對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)置燃燒室性能仿真研究

康與寧，李向榮,易光明，楊偉，劉福水

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.河北華北柴油機(jī)有限責(zé)任公司，石家莊 050081；3.中北大學(xué) 能源動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030051)

0 概述

21世紀(jì)以來世界性的能源危機(jī)與環(huán)境污染問題給發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展帶來了新一輪的挑戰(zhàn)，節(jié)能減排成為未來發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。以煤、石油和天然氣為代表的化石能源因其高能量密度優(yōu)勢(shì)在未來幾十年內(nèi)仍將作為主要消耗能源[1]，因而在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)上采用新技術(shù)提高熱效率并減少污染物排放勢(shì)在必行。在采用增壓中冷、可變技術(shù)及新型控制系統(tǒng)等技術(shù)改善傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的同時(shí)，研究者們也在力求通過采用新型動(dòng)力形式突破傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)局限性以獲得更好的發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能[2-5]，在此背景下對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)以其自平衡性好、熱效率高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢(shì)受到研究者的廣泛關(guān)注。

對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是在一個(gè)氣缸中有一對(duì)活塞相對(duì)運(yùn)動(dòng)，大多采用二沖程工作循環(huán)和氣口換氣方式，無氣缸蓋和配氣機(jī)構(gòu)。相比傳統(tǒng)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)水平布置、活塞相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方式使其具備良好的自平衡性；氣缸蓋的取消使得對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)散熱面積更小，熱效率更高。但采用二沖程工作循環(huán)的對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)換氣時(shí)間短，新鮮充量與缸內(nèi)廢氣摻混情況較嚴(yán)重，此外對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器布置在缸套上，沿氣缸徑向噴油，這一特點(diǎn)使得對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒組織困難。綜上，挖掘?qū)χ没钊l(fā)動(dòng)機(jī)潛力，采用現(xiàn)代技術(shù)優(yōu)化和改進(jìn)對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)更大范圍應(yīng)用的重要途徑[6]。

目前國外大多數(shù)新型對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)尚處于試驗(yàn)研究階段，但也有一些性能較為優(yōu)越的產(chǎn)品被開發(fā)出來，如美國Ecomotors公司的對(duì)置活塞對(duì)置氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)[7]、Achates公司的對(duì)置活塞二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)[8]和Pinnacle公司的對(duì)置活塞四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)[9]。國內(nèi)北京理工大學(xué)、清華大學(xué)、中北大學(xué)、湖南大學(xué)等高校對(duì)對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程、混合氣形成及燃燒過程等展開了一系列研究。文獻(xiàn)[10]中研究了對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)的換氣過程，仿真計(jì)算結(jié)果表明優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣口高度和寬度能夠提高掃氣效率增大缸內(nèi)新鮮充量，通過選用合理的進(jìn)氣口傾角和仰角能夠提高缸內(nèi)渦流和滾流水平。文獻(xiàn)[11]中研究了對(duì)置活塞對(duì)置氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程，研究表明采用單層進(jìn)氣口雙層排氣口的布置方法具有更高的掃氣效率，但充量系數(shù)和進(jìn)氣量有所降低，通過正交試驗(yàn)得出增大進(jìn)氣壓力是提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率的最有效手段。文獻(xiàn)[12]中研究了噴油器噴油角度、噴油提前角和燃燒室徑深比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響，結(jié)果表明合理的噴油角度、噴孔數(shù)量和互不干涉的油束有利于改善缸內(nèi)油氣混合，隨著燃燒室徑深比增大發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙排放顯著降低。文獻(xiàn)[13]中研究了對(duì)置活塞柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧燃燒過程，仿真結(jié)果表明通過合理布置噴孔及設(shè)計(jì)預(yù)噴和后噴方案能同時(shí)降低NOx和碳煙排放。綜上可知，通過優(yōu)化氣口結(jié)構(gòu)、匹配好噴霧與燃燒室可提高對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

目前對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室仍以傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中心燃燒室為主，為更好地適應(yīng)對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器180°安裝在缸套上的布置方式，本文中提出一種新型側(cè)置燃燒室方案，將燃燒室位置由活塞中心移至活塞兩側(cè)與噴油器位置對(duì)應(yīng)，并對(duì)使用側(cè)置燃燒室的對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)性能展開研究，探索在對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)使用側(cè)置燃燒室的性能提升效果。

1 側(cè)置燃燒室方案

對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室由兩個(gè)活塞頂面及氣缸壁間的空間組成，目前大多采用的是中心淺坑型燃燒室。為避免噴嘴與活塞頂面干涉并盡量減少噴霧濕壁，在燃燒室朝向噴油器的兩側(cè)一般會(huì)設(shè)計(jì)燃油噴霧的包絡(luò)面，這使得對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的徑深比相對(duì)較大，在壓縮終點(diǎn)處難以形成促進(jìn)油氣混合的壓縮擠流和膨脹逆擠流，如圖1所示；此外，燃油易在氣缸中心集中導(dǎo)致燃燒惡化。

圖1 對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中心淺坑燃燒室

為解決上述問題，本文中提出了一種應(yīng)用于對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)上的側(cè)置燃燒室方案，將活塞燃燒室位置由中心移至兩側(cè)，與噴油器位置相對(duì)應(yīng)，燃油在進(jìn)氣側(cè)活塞與排氣側(cè)活塞之間的燃燒室凹坑內(nèi)與空氣混合燃燒。參照傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)獲得了側(cè)置ω燃燒室與側(cè)置側(cè)卷流燃燒室的形狀，如圖2所示。

圖2 對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)置ω燃燒室與側(cè)置側(cè)卷流燃燒室

側(cè)置燃燒室的結(jié)構(gòu)參數(shù)參照傳統(tǒng)燃燒室的結(jié)構(gòu)參數(shù)定義。以ω燃燒室為例，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)上位于活塞中心的ω燃燒室看作由某一特定形狀截面繞活塞中心軸線旋轉(zhuǎn)形成，可采用喉口直徑d、凸臺(tái)高度ht、過渡圓半徑r和凸臺(tái)傾角β這4個(gè)參數(shù)描述截面形狀，對(duì)于側(cè)置燃燒室，將燃燒室截面的旋轉(zhuǎn)軸由活塞中心移至活塞側(cè)壁，截面旋轉(zhuǎn)形成的空間區(qū)域即為側(cè)置燃燒室區(qū)域。除以上4個(gè)參數(shù)外，側(cè)置燃燒室中心角γ可由喉口直徑d與活塞直徑D確定，因此側(cè)置燃燒室?guī)缀涡螤钣苫钊睆紻、喉口直徑d、凸臺(tái)高度ht、過渡圓半徑r和凸臺(tái)傾角β確定，兩種燃燒室下的活塞截面與俯視圖形狀如圖3所示。

圖3 中心、側(cè)置ω燃燒室的剖視圖和俯視圖

以同樣的方法定義側(cè)置側(cè)卷流燃燒室的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可由活塞直徑D、喉口直徑d、凸臺(tái)高度ht、過渡圓半徑r、凸臺(tái)傾角β、燃燒室圓心角α和分流造型高度ha定義幾何形狀，如圖4所示。

圖4 中心、側(cè)置側(cè)卷流燃燒室的剖視圖和俯視圖

本研究中的發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

在本研究的發(fā)動(dòng)機(jī)上使用以上兩種側(cè)置燃燒室，并與中心燃燒室進(jìn)行對(duì)比，通過發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真研究側(cè)置燃燒室在改善對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能上的效果。選取燃燒室喉口直徑為70 mm的兩組側(cè)置燃燒室進(jìn)行研究，通過控制凸臺(tái)高度ht保持壓縮比不變，并使用相同喉口直徑的中心燃燒室作為對(duì)照進(jìn)行仿真研究。3種燃燒室方案下的燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)

使用側(cè)置燃燒室時(shí)，由于活塞側(cè)壁存在缺口，導(dǎo)致相同的活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律下氣口開閉相位相對(duì)中心燃燒室發(fā)生變化，因此在開始燃燒室性能仿真之前，需要針對(duì)側(cè)置燃燒室進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)氣口參數(shù)調(diào)整，排除由于燃燒室結(jié)構(gòu)差異帶來的換氣過程變化導(dǎo)致的性能差異。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)氣口參數(shù)調(diào)整

2．1 仿真模型的建立

本文中選用文獻(xiàn)[14]中的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)，基于GT-Power軟件建立了柴油機(jī)一維性能仿真模型，如圖5所示，仿真模型主要參數(shù)如表3所示。

圖5 對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)一維性能仿真模型

表3 仿真模型主要參數(shù)

由于在仿真模型中沒有對(duì)應(yīng)對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸模塊，需要將進(jìn)排氣活塞等效為一個(gè)活塞，活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖6所示。

圖6 活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

2．2 仿真模型的驗(yàn)證

標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的缸壓和放熱率仿真曲線與文獻(xiàn)[14]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖7所示。由圖7可知，仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，仿真結(jié)果能夠反映實(shí)際情況。

圖7 缸壓、瞬時(shí)放熱率仿真值與試驗(yàn)值比較

2．3 燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)氣口面積變化影響分析

對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的一大特點(diǎn)是通過活塞運(yùn)動(dòng)控制氣口的開閉。對(duì)于淺坑式燃燒室，為噴油器噴孔而設(shè)置的活塞側(cè)壁缺口幾乎可忽略不計(jì)，氣口的開閉由活塞頂面與氣口兩邊相對(duì)位置確定；但對(duì)于側(cè)置燃燒室而言，側(cè)置燃燒室在活塞側(cè)壁上產(chǎn)生的缺口面積較大，不可忽略，沿側(cè)壁缺口的底邊與氣口兩邊的相對(duì)位置決定氣口的開閉。相同位置不同活塞對(duì)應(yīng)氣口開啟面積如圖8所示。

圖8 相同位置不同燃燒室活塞氣口開啟面積差異

在一維仿真模型中，中心燃燒室與側(cè)置燃燒室的差異主要體現(xiàn)在氣口面積變化曲線不同，使用側(cè)置燃燒室的對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)相比中心燃燒室進(jìn)排氣口早開角和晚關(guān)角均增大，如圖9所示。氣口開閉相位的不同導(dǎo)致不同燃燒室下的發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程存在差異。

圖9 原機(jī)氣口高度下不同燃燒室對(duì)應(yīng)氣口面積變化曲線

評(píng)價(jià)對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程質(zhì)量的參數(shù)主要有掃氣效率、給氣比和捕獲率[10]。掃氣效率定義為換氣結(jié)束時(shí)留在氣缸內(nèi)新鮮充量的質(zhì)量與進(jìn)氣狀態(tài)下充滿氣缸的新鮮空氣質(zhì)量之比；給氣比定義為循環(huán)內(nèi)流過氣口的氣體質(zhì)量與進(jìn)氣管狀態(tài)下充滿氣缸的新鮮空氣質(zhì)量之比；捕獲率定義為換氣結(jié)束時(shí)留在氣缸內(nèi)新鮮充量的質(zhì)量與循環(huán)內(nèi)流過氣口的氣體質(zhì)量之比。三者滿足掃氣效率等于給氣比乘以捕獲率的關(guān)系。

本文中選取指示功率、掃氣效率與捕獲率作為評(píng)價(jià)不同燃燒室換氣過程的參數(shù)，將各燃燒室氣口面積變化曲線代入模型中計(jì)算得到原機(jī)氣口高度下不同燃燒室的模型仿真結(jié)果,如表4所示。

表4 不同燃燒室計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，相比中心淺坑燃燒室，原機(jī)氣口高度下各側(cè)置燃燒室的指示功率均降低，掃氣效率提高，捕獲率降低。這是由于側(cè)置燃燒室的活塞側(cè)壁存在缺口，使得排氣門提早打開而進(jìn)氣門推遲關(guān)閉，延長了氣口重疊期，掃氣更加充分，但排氣門早開會(huì)使缸內(nèi)氣體提早逸出氣缸，循環(huán)做功減少，排氣門的晚關(guān)導(dǎo)致缸內(nèi)充量減少，從而導(dǎo)致指示功率下降，因此需要對(duì)氣口參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2．4 氣口參數(shù)調(diào)整過程

為使3種燃燒室下的換氣參數(shù)保持一致，使用側(cè)置燃燒室時(shí)需要采用與使用中心燃燒室時(shí)不同的氣口方案。將缸套上的氣口分為兩部分：第一部分對(duì)應(yīng)側(cè)置燃燒室缺口，缺口的底邊與氣口邊緣的相對(duì)位置隨活塞運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，從而影響第一部分氣口開啟程度，其高度定為L1；第二部分對(duì)應(yīng)燃燒室以外區(qū)域，活塞頂面與氣口邊緣的相對(duì)位置隨活塞運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，從而影響第二部分氣口開啟程度，其高度定為L2。將第一部分氣口向外移動(dòng)，距離為x，如圖10所示，通過第一部分氣口的移動(dòng)可以減小氣門早開角和晚關(guān)角，利于延后排氣減少缸內(nèi)氣體逸出，提高換氣質(zhì)量。

圖10 側(cè)置燃燒室對(duì)應(yīng)氣口方案

以側(cè)置ω燃燒室為例，保持L1=L2=24 mm不變，增大移動(dòng)距離x的氣口面積變化曲線如圖11所示。由圖11可知，移動(dòng)距離由0增大至8 mm的過程中氣口早開角和晚關(guān)角均有所減小，最大氣口開啟面積不變，繼續(xù)增大移動(dòng)距離會(huì)導(dǎo)致最大氣口開啟面積減小。這是因?yàn)閭?cè)置燃燒室在活塞側(cè)壁對(duì)應(yīng)缺口并非規(guī)則圖形，活塞運(yùn)動(dòng)至最外側(cè)時(shí)氣口底邊不完全與燃燒室底邊接觸。

圖11 不同移動(dòng)距離下進(jìn)氣口面積變化曲線

保持L1=L2=24 mm不變，分別增大進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)的氣口移動(dòng)距離x，得到不同移動(dòng)距離下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)變化如圖12所示。由圖12可知，在進(jìn)氣口移動(dòng)距離不變時(shí)，隨著排氣口移動(dòng)距離增大，指示功率先增大后減小，掃氣效率減小，捕獲率增大；當(dāng)排氣口移動(dòng)距離不變時(shí)，隨著進(jìn)氣口移動(dòng)距離增大，指示功率先增大后減小，掃氣效率略微降低，捕獲率變化較小。

圖12 改變氣口移動(dòng)距離性能參數(shù)變化情況

以側(cè)置燃燒室換氣性能參數(shù)與中心淺坑燃燒室相同為目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，得到不同燃燒室氣口參數(shù)如表5所示，性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表6所示。由表可知，經(jīng)過氣口參數(shù)調(diào)整，3種燃燒室下掃氣效率和捕獲率基本相同，側(cè)置燃燒室對(duì)應(yīng)指示功率有所升高，說明通過改變氣口參數(shù)能夠解決使用側(cè)置燃燒室引起換氣過程差異導(dǎo)致的性能下降問題。

表5 各燃燒室氣口高度調(diào)整結(jié)果

表6 氣口調(diào)整后各燃燒室性能參數(shù)

3 燃燒室性能仿真

為進(jìn)一步研究不同燃燒室下對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的差異，選用文獻(xiàn)[14]中的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)，基于AVL FIRE軟件建立了對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)三維性能仿真模型，基于一維仿真結(jié)果獲取進(jìn)氣口關(guān)閉時(shí)刻對(duì)應(yīng)缸內(nèi)壓力和溫度作為初始條件，計(jì)算標(biāo)定轉(zhuǎn)速下自進(jìn)氣口關(guān)閉時(shí)刻至排氣口打開時(shí)刻缸內(nèi)工作過程。仿真模型主要參數(shù)如表7所示。

表7 仿真模型主要參數(shù)

由于原機(jī)采用雙噴油器對(duì)置噴射，為節(jié)約計(jì)算時(shí)間建立了燃燒室二分之一模型進(jìn)行仿真研究，如圖13所示。通過網(wǎng)格獨(dú)立性校驗(yàn)確定燃燒室網(wǎng)格尺寸為1 mm，模型中選取的各子模型如表8所示。

圖13 燃燒室三維仿真模型

表8 仿真模型選用子模型

標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的缸壓和放熱率仿真曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖14所示。由圖14可知仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，仿真結(jié)果能夠反映實(shí)際情況。

圖14 仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比

本仿真模型中采用4孔噴油器，進(jìn)排氣側(cè)各有兩束燃油噴霧噴至燃燒室內(nèi)與空氣混合燃燒，由于本研究的3種燃燒室結(jié)構(gòu)存在一定差異，因此需要分別對(duì)不同燃燒室進(jìn)行油束夾角的優(yōu)化。將各噴孔油束中心線與噴油器噴嘴中心線之間夾角的兩倍定為θ1，同側(cè)的兩束燃油噴霧在氣缸橫截面上的投影形成的夾角定為θ2，如圖15所示，由θ1和θ2可確定每束燃油噴霧的空間位置。

圖15 油束夾角示意圖

不同燃燒室最優(yōu)θ2大小可根據(jù)以往燃燒室性能優(yōu)化的結(jié)論進(jìn)行確定。對(duì)于中心燃燒室和側(cè)置ω燃燒室，為充分利用燃燒室周向空間，應(yīng)將油束布置在平分燃燒室周向空間的位置；對(duì)于側(cè)置側(cè)卷流燃燒室，為發(fā)揮分流造型對(duì)油束的導(dǎo)向作用，應(yīng)使油束落點(diǎn)正對(duì)分流造型尖端[15]。在確定θ2后通過改變?chǔ)?大小確定不同燃燒室的最優(yōu)油束夾角，仿真結(jié)果如圖16所示，各燃燒室下最優(yōu)油束夾角和指示功率如表9所示。

表9 油束夾角優(yōu)化結(jié)果

圖16 油束夾角優(yōu)化結(jié)果

由圖16可知中心淺坑燃燒室、側(cè)置ω燃燒室和側(cè)置側(cè)卷流燃燒室的最佳θ1分別為10°、30°和30°。這是由于中心淺坑燃燒室受噴霧包絡(luò)面限制需要采用較小的油束夾角避免過多燃油附壁，側(cè)置燃燒室沿氣缸軸向方向空間較大，因而可采用更大的θ1。

由表9可知側(cè)置側(cè)卷流燃燒室方案的指示功率大于中心淺坑型燃燒室和側(cè)置ω燃燒室。

最優(yōu)油束夾角下3種燃燒室仿真瞬時(shí)放熱率曲線如圖17所示。由圖17可知，在預(yù)混燃燒階段中心淺坑燃燒室的放熱率較高，兩種側(cè)置燃燒室放熱率較低且差距較小。在擴(kuò)散燃燒階段前期，中心淺坑燃燒室在上止點(diǎn)后5°左右達(dá)到放熱率峰值，兩種側(cè)置燃燒室在上止點(diǎn)后8°左右達(dá)到放熱率峰值，且側(cè)置側(cè)卷流燃燒室相比中心淺坑燃燒室和側(cè)置ω燃燒室放熱更快，說明擴(kuò)散燃燒階段側(cè)置側(cè)卷流燃燒室內(nèi)油氣混合較為充分，燃燒持續(xù)期短，熱效率高，因此指示功率較高。

圖17 不同燃燒室瞬時(shí)放熱率曲線

為進(jìn)一步揭示不同燃燒室的燃燒機(jī)理，沿非對(duì)角的兩組油束中心線作燃燒室切片，得到沿氣缸軸向和沿氣缸徑向的兩組不同燃燒室內(nèi)油氣當(dāng)量比的分布情況，如圖18和圖19所示。由圖可知，上止點(diǎn)前中心淺坑燃燒室內(nèi)油束在噴霧包絡(luò)面形成的狹窄區(qū)域內(nèi)發(fā)展，空間油氣混合受限；上止點(diǎn)后5°時(shí)在燃燒室中心來自發(fā)動(dòng)機(jī)上下兩組噴油器的噴霧頭部發(fā)生碰撞，燃燒室中心油氣當(dāng)量比增大，對(duì)燃燒過程不利；兩側(cè)活塞運(yùn)動(dòng)速度有差異，排氣側(cè)高溫流體向進(jìn)氣側(cè)運(yùn)動(dòng)過程使得油束向進(jìn)氣側(cè)方向偏斜，加劇了燃油濕壁和性能惡化。對(duì)于兩種側(cè)置燃燒室，油束周圍空間寬闊，利于破碎油滴向周圍擴(kuò)散，在上止點(diǎn)位置時(shí)燃油與燃燒室壁面接觸，在側(cè)置ω燃燒室中燃油在壁面附近發(fā)生堆積，少量燃油擴(kuò)散至油束之間和缸壁附近空氣未利用區(qū)域內(nèi)，在近壁面區(qū)域油氣當(dāng)量比保持在2.0左右。而側(cè)置側(cè)卷流燃燒室內(nèi)油束在分流造型作用下形成卷流運(yùn)動(dòng)，向油束之間和缸壁附近兩側(cè)空氣未利用區(qū)域擴(kuò)散，近壁面區(qū)域油氣當(dāng)量比保持在1.5左右，兩組油束中間形成干涉壁射流增大了燃油擴(kuò)散面積，在分流造型作用下油氣混合較為均勻，因此側(cè)置側(cè)卷流燃燒室方案相比中心淺坑燃燒室方案和側(cè)置ω燃燒室方案燃燒性能更好。

圖18 不同曲軸轉(zhuǎn)角下燃燒室沿氣缸軸向切片油氣當(dāng)量比分布

圖19 不同曲軸轉(zhuǎn)角下燃燒室沿氣缸徑向切片油氣當(dāng)量比分布

4 結(jié)論

(1) 原對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)直接使用側(cè)置燃燒室時(shí)由于氣口提前打開延后關(guān)閉導(dǎo)致缸內(nèi)充量減少，指示功率降低，通過調(diào)整氣口參數(shù)能夠提高使用側(cè)置燃燒室的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，達(dá)到原機(jī)換氣質(zhì)量。

(2) 側(cè)置側(cè)卷流燃燒室內(nèi)分流造型能夠使燃油形成卷流運(yùn)動(dòng)及干涉壁射流，從而增大了燃油擴(kuò)散面積，解決了使用側(cè)置ω燃燒室近壁面區(qū)域的燃油堆積和使用中心淺坑燃燒室油束碰撞導(dǎo)致的局部混合氣過濃問題，油氣混合更加充分，燃燒放熱速度更快，功率和效率更高。在對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用側(cè)置側(cè)卷流燃燒室對(duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有重要意義。