)活塞頂部燃燒室的結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 某柴油機(jī)活塞頂部視圖

這種柴油機(jī)活塞頂部燃燒室采用了中凸縮口ω型結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠提高燃?xì)獾臏u流保持率，旋轉(zhuǎn)的氣流在壓縮時(shí)可吹散油束，點(diǎn)火膨脹時(shí)又可以加速火焰的傳播，并滿足歐Ⅲ排放法規(guī)要求[3]．由于結(jié)構(gòu)的限制，一般ω型燃燒室的中心、氣缸中心以及油嘴的位置不在同一條線上，故又稱為偏置ω型燃燒室[4]．由于缸內(nèi)渦流運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是周邊處線速度最大，中心處線速度最小，這不僅使中心處的燃油較少，而且渦流紊流也較弱，導(dǎo)致油氣混合變差．因此增加了中央導(dǎo)流凸臺(tái)，它可在燃燒過程中加強(qiáng)擠流、逆擠流和紊流的作用，促進(jìn)了燃?xì)獾某浞只旌?、充分燃燒[5]．

2.2 三維造型方法

在二維視圖表達(dá)上，需要繪制頂部俯視圖和過燃燒室中心的局部剖視圖，如圖1(a)、(b)所示，該視圖方案清晰地表達(dá)了頂部燃燒室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可直接進(jìn)行三維造型．首先需要草繪出如圖1(b)所示的局部剖視圖截面，而后用旋轉(zhuǎn)特征得到曲面，最后實(shí)體化移除材料即可．由于該燃燒室采用了偏置的結(jié)構(gòu)，故需要通過創(chuàng)建基準(zhǔn)平面的方法來指定截面的草繪平面．Pro/E提供了多種基準(zhǔn)平面的創(chuàng)建方法，這里只需用偏移法，即：根據(jù)圖1(a)的偏置尺寸，將活塞左右對(duì)稱面向右平移3 mm，或者將活塞前后對(duì)稱面向上平移2 mm，如圖2 (a)所示．圖2(b)是偏置ω型燃燒室的三維造型結(jié)果．

圖2 某柴油機(jī)活塞頂部燃燒室的三維造型

3 某汽油機(jī)活塞頂部結(jié)構(gòu)及其三維造型

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)采用了稀薄燃燒技術(shù)，它是提高汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的重要手段．稀薄燃燒技術(shù)可以分為分層燃燒和均質(zhì)稀燃兩種燃燒模式．現(xiàn)代缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)通常是根據(jù)大、小負(fù)荷區(qū)域不同的要求，采用不同的混合燃燒模式：大負(fù)荷及全負(fù)荷時(shí)，在早期進(jìn)氣形成中將燃油噴人氣缸，形成完全的均質(zhì)化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行燃燒；中小負(fù)荷時(shí)，在壓縮行程后期開始噴油，在火花塞附近形成較濃的可燃混和氣，而在遠(yuǎn)離火花塞的區(qū)域，形成稀薄分層混和氣，從而實(shí)現(xiàn)分層燃燒[6]．

多種燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可以達(dá)到分層燃燒的目的，壁面引導(dǎo)法因其能夠更好地組織缸內(nèi)可燃混合氣，是目前缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)運(yùn)用最多的類型．但由于大量的燃油直接噴射到活塞頂上，直到火花塞點(diǎn)火時(shí)刻仍有大量的燃油不能蒸發(fā)，所以完全依靠壁面引導(dǎo)的燃燒系統(tǒng)很少，大多數(shù)是與氣流引導(dǎo)法配合使用，氣流引導(dǎo)法可通過缸內(nèi)強(qiáng)烈的氣流運(yùn)動(dòng)，將噴霧帶到火花塞附近[7]．例如基于滾流或基于渦流的壁面引導(dǎo)燃燒系統(tǒng)，其活塞頂部通常被沒計(jì)成既有凹坑又有凸起的曲線形狀，噴油嘴遠(yuǎn)離火花塞布置，利用特殊形狀的活塞表面并配合氣流運(yùn)動(dòng)，將燃油蒸氣導(dǎo)向火花塞并在火花塞間隙形成合適濃度的混合氣．圖3是某汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞，其頂部具有復(fù)雜的形狀，燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可達(dá)到中國(guó)第三階段油耗和歐6A、歐6B排放標(biāo)準(zhǔn)．

圖3 某汽油機(jī)活塞

圖4 某汽油機(jī)活塞頂部視圖表達(dá)

3.2 三維造型方法

該活塞頂部的凹坑及凸起部分如若采用常規(guī)的視圖將難以表達(dá)得清楚和完整，同時(shí)考慮到三維造型的需要，用軌跡線法表達(dá)較為合理．如圖4所示，二維視圖包括頂部俯視圖、軌跡線圖和相互垂直的局部剖視圖．該視圖方案可表達(dá)的活塞特點(diǎn)有：

(1)活塞頂部只有上下對(duì)稱，因此需要用到X、Y、Z、W四點(diǎn)軌跡來表達(dá)，其中Y、Z點(diǎn)軌跡用于表達(dá)凹坑斜面，X、W點(diǎn)軌跡用于表達(dá)凸起部分．

(2)凹坑邊緣斜面角度是漸變的，從M-M視圖可以看出，角度從60°漸變至22°．

(3)M-M視圖同時(shí)也表達(dá)了凹坑左側(cè)邊緣有凸起，即凸起頂面比活塞頂面高2 mm，凸起的外側(cè)斜面角度固定為25°．

(4)從M-M視圖和N-N來看，底部并非是平面或球面，而是由半徑R110 mm和R220 mm決定的曲面，深度為4.5 mm．

這種基于軌跡線法的表達(dá)還有利于三維造型．首先以活塞最大高度(凸起頂面處為最高)建好實(shí)體圓柱，然后在這個(gè)圓柱體頂部做兩次的實(shí)體化移除材料，一次獲得凹坑，一次獲得凸起，就可以得到此活塞的頂部燃燒室形狀．實(shí)體化必須是通過曲面來實(shí)現(xiàn)，Pro/E的實(shí)體化具有多種含義和操作，這里的實(shí)體化就是所謂的“挖切”．此處有三個(gè)曲面需建立，造型主要采用了普通掃描和掃描混合這兩種方法．

第一個(gè)曲面是凹坑的斜面，首先根據(jù)圖4(b)的Y、Z點(diǎn)軌跡(圖中虛線)草繪軌跡，基準(zhǔn)平面為活塞頂面，Y、Z點(diǎn)軌跡表達(dá)了凹坑在活塞頂面的環(huán)狀，如圖5(a)所示．凹坑漸變的斜面可通過在此軌跡上放置參考點(diǎn)，然后在各點(diǎn)上繪制剖面，最后用掃描混合的辦法創(chuàng)建，如圖5(b)所示，而每個(gè)參考點(diǎn)上的剖面角度就反映了漸變的過程．軌跡線、參考點(diǎn)、剖面角度等數(shù)據(jù)可以通過設(shè)計(jì)獲得，也可以通過投影儀、輪廓儀等儀器測(cè)量活塞樣品獲得．

第二個(gè)曲面是凹坑的底面，首先根據(jù)圖4(c)N-N視圖的R220繪制掃描軌跡線，把M-M視圖的R110圓弧線作為截面，用普通掃描即可獲得底面，反之亦可，建模過程要注意凹坑的偏心距4 mm．而后將第一、第二曲面合并，最后實(shí)體化移除材料，結(jié)果如圖5(c)所示，這里完成了凹坑的建模．

第三個(gè)曲面目的是獲得單側(cè)凸起的效果，與Y、Z點(diǎn)軌跡類似，先根據(jù)圖4(b)的X、W點(diǎn)軌跡(圖中實(shí)線)草繪掃描軌跡，由于凸起的外側(cè)斜面角度固定，所以用普通掃描即可，曲面如圖5(d)所示．實(shí)體化移除材料后的結(jié)果如圖3所示．

圖5 某汽油機(jī)活塞頂部燃燒室的三維造型

4 比較

缸內(nèi)直噴式柴油機(jī)混合氣的形成以空間霧化混合為主，因?yàn)榛旌蠚庑纬傻臅r(shí)間極短，所以給柴油和空氣的良好混合和完全燃燒帶來了極大的困難，需適當(dāng)組織燃燒室內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)．例如利用活塞頂部各種形狀的凹坑來產(chǎn)生渦流、擠壓氣流等，可促進(jìn)柴油與空氣的混合并加速燃燒，凹坑的特點(diǎn)是深而窄，且一般需偏置．其二維視圖主要采用頂部俯視圖和局部剖視圖．由于凹坑一般是旋轉(zhuǎn)體，因此其三維造型較為簡(jiǎn)單．利用偏移法建立好草繪平面后，通過Pro/E提供的旋轉(zhuǎn)曲面、實(shí)體化等操作可以直接造型，如U型、ω型、球型、啞鈴型等類型的凹坑．四角ω型和花瓣型的凹坑雖然其底部仍為旋轉(zhuǎn)體，但頂部為非旋轉(zhuǎn)體，因此需在底部旋轉(zhuǎn)造型的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行頂部的拉伸曲面并去除材料操作，拉伸的截面即為四角形或花瓣形．

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)是在部分負(fù)荷時(shí)用混合氣的分層化實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，得到同柴油機(jī)一樣低的燃油消耗率．燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常采用壁面引導(dǎo)法和氣流引導(dǎo)法相配合的方案，利用既有凹坑又有凸起的活塞頂部表面并配合氣流運(yùn)動(dòng)，將混合氣引導(dǎo)至火花塞附近進(jìn)行點(diǎn)火，缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)形式主要有渦流、紊流、滾流、擠流等．其活塞頂部凹坑淺而寬，并且凹坑斜面的角度通常設(shè)計(jì)成漸變．二維視圖除了采用常規(guī)的俯視圖、局部剖視圖外，還需借助軌跡線才能表達(dá)清楚，軌跡線要有利于三維造型．三維模型主要通過曲面造型獲得，利用Pro/E提供了多種基于軌跡線的曲面造型方法，如普通掃描、掃面混合、邊界混合等可對(duì)復(fù)雜的凹坑、凸起造型．

[1]錢人一.馬勒汽油直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)活塞新結(jié)構(gòu)[J].汽車與配件,2008 (44):46-48.

[2]劉剛.2135柴油機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[D].大連:大連理工大學(xué),2006: 3-5.

[3]馬學(xué)軍,馬呈新,郭偉.適應(yīng)歐III要求的柴油機(jī)活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].山東內(nèi)燃機(jī),2006(2):11-13.

[4]吳義民,高明軍.直噴式柴油機(jī)燃燒室偏置對(duì)活塞裙側(cè)壓力的影響[J].內(nèi)燃機(jī)配件,2002(5):25-26.

[5]孫傳利,宋玉波,趙勇.KM186型柴油機(jī)的研制開發(fā)[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置,2006(6):1-3.

[6]周華,張曉輝,韓玉環(huán).汽油機(jī)缸內(nèi)直噴稀薄燃燒技術(shù)(GDI)[J].客車技術(shù)與研究,2007(4):28-38.

[7]田江平.點(diǎn)火室式直噴汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)及其噴霧特性研究[D].大連:大連理工大學(xué),2009:15-24.

【編校：李青】

Comparison of Combustion Chamber and 3D Modeling Method of Different Piston

LAN Zizhi
(School of Mechanical and Electrical Engineering,Wuyi University,Wuyishan,Fujian 354300,China)

In order to make 3D modeling accurately for the top combustion chamber of engine piston,two typical direct-injection engines were used as examples.One was diesel engine and the other was gasoline engine.The design principle and characteristics of piston’s top combustion chamber were analyzed.The top of diesel engine piston has deep and narrow pit,but gasoline engine piston has a special projection and the depression is wider.After comparing the process of 3D modeling based on Pro/E,the different methods for the top combustion chamber’s two dimensional view expression and three dimensional modeling were presented.The methods can be used for reference and applied to 3D modeling of other piston’s combustion chamber.

direct-injection;diesel engine piston;gasoline engine piston;combustion chamber;three dimensional modeling

TK402

A

1671-5365(2014)06-0075-04

內(nèi)燃機(jī)活塞頂部承受氣體壓力，并與汽缸蓋、汽缸壁共同構(gòu)成燃燒室，其形狀、位置、大小都和燃燒室的具體形式有關(guān)，都是為滿足可燃混合氣形成和燃燒的要求而設(shè)．直噴式柴油機(jī)是在壓縮行程接近終了時(shí)，借助噴油系統(tǒng)將高壓燃料噴入氣缸中，與高溫、高壓的熱空氣混合后便立即自行燃燒，其活塞頂部燃燒室有多種異形結(jié)構(gòu)，常用的有U型、ω型、四角ω型、球型、啞鈴型、花瓣型等．直噴式汽油機(jī)在傳統(tǒng)進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使汽油機(jī)能像柴油機(jī)那樣，將燃油直接噴射到燃燒室中并形成可燃混合氣，它可比經(jīng)典的進(jìn)氣口噴射汽油機(jī)節(jié)能20%[1]．為了更好地組織缸內(nèi)可燃混合氣，其活塞頂部燃燒室一般具有特殊的凹坑和凸起，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜．對(duì)活塞頂部的異形結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模一般需要通過曲面造型才能完成，Pro/E是PTC(美國(guó)參數(shù)技術(shù))公司推出的一款優(yōu)秀的CAD產(chǎn)品，它包含的曲面設(shè)計(jì)模塊是一個(gè)功能強(qiáng)大且相當(dāng)實(shí)用的模塊．此外，活塞頂部三維造型必須依托二維視圖，但對(duì)于某些異形活塞，傳統(tǒng)的視圖表達(dá)已很難做到完整而清晰，而在Pro/E造型時(shí)，如果缺少尺寸就將意味著缺少約束，造型將無法進(jìn)行．本文以某缸內(nèi)直噴式柴油機(jī)和汽油機(jī)的活塞為例，在分析了它們頂部燃燒室結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，給出了各自的二維視圖表達(dá)及Pro/E三維造型方案，最后對(duì)兩種方案作了比較．

1 活塞頂部三維造型的意義

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)燃燒過程有重要影響，燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)具有紊流程度高、變化速度快等特點(diǎn)[2]，對(duì)燃燒室工作過程的研究包括試驗(yàn)法和仿真計(jì)算兩種．試驗(yàn)法對(duì)缸內(nèi)的工作過程進(jìn)行直接觀測(cè)，但是氣缸內(nèi)部始終處于高溫高壓的環(huán)境下，人們很難獲得精確的燃燒室內(nèi)流場(chǎng)情況．隨著科技的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)過程的三維數(shù)值模擬可以代替部分發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，數(shù)值仿真法因其建模方便、結(jié)果直觀等優(yōu)勢(shì)成為目前最常用的方法，并能節(jié)省大筆的試驗(yàn)資金．由于燃燒室內(nèi)組織可燃混合氣基本是由活塞頂部幾何形狀所決定的，因此建立準(zhǔn)確的頂部三維幾何模型是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)．

2013-10-24修回：2013-11-24

蘭自志(1978-)，男，講師，碩士，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)鋁活塞的設(shè)計(jì)和制造

時(shí)間：2013-12-30 11:57

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20131230.1157.002.html