燃燒室形狀對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的模擬分析

王忠恕， 李慧， 楊舟， 李偉峰

(吉林大學(xué)汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 吉林 長(zhǎng)春 130025)

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燃燒室形狀對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的模擬分析

王忠恕， 李慧， 楊舟， 李偉峰

(吉林大學(xué)汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 吉林 長(zhǎng)春 130025)

利用STAR-CD軟件模擬研究了3種燃燒室形狀對(duì)柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，3種燃燒室分別為ω形燃燒室、八邊啞鈴形燃燒室和圓柱形燃燒室。研究發(fā)現(xiàn)，八邊啞鈴形燃燒室因?yàn)闇p小了喉口直徑，增加了擠流強(qiáng)度，使得氣缸內(nèi)的湍動(dòng)能增強(qiáng)，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，燃料利用率提高，同時(shí)，在燃燒室的底部設(shè)計(jì)凸臺(tái)，能引導(dǎo)燃燒室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)，并引導(dǎo)柴油向燃燒室的底部擴(kuò)散，促進(jìn)著火點(diǎn)的廣泛分布。因此，八邊啞鈴形燃燒室的缸內(nèi)平均壓力、平均溫度和指示熱效率最高，天然氣剩余比例最小。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)； 燃燒室； 燃燒； 排放； 仿真

能源危機(jī)和環(huán)境污染不斷加劇，排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，開(kāi)發(fā)利用新型清潔代用燃料迫在眉睫。天然氣因資源豐富、價(jià)格低廉、環(huán)保性好而備受關(guān)注，成為石油的主要替代品。天然氣的辛烷值較高，具有較好的抗爆性，與汽油機(jī)相比，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用更高的壓縮比以提高熱效率；與柴油機(jī)相比，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中天然氣更容易與空氣混合，炭煙排放較少[1-2]。根據(jù)點(diǎn)火方式，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)可以分為火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和壓縮燃燒式發(fā)動(dòng)機(jī)。壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)大多由柴油機(jī)改裝而成，柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的一種重要形式，在壓縮上止點(diǎn)附近，噴入氣缸內(nèi)的柴油自燃著火，并點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)的天然氣和空氣混合氣，使天然氣燃燒，因此柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有壓燃式和點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的雙重特點(diǎn)[3-5]。柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用原柴油機(jī)的壓縮比，可以充分發(fā)揮天然氣辛烷值高的優(yōu)點(diǎn)，提高熱效率，此外柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以降低NOx和炭煙排放量，環(huán)保性好[6-7]。但由于柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用改裝前原柴油機(jī)的燃燒室，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在雙燃料模式時(shí)，存在一系列問(wèn)題，其中較為突出的問(wèn)題之一是柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷時(shí)，CH4排放量高，熱效率低，經(jīng)濟(jì)性差。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了廣泛的研究,包括天然氣的替代率、噴油時(shí)刻和轉(zhuǎn)速等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。然而，關(guān)于柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的研究還相對(duì)較少。國(guó)內(nèi)外研究表明：燃燒室的形狀對(duì)燃燒過(guò)程有重要影響[8-10]。在已有文獻(xiàn)中，對(duì)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的研究，更多的是針對(duì)天然氣單一燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。如BijanYadollahi等利用STAR-CD仿真軟件模擬研究了5種燃燒室形狀對(duì)天然氣和空氣混合氣形成和分布的影響[11]。天津大學(xué)的焦運(yùn)景等針對(duì)火花點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)了3種不同形狀的燃燒室，對(duì)不同燃燒室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)和燃燒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[12]。也有部分學(xué)者對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)行了研究，但主要是對(duì)柴油-汽油或生物柴油-二甲醚等雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的研究，目前針對(duì)柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的詳細(xì)研究相對(duì)較少[13]。

為解決低負(fù)荷時(shí)柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率低、CH4排放量高等問(wèn)題，本研究從改變?nèi)紵业男螤钪郑讦匦稳紵?改裝前原柴油機(jī)燃燒室)，重新設(shè)計(jì)了圓柱形燃燒室和八邊啞鈴形燃燒室，利用商用軟件STAR-CD對(duì)ω形燃燒室、八邊啞鈴形燃燒室和圓柱形燃燒室進(jìn)行了數(shù)值模擬。為尋求適用于柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)最佳燃燒室提供數(shù)據(jù)支持。

1 模型的建立和計(jì)算條件的選擇

1.1 模型的建立

試驗(yàn)所用柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是由1臺(tái)電控高壓共軌、增壓中冷柴油機(jī)開(kāi)發(fā)而成，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。天然氣是在進(jìn)氣道噴射，從噴嘴噴出后，在氣道內(nèi)與空氣混合，天然氣與空氣混合得較為充分，進(jìn)入氣缸內(nèi)的混合氣趨于均勻。為了節(jié)省計(jì)算成本，本研究不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣階段和排氣階段，只考慮進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉后和排氣門(mén)開(kāi)啟前的工作階段，即計(jì)算模型不含有進(jìn)排氣道。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

計(jì)算起始角度選為進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻，即壓縮上止點(diǎn)前120°曲軸轉(zhuǎn)角，結(jié)束角度選為壓縮上止點(diǎn)后70°，360°為壓縮上止點(diǎn)。活塞運(yùn)行至下止點(diǎn)時(shí)，計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)約為3×105個(gè)，網(wǎng)格尺寸為0.8 mm。在研究過(guò)程中對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了相關(guān)性分析，研究結(jié)果表明，網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大。圖1示出活塞在下止點(diǎn)時(shí)的計(jì)算網(wǎng)格。

圖1 計(jì)算網(wǎng)格

1.2 模型及算法的選擇

由于κ-ε/RNG模型很好地考慮了近壁區(qū)域的流動(dòng)，具有較高的模擬精度，因此本研究湍流模型選為κ-ε/RNG模型。Bai模型對(duì)干壁面和濕壁面采用了不同的處理方法,可以精確反映燃油粒子的撞壁運(yùn)動(dòng)，因此本研究液滴撞壁模型選為Bai模型。霧化模型選為Reitz-Diwakar模型。STAR-CD仿真軟件提供了多種燃燒模型，包括CFM模型、ECFM模型、ECFM-3Z模型、PVM-MF模型、DARS模型和G-equation模型。其中ECFM-3Z燃燒模型主要由混合模型、火焰?zhèn)鞑ツＰ?、后火焰和排放模型、火花點(diǎn)火和自燃/爆震模型四部分組成，并且同時(shí)考慮了自燃、預(yù)混合燃燒和擴(kuò)散燃燒，可以模擬多種燃料同時(shí)燃燒，因此，本研究燃燒模型選為ECFM-3Z模型。由于ECFM-3Z模型內(nèi)置有著火模型和排放模型，因此著火模型選為Delay模型，NOx排放模型選為擴(kuò)展的澤爾多維奇機(jī)理，SOOT的排放模型為ERC模型。STAR-CD軟件提供了兩種求解算法，即SIMPLE算法和PISO算法，SIMPLE多用于穩(wěn)態(tài)計(jì)算，而PISO常用于瞬態(tài)計(jì)算，本研究選取PISO算法。

1.3 模擬計(jì)算條件

初始?jí)毫τ稍囼?yàn)得到的示功圖獲得，初始溫度由理想氣體狀態(tài)方程求得。初始流場(chǎng)以渦流比的形式給出，渦流比為1.2，壁面溫度邊界采用絕熱邊界。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的有效性，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，所選工況轉(zhuǎn)速為1 335 r/min，扭矩為218 N·m，天然氣能量替代率為90%。圖2示出試驗(yàn)測(cè)得的缸內(nèi)壓力和模擬計(jì)算得出的缸內(nèi)壓力對(duì)比，圖3示出試驗(yàn)測(cè)得的CH4排放量和模擬計(jì)算得出的CH4排放量的對(duì)比。從缸內(nèi)壓力曲線和CH4排放量柱狀圖可以看出，試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果吻合較好，說(shuō)明所選模型和計(jì)算方法是合理的，可以進(jìn)行下一步研究。

圖2 試驗(yàn)和模擬缸內(nèi)壓力的對(duì)比

圖3 試驗(yàn)和模擬CH4排放量的對(duì)比

天然氣能量替代率計(jì)算公式為

(1)

2.2 燃燒室形狀影響規(guī)律

對(duì)ω形燃燒室、八邊啞鈴形燃燒室和圓柱形燃燒室進(jìn)行了數(shù)值模擬，以探究燃燒室的形狀對(duì)柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的影響規(guī)律。模擬計(jì)算除燃燒室形狀不同外，其他邊界條件均一致，壓縮比保持為17.2∶1。燃燒室形狀見(jiàn)圖4。

圖4 3種燃燒室形狀示意

圖5示出3種燃燒室的缸內(nèi)平均壓力、平均溫度和放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的模擬計(jì)算結(jié)果。從圖5a和圖5b可以看出，在上止點(diǎn)附近，著火初期，ω形燃燒室缸內(nèi)平均壓力和平均溫度最高，八邊啞鈴形燃燒室次之，圓柱形燃燒室最低。隨著活塞逐漸下行，八邊啞鈴形燃燒室的缸內(nèi)平均壓力和平均溫度逐漸變?yōu)樽罡撸瑘A柱形燃燒室次之，ω形燃燒室最低。從圖5c可以看出，在上止點(diǎn)附近，ω形燃燒室的第一放熱率峰值最高，其次是八邊啞鈴形燃燒室，圓柱形燃燒室第一放熱率峰值最低。同時(shí)，八邊啞鈴形燃燒室第二放熱率峰值高于圓柱形燃燒室，ω形燃燒室第二放熱率峰值不明顯。

圖5 燃燒室形狀對(duì)缸內(nèi)參數(shù)的影響

ω形燃燒室由于氣流速度及湍動(dòng)能較小，有利于火核的穩(wěn)定形成，使得滯燃期較短。同時(shí)柴油分布區(qū)域相對(duì)較小，區(qū)域內(nèi)柴油混合氣相對(duì)較濃，一經(jīng)著火便迅速燃燒,并快速引燃柴油周?chē)烊粴猓變?nèi)壓力和溫度快速上升。而八邊啞鈴形燃燒室由于較強(qiáng)的擠流作用，氣流速度較大，形成的火核易被吹熄，使得柴油滯燃期相對(duì)較長(zhǎng)，因此，當(dāng)活塞在上止點(diǎn)附近時(shí)，八邊啞鈴形燃燒室內(nèi)溫度及壓力較ω形燃燒室低。隨著活塞遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，八邊啞鈴形燃燒室內(nèi)由于著火點(diǎn)分布廣泛，湍動(dòng)能較大，燃燒速度加快，更多的天然氣參與燃燒，放熱量增多，缸內(nèi)壓力和溫度較高。而ω形燃燒室由于燃燒初期便大量燃燒放熱，著火點(diǎn)分布相對(duì)較少，不利于更多的天然氣參與燃燒，氣缸周?chē)腿紵业撞坑写罅刻烊粴馐Ｓ?，缸?nèi)壓力和溫度相對(duì)較低，第二放熱率峰值不明顯。圓柱形燃燒室燃燒放熱情況介于八邊啞鈴形和ω形之間。

圖6示出燃料剩余百分比隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化，圖7示出3種燃燒室指示熱效率對(duì)比。在燃料剩余百分比曲線圖中，柴油剩余百分比定義為當(dāng)前時(shí)刻氣缸內(nèi)剩余的柴油質(zhì)量與到當(dāng)前時(shí)刻為止累計(jì)噴入氣缸內(nèi)柴油總質(zhì)量的比值，天然氣剩余百分比定義為當(dāng)前時(shí)刻氣缸內(nèi)剩余的天然氣質(zhì)量與到當(dāng)前時(shí)刻為止累計(jì)進(jìn)入氣缸內(nèi)天然氣總質(zhì)量的比值。從圖6可以看出，ω形燃燒室內(nèi)天然氣剩余量最多，圓柱形燃燒室次之，八邊啞鈴形燃燒室內(nèi)天然氣剩余量最少；同時(shí)可以看出，ω形燃燒室內(nèi)柴油剩余量最低，圓柱形燃燒室內(nèi)柴油剩余量最高。這驗(yàn)證了八邊形燃燒室更有利于天然氣的燃燒。從圖7可以看出，八邊啞鈴形燃燒指示熱效率最高，約為45.3%，圓柱形燃燒室次之，ω形燃燒室最低。

圖6 燃料剩余百分比隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化

圖7 3種燃燒室指示熱效率對(duì)比

2.3 微觀場(chǎng)分析

2.3.1 速度場(chǎng)分析

圖8示出3種燃燒室內(nèi)氣流速度在不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的微觀場(chǎng)，為了讀圖方便，對(duì)每一微觀場(chǎng)采用了固定的標(biāo)尺，徑向取圖位置為過(guò)活塞頂下部2 mm處，軸向取圖位置恰好經(jīng)過(guò)兩個(gè)噴油嘴中心連線，如圖中實(shí)線。從圖中可以看出，當(dāng)活塞運(yùn)行至上止點(diǎn)附近時(shí)，八邊啞鈴形燃燒室內(nèi)氣流速度最大，并在燃燒室底部仍具有較強(qiáng)的氣流速度，這是由于八邊啞鈴形燃燒室喉口直徑最小，產(chǎn)生的擠流最強(qiáng)?？梢钥闯?，燃燒室喉口直徑對(duì)擠流強(qiáng)度影響很大。較強(qiáng)的擠流有利于增加湍動(dòng)能(這從對(duì)應(yīng)的湍動(dòng)能場(chǎng)可以看出)，加快燃燒室內(nèi)已燃?xì)怏w與未燃?xì)怏w混合。天津大學(xué)的焦運(yùn)景和江蘇大學(xué)的潘劍鋒等在燃燒室研究中也得出了類(lèi)似觀點(diǎn)[12-14]。從圓柱形燃燒室底部速度場(chǎng)分布可以看出，燃燒室底部速度尤其是燃燒室底部的中心部位氣流速度較小。八邊啞鈴形燃燒室和ω形燃燒室由于燃燒室底部設(shè)計(jì)有凸臺(tái)，對(duì)燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)有引導(dǎo)作用，并且八邊啞鈴形燃燒室內(nèi)凸臺(tái)導(dǎo)流作用更明顯。燃燒室底部剩余的天然氣量與氣流運(yùn)動(dòng)和底部所存在的天然氣多少有關(guān)，在燃燒室底部設(shè)計(jì)凸臺(tái)，一方面減小了氣流速度較小區(qū)域，另一方面可以引導(dǎo)燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響燃料與空氣的混合、柴油的分布和火焰的傳播，減少燃燒室底部燃料剩余。日本德島大學(xué)的Y.Kinoguchi等也在研究中得出，較小的縮口并結(jié)合燃燒室底部凸臺(tái)能延長(zhǎng)燃燒室內(nèi)較高的湍動(dòng)能持續(xù)期，有效促進(jìn)燃料的燃燒[15]。

2.3.2 湍動(dòng)能場(chǎng)分析

圖9示出3種燃燒室內(nèi)湍動(dòng)能在不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的微觀場(chǎng)。從圖中可以看出，在壓縮過(guò)程后期，活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，八邊啞鈴形燃燒室湍動(dòng)能最大且分布最廣，圓柱形燃燒室次之，ω形燃燒室內(nèi)湍動(dòng)能最小。在燃燒初期，較高的湍動(dòng)能有利于天然氣和空氣混合得更加均勻，以及柴油在燃燒室內(nèi)分布得更加廣泛，有利于增加著火面積，但較高的湍動(dòng)能不利于形成穩(wěn)定的火核。因此，在燃燒初期，柴油的滯燃期相對(duì)較長(zhǎng)。隨著活塞下行，逐漸遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，八邊啞鈴形燃燒室內(nèi)高湍動(dòng)能區(qū)域進(jìn)一步增大，并在活塞頂和氣缸蓋之間保持較高的湍動(dòng)能，這不僅有利于天然氣與空氣的快速混合，而且有利于火焰的傳播，加快天然氣的燃燒，提高天然氣的利用率?？梢钥闯靓匦稳紵覛飧變?nèi)部湍動(dòng)能相對(duì)較小，而圓柱形燃燒室氣缸內(nèi)湍動(dòng)能介于兩者之間。

2.3.3 柴油濃度場(chǎng)分析

圖10示出3種燃燒室內(nèi)柴油質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的微觀場(chǎng)。柴油噴入燃燒室后，經(jīng)過(guò)著火前的物理和化學(xué)反應(yīng)，在高溫高壓條件下自燃著火。從圖中可以看出，隨著活塞上移，ω形燃燒室內(nèi)柴油逐漸向燃燒室壁面方向擴(kuò)散，而八邊啞鈴形燃燒室內(nèi)柴油向凸臺(tái)方向以及沿著凸臺(tái)壁面向下擴(kuò)散，而圓柱形燃燒室內(nèi)柴油則在噴射位置處向四周擴(kuò)散，3種燃燒室內(nèi)柴油的擴(kuò)散方向主要是由燃燒室的形狀和氣流運(yùn)動(dòng)方向所決定。與八邊啞鈴形燃燒室和圓柱形燃燒室相比，ω形燃燒室內(nèi)柴油剩余較少，這是因?yàn)棣匦稳紵覂?nèi)柴油滯燃期較短，燃燒速度較快，八邊啞鈴形燃燒室和圓柱形燃燒室內(nèi)柴油滯燃期相對(duì)較長(zhǎng)，燃燒速度較慢，在活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，仍有較多的柴油剩余。柴油燃燒后放出大量的熱量，使得缸內(nèi)溫度升高，有利于缸內(nèi)燃料的燃燒。隨著活塞下行，柴油繼續(xù)燃燒，可以看出，當(dāng)活塞運(yùn)行到365°時(shí)，ω形燃燒室內(nèi)柴油消耗殆盡，而圓柱形燃燒室內(nèi)仍有少量的柴油剩余。同時(shí)，從圖10中柴油的擴(kuò)散方向可以得出，在燃燒室的底部設(shè)計(jì)凸臺(tái)，通過(guò)引導(dǎo)氣流運(yùn)動(dòng)可以引導(dǎo)柴油擴(kuò)散方向，改善柴油在燃燒室內(nèi)的分布。

圖8 速度場(chǎng)

圖9 湍動(dòng)能場(chǎng)

2.3.4 天然氣濃度場(chǎng)分析

圖11示出3種燃燒室內(nèi)天然氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的微觀場(chǎng)。從圖中可以看出，在柴油著火位置，天然氣濃度開(kāi)始下降，這說(shuō)明天然氣是由柴油引燃的。當(dāng)活塞上行到達(dá)壓縮上止點(diǎn)時(shí)，在同一曲軸轉(zhuǎn)角下，ω形燃燒室內(nèi)天然氣濃度下降最多，八邊啞鈴形燃燒室次之，圓柱形燃燒室內(nèi)天然氣濃度下降最少，這是由于ω形燃燒室內(nèi)柴油滯燃期較短，燃燒速度較快，并不斷引燃周?chē)烊粴猓固烊粴飧绺斓厝紵?。隨著活塞離開(kāi)壓縮上止點(diǎn)下行，由于八邊啞鈴形燃燒室和圓柱形燃燒室內(nèi)柴油滯燃期較長(zhǎng)，氣缸內(nèi)湍動(dòng)能較大，使得柴油在缸內(nèi)分布更加廣泛，有利于引燃更多的天然氣?？梢钥闯?，當(dāng)活塞運(yùn)行至400°時(shí)，八邊啞鈴形燃燒室內(nèi)天然氣剩余最少，僅在燃燒室底部靠近凸臺(tái)部位有少量剩余，這是由于八邊啞鈴形燃燒室內(nèi)柴油分布廣泛，并且湍流較大，促進(jìn)了已燃?xì)怏w和未燃?xì)怏w的交換，提高了火焰?zhèn)鞑ニ俾剩龠M(jìn)了燃燒室內(nèi)燃料的充分燃燒。ω形燃燒室和圓柱形燃燒室底部和靠近氣缸軸線的區(qū)域有大量的天然氣剩余，由于圓柱形燃燒室氣缸內(nèi)接近氣缸壁處湍動(dòng)能相對(duì)ω形燃燒室要大，燃燒速率較ω形燃燒室要快，天然氣燃燒更為充分，天然氣剩余量較ω形燃燒室要少。

2.3.5 溫度場(chǎng)分析

圖12示出3種燃燒室內(nèi)溫度在不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的微觀場(chǎng)。從圖中可以看出，柴油開(kāi)始著火前，缸內(nèi)溫度分布均勻，僅在柴油噴入和貫穿的區(qū)域溫度下降。燃燒之后，在同一曲軸轉(zhuǎn)角下，ω形燃燒室內(nèi)已燃區(qū)域內(nèi)的溫度最高，八邊啞鈴形燃燒室次之，圓柱形燃燒室最低，這是由于ω形燃燒室內(nèi)柴油滯燃期最短。缸內(nèi)柴油和天然氣燃燒后，釋放出大量的熱量，使得缸內(nèi)高溫區(qū)域不斷擴(kuò)大，逐漸向壁面?zhèn)鞑ァ？梢钥闯觯?80°時(shí)，3種燃燒室底部的溫度均較低。400°時(shí)，對(duì)于ω形燃燒室和圓柱形燃燒室，燃燒室底部和靠近氣缸軸線的區(qū)域溫度均較低，而八邊啞鈴形燃燒室內(nèi)溫度分布則較為均勻，這是由于八邊啞鈴形燃燒室內(nèi)柴油分布廣泛，同時(shí)氣缸內(nèi)氣流速度快，湍動(dòng)能大，有利于天然氣的充分燃燒，放出更多的熱量，因此八邊啞鈴形燃燒室內(nèi)溫度相對(duì)較高。

圖11 天然氣濃度場(chǎng)

圖12 溫度場(chǎng)

2.4 燃燒室形狀對(duì)CH4排放的影響分析

圖13示出3種燃燒室所對(duì)應(yīng)的CH4排放量(CH4排放量是指計(jì)算結(jié)束時(shí)刻430°時(shí)CH4的剩余量)。從圖中可以看出，ω形燃燒室CH4排放量最高，八邊啞鈴形燃燒室CH4排放量最低。這是由于八邊啞鈴形燃燒室內(nèi)天然氣著火點(diǎn)分布較為廣泛，湍動(dòng)能較大，天然氣燃燒充分，因此排放出的CH4最少。這從上文中燃料剩余比例曲線以及缸內(nèi)天然氣微觀場(chǎng)分析也能看出。

圖13 3種燃燒室內(nèi)CH4排放量

3 結(jié)論

a) 八邊啞鈴形燃燒室缸內(nèi)平均壓力和溫度最高，圓柱形燃燒室次之，ω形燃燒室最低；同時(shí)，ω形燃燒室內(nèi)柴油滯燃期較短，天然氣燃燒速度較慢，八邊啞鈴形燃燒室和圓柱形燃燒室內(nèi)柴油滯燃期相對(duì)較長(zhǎng)，天然氣燃燒速度較快；八邊啞鈴形燃燒室內(nèi)，天然氣剩余比例最小，天然氣利用率高，燃料的經(jīng)濟(jì)性較好；此外，八邊啞鈴形燃燒室內(nèi)指示熱效率最高，為45.3%；

b) 從模擬計(jì)算微觀場(chǎng)中可以看出，八邊啞鈴形燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)速度最大，湍動(dòng)能最強(qiáng)，圓柱形燃燒室次之，ω形燃燒室最低；ω形燃燒室的CH4排放量最多，其中CH4主要是在燃燒室的底部和氣缸壁附近剩余較多；八邊啞鈴形燃燒室CH4排放量最低，僅在燃燒室底部，貼近凸臺(tái)處剩余少量CH4；對(duì)于柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，為保證天然氣的可靠著火，在天然氣著火初期，湍動(dòng)能不應(yīng)過(guò)大；天然氣快速燃燒時(shí)，可增加湍動(dòng)能強(qiáng)度和延長(zhǎng)湍動(dòng)能持續(xù)期，以保證天然氣的快速、充分燃燒，提高柴油-天然氣的熱效率，降低CH4排放；

c) 通過(guò)減小燃燒室喉口直徑，可以增強(qiáng)燃燒室內(nèi)的擠流強(qiáng)度，增加氣缸內(nèi)的湍動(dòng)能，提高缸內(nèi)燃料的燃燒速度；在燃燒室的底部中心部位設(shè)計(jì)凸臺(tái)，能引導(dǎo)燃燒室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)大著火點(diǎn)分布范圍，改善燃燒室底部燃料的燃燒，并在較大擠流作用下凸臺(tái)的導(dǎo)流效果更加明顯。

[1] 宋均，張武高，黃震.車(chē)用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)與性能研究[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī),2001(6):8-12.

[2] 徐富水，秦江濤.CNG -柴油雙燃料電控發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī),2012(1):60-62.

[3] 周龍保，劉忠長(zhǎng)，高宗英.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[4] Papagiannakis R G,Hountalas D T.Experimental and Theoretical Analysis of the Combustion and Pollutants Formation Mechanisms in Dual Fuel DI Diesel Engines [C].SAE Paper 2005-01-1726.

[5] 林志強(qiáng)，蘇萬(wàn)華.柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)最佳引燃柴油量及過(guò)量空氣系數(shù)濃限、稀限的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2002,20(6):505-510.

[6] Kusaka J, Okamoto T,Daisho Y,et al.Combustion and exhaust gas emission characteristics of a diesel engine dual-fuelled with natural gas[C].SAE Review October, 2000, 21(4):489-496.

[7] 金華玉，劉忠長(zhǎng)，王忠恕，等.柴油機(jī)燃燒過(guò)程模擬分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2007,37(5):1028-1033.

[8] Stefano Cordiner,Michele Gambino,SabatoIannaccone.Numerical and Experimental Analysis of Combustion and Exhaust[J].Energy & Fuels， 2008,22:1418-1424.

[9] Antonio Paolo Carlucci,Domenico Laforgia, Roberto Saracino,et al.Study of Combustion Development in Methane-Diesel Dual Fuel Engines, Based on the Analysis of In-Cylinder Luminance[C].SAE Paper 2010-01-1297.

[10] Splitter D A,Wissink M, Kokjohn S L, et al. Effect of compression ratio and piston geometry on RCCI load limits and efficiency[C].SAE Paper 2012-01-0383.

[11] BijanYadollahi，Masound Boroomand.The Effect of Piston Head Geometry on Natural Gas Direct Injection and Mixture Formation in a SIEngine with Centrally Mounted Single-Hole Injector[C].SAE Paper 2011-01-2448.

[12] 焦運(yùn)景，董宏，張惠明，等.燃燒室形狀對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程影響的研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2008,30(4):28-33.

[13] 杜潛，袁霞.燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)XN2100雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響[J].河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào),2007,15(2):83-85.[14] 潘劍鋒，盧清波.柴油機(jī)燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬及燃燒室改進(jìn)[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào), 2012,33(4):390-395.

[15] Kidoguchi Y,Sanda M，Miwa K.Experimental and Theoretical Optimization of Combustion Chamber and Fuel Distribution for the Low Emission Direct-Injection Diesel Engine[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2003,125:351-357.

[編輯: 李建新]

Simulation Analysis of Influence of Combustion Chamber Shape on Dual-fuel Engine Performance

WANG Zhongshu, LI Hui, YANG Zhou, LI Weifeng

(State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control，Jilin University, Changchun 130025， China)

The influences of three kinds of combustion chamber shape on the performance of diesel and natural gas dual-fuel engine were studied with STAR-CD software. The three kinds of combustion chamber were ω-shaped combustion chamber, octagonal dumbbell-shaped combustion chamber and cylinder-shaped combustion chamber. The results show that the octagonal dumbbell-shaped combustion chamber has better performance. The in-cylinder turbulent kinetic energy strengthens, the flame propagation accelerates and the fuel utilization ratio increases due to the squish flow caused by reducing dumbbell throat diameter. Meanwhile, the designed boss at the bottom of the combustion chamber can guide the mixture movement, and promote diesel diffusion to the chamber bottom, resulting a wide distribution of ignition point. Therefore, the in-cylinder average pressure，average temperature and indicated thermal efficiency of octagonal dumbbell-shaped combustion chamber is the highest and the proportion of remained natural gas is the least.

dual-fuel engine； combustion chamber； combustion； emission； simulation

2015-06-23;

2015-09-16

國(guó)家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(“973”)資助項(xiàng)目(2013CB228402)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50906033);吉林省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(20126009)；吉林大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2015092)

王忠恕(1977—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制；wangzhongshu@jlu.edu.cn。

李慧(1988—)，女，碩士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制；lhui157@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.001

TK422

B

1001-2222(2016)01-0001-08