不同形狀燃燒室對柴油機(jī)工作性能的影響

曹鵬，李小靜

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不同形狀燃燒室對柴油機(jī)工作性能的影響

曹鵬1，李小靜2

（1.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 滎陽 450121；2.鄭州科技學(xué)院，河南 鄭州 450064）

文章用FIRE軟件在保證壓縮比的前提下，對柴油機(jī)的工作過程建立仿真計(jì)算模型，研究不同燃燒室形狀對柴油機(jī)性能的影響，主要包括速度和氣體流動、壓力、溫度等，此研究會對柴油機(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

燃燒室；FIRE軟件；柴油機(jī)性能

引言

汽車柴油機(jī)從燃油開始噴入燃燒室到燃燒基本結(jié)束，整個(gè)過程是很短暫的，大約為千分之幾秒[1-2]。燃油要在極短時(shí)間內(nèi)完成良好的混合和燃燒，需要燃燒室結(jié)構(gòu)形狀、燃油噴注方向、油束數(shù)量、噴霧質(zhì)量以及空氣運(yùn)動等方面的配合。雖然燃料的霧化狀況，對可燃混合氣的充分混合有極大影響，但有適當(dāng)形狀的燃燒室相匹配形成氣流運(yùn)動，可進(jìn)一步促進(jìn)燃料迅速均勻地與空氣混合，使燃燒過程更加完善，提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率，降低排放污染[3]。

1 燃燒模型建立

1.1 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

在進(jìn)行柴油機(jī)工作性能的研究時(shí)，不同的供油系統(tǒng)參數(shù)，也是判斷燃燒過程的重要指標(biāo)，本文中發(fā)動機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機(jī)的基本參數(shù)

1.2 三維模型的建立

形狀不同的燃燒室會形成不同的氣流運(yùn)動，從而影響噴霧分布、燃燒過程及排放。本研究中柴油發(fā)動機(jī)燃燒室建立的三維模型如圖1和圖2所示。分析的三種不同形狀的燃燒室平面圖如圖3所示。

圖1 燃燒室的三維模型

圖2 1/8燃燒室三維模型

圖3 三種燃燒室的平面圖

2 計(jì)算分析

2.1 速度分析

在不改變其他初值的條件下，用FIRE軟件對各燃燒室進(jìn)行仿真，得出各燃燒室速度場模擬圖。

圖4 351°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的速度場

圖5 360°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的速度場

圖6 369°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的速度場

圖4～6為三種形狀（圖3）燃燒室在不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的混合氣的運(yùn)動速度圖。從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出不同形狀的燃燒室會影響噴射油束，進(jìn)而影響缸內(nèi)氣體運(yùn)動。A類燃燒室，由于噴射油束遠(yuǎn)離燃燒室底部，所以混合氣運(yùn)動受到的影響比較?。?B類燃燒室在三類燃燒室中底部凸臺是最高的，而凸臺尺寸會影響油束噴射和氣體運(yùn)動，且B類燃燒室在不噴油時(shí)中心區(qū)域氣流比較弱，會使燃燒室的中心區(qū)域內(nèi)的燃油濃度比較低，在進(jìn)氣及壓縮沖程中，受流動的影響，燃燒室內(nèi)部分殘余廢氣保持在燃燒室的底部；C類燃燒室在燃燒上止點(diǎn)附近氣流運(yùn)動方向與油束噴射方向相反，會阻止燃油的擴(kuò)散。

2.2 壓力分析

在保證初值不變情況下，對三種形狀燃燒室壓力進(jìn)行仿真，得出各燃燒室不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的壓力場圖，如圖7～9所示，并對三種形狀燃燒室，缸內(nèi)壓力變化進(jìn)行對比模擬。

圖7 351°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的壓力平面剖切分布

圖8 360°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的壓力平面剖切分布

圖9 369°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的壓力平面剖切分布

圖10為A、B、C三個(gè)燃燒室，在曲軸轉(zhuǎn)角從220度到480度時(shí)缸內(nèi)壓力分布曲線圖。A燃燒室的最高壓力出現(xiàn)在上止點(diǎn)后8度，最大為19600000Pa。B燃燒室的最高壓力出現(xiàn)在上止點(diǎn)后7度最高壓力為18300000Pa。C燃燒室的最高壓力出現(xiàn)在上止點(diǎn)后10度，最高壓力為19100000Pa。

圖10 三種燃燒室不同的曲軸轉(zhuǎn)角壓力對比分析圖

通過圖10對比分析可以得出，A燃燒室設(shè)計(jì)較好，其最高壓力為三者中最大，且出現(xiàn)的時(shí)間最佳，。同時(shí)，在壓縮沖程達(dá)到上止點(diǎn)后，燃燒室壓力達(dá)到最大，這樣可以減少活塞進(jìn)行壓縮時(shí)候的能量損失，不僅燃燒能量利用率高，動力性也較好。從最高壓力的利用來看A燃燒室是設(shè)計(jì)最合理的，其壓力達(dá)到最高時(shí)間好而且最高壓力也比較大，這種設(shè)計(jì)可充分提高能量利用率。

2.3 溫度分析

對三種形狀燃燒室溫度進(jìn)行仿真，得出各燃燒室不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的溫度場圖，如圖11～13所示，并對三種形狀燃燒室，缸內(nèi)溫度變化進(jìn)行對比模擬。

圖11 351°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的溫度場

圖12 360°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的溫度場

圖14 三種燃燒室不同曲軸轉(zhuǎn)角的溫度對比圖

圖14是A、B、C三類燃燒室對燃燒曲軸轉(zhuǎn)角-溫度的對比分析圖。三種燃燒室在上止點(diǎn)之前的溫度曲線幾乎是重合的，主要是由于在此階段，缸內(nèi)燃燒并不劇烈，燃油先進(jìn)行了氧化和局部燃燒。三類燃燒室都是在上止點(diǎn)后出現(xiàn)溫度最高。

分析曲線對比圖可知，A型燃燒室的放熱曲線最陡，容易產(chǎn)生局部高溫，燃料燃燒不充分，B型燃燒室的放熱曲線最緩，燃燒室內(nèi)溫度低不利于燃燒。且A型燃燒室最高溫度出現(xiàn)在上止點(diǎn)后17度，最高溫度為1759.58K。B類燃燒室最高溫度出現(xiàn)在上止點(diǎn)后17度，最高溫度為1640.04K。C型燃燒室最高溫度出現(xiàn)在上止點(diǎn)后19度，最高溫度為1801.96K。A型燃燒室急燃期早于B、C，所能達(dá)到的最高溫度低于C燃燒室，燃燒后期會產(chǎn)生燃燒不均勻，溫度下降的較快的現(xiàn)象。

3 總結(jié)

本文運(yùn)用FIRE軟件數(shù)值模擬的方法，通過控制不同的變量參數(shù)，研究了三種形狀的燃燒室對柴油機(jī)工作性能的影響。柴油機(jī)燃燒室內(nèi)燃燒過程的模擬，能夠用于分析和預(yù)測燃燒室內(nèi)混合氣的運(yùn)動形成過程的變化、空間分布、濃度分布、溫度分布及壓力分布等[4]，從而可進(jìn)一步優(yōu)化分析柴油機(jī)部分工作性能和排放控制。

[1] 周龍保等.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[2] 強(qiáng)永平等.燃燒室形狀對燃燒過程的影響研究[J].柴油機(jī),2011（2）.

[3] 王威等.柴油機(jī)燃燒過程的影響因素分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2012年06期.

[4] 王娟等.燃燒室形狀對大功率機(jī)車柴油機(jī)工作性能的影響[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào),2014年05期.

Different shape effect of combustion chamber on diesel engine performance

Cao Peng1, Li Xiaojing2

( 1.Zhengzhou Technical College, Henan Xingyang 450121; 2.Zhengzhou Institute of Science and Technology, Henan Zhengzhou 450064 )

In this paper, Using FIRE software in that part of the numerical simulation process of the diesel engine the same compression ratio is calculated. The research mainly studied the different combustion chamber shapes on the performance of diesel engine, including speed, temperature, discharge and gas flow. And, it can provide theoretical basis for the designing of diesel engine combustion chamber.

combustion chamber; FIRE software; the performance of diesel engine

A

1671-7988(2018)22-217-03

U262.11

A

1671-7988(2018)22-217-03

U262.11

曹鵬(1988- )，女，碩士，鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：汽車新能源與智能控制。李小靜（1988-），女，碩士，鄭州科技學(xué)院，研究方向：混合動力汽車建模仿真。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.077