高強化柴油機燃燒室凸臺匹配油束夾角的數值模擬研究

胡 東，李國岫

（北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京100044）

對直噴式柴油機而言，進氣系統、噴油系統和燃燒室之間的匹配關系對燃燒過程的影響很大，所以對三者之間的匹配關系的研究就顯得尤為重要。其中，油束夾角與凸臺之間匹配關系的影響非常大。目前，對兩者之間匹配關系的研究主要有油束夾角匹配燃燒室廓形的研究［1］，油束夾角對柴油機性能的影響研究［2］，定容積條件下不同燃燒室主要參數的最佳油束夾角的研究［3］。在以往的研究中，只針對不同的燃燒室進行匹配油束夾角的研究，而忽略了燃燒室結構參數之間的交互作用對燃燒過程的影響。本文首先針對某型柴油機的ω型燃燒室進行參數化分析，總結出決定燃燒室形狀的特征參數，再應用三維仿真軟件FIRE，針對不同廓形下凸臺與油束夾角之間的匹配關系進行研究，獲得兩者匹配關系的相關結論。

1 ω型燃燒室的參數化分析

圖1給出了ω形燃燒室的廓形，其主要參數有燃燒室喉口直徑d、凸臺高度h、凸臺傾角∠1、出口角度∠2、凸臺半徑R1、凹坑半徑R2、燃燒室深度H。

采用參數化分析方法，針對所要研究的燃燒室進行分析，得出燃燒室體積V與各參數之間的關系為V＝f（d，h，∠1，∠2，R1，R2，r）。

在壓縮比不變，即燃燒室體積固定的情況下，在適當范圍內選定其中6個參數時，另外一個參數也隨之固定，其中燃燒室唇部倒圓角半徑r一般在2mm左右，保持其大小不變。此時，凸臺傾角∠1和出口角度∠2相關，所以燃燒室體積由5個特征參數決定，本文選擇的特征參數是燃燒室喉口直徑d、出口角度∠2、凸臺半徑R1、凹坑半徑R2和凸臺高度h。

圖1 ω形燃燒室廓形

圖2 ω形燃燒室各旋轉體體積

本文主要是針對不同廓形（縮口、直口和擴口）下凸臺與油束夾角之間匹配關系的研究，這里的不同廓形指的是不同的出口角度。在參數化分析的基礎上，得知要在燃燒室體積及其他特征參數（喉口直徑、凹坑半徑和凸臺高度）不變的情況下，研究上述問題，就必須給定合理的出口角度和凸臺半徑的取值范圍，本文選取的參數如表1所示。不同廓形下的燃燒室綜合對比圖見圖3。

表1 特征參數取值范圍

2 計算條件及模型

本文的研究對象為某型高強化柴油機。圖4為原型機燃燒室的網格圖。噴油器的噴孔數為8，并布置在氣缸蓋中心部位軸線的鉛垂方向，無傾斜，燃燒室無偏置。仿真計算時為了節省計算時間，只造型出1／8扇形作為計算域，并在FIRE里對其進行網格劃分。

圖3 不同廓形下的燃燒室綜合對比圖

圖4 原型機燃燒室網格

在仿真計算中，柴油機的氣缸內湍流流動模型選取了標準k－ε雙方程模型；燃油射流分裂霧化模型選取了WAVE模型；燃油蒸發模型采用Dukowicz模型；液滴碰壁模型為 Walljet模型；湍流燃燒模型采用EBU模型。

3 計算結果分析

燃燒室中凸臺的設計是基于螺旋形氣流的二級燃燒理論，促進燃燒后期的混合，其設計的原則是盡量減少凸臺上部分的容積，但要避免燃油噴束與凸臺發生干涉而影響混合氣的形成［5］。如圖3所示，凸臺半徑越大，所占據的燃燒室中心體積越大，但需要匹配合適的油束夾角。不同廓形下凸臺匹配油束夾角的研究結果討論如下。

圖5 凸臺半徑與油束夾角對指示功率的影響

圖5為不同凸臺半徑下指示功率隨油束夾角的變化曲線。可以看出，3種燃燒室中同一凸臺半徑下，指示功率均隨著油束夾角的增大，而先增大后減小。當油束夾角較小時（130°），3種燃燒室中同一油束夾角下，不同凸臺半徑下的指示功率相差較明顯。其中（a）燃燒室中凸臺半徑每增加15mm，指示功率增加1.5kW左右，但（c）燃燒室中凸臺半徑為0和12mm時幾乎無差別。當油束夾角大于130°后，不同凸臺半徑下的燃燒室之間的指示功率差別較小。這主要是因為隨著油束夾角的增大，撞壁燃油減少，凸臺的影響變小，促進了混合氣的形成，因而改善了燃燒過程，從而提高了指示功率。3種燃燒室中，凸臺半徑和油束夾角均取最大時的指示功率都較低，由圖3可知當凸臺半徑取最大值時，相應的燃燒室也最深，所以油氣離凹坑底部較遠，因此此時指示功率較小，可能是因為沒有充分利用凹坑處的氧氣。

（a）燃燒室和（b）燃燒室下指示功率在油束夾角為170°時達到最大，（a）燃燒室為105.8kW，（b）燃燒室為105.51kW，此時的 凸臺 半徑分 別 為41.5mm 和26mm，可知（a）燃燒室和（b）燃燒室指示功率最大時的差別很小。（c）擴口燃燒室下指示功率在油束夾角為160°時達到最大，為104.69kW，與（a）燃燒室和（b）燃燒室的指示功率最大值相差1kW左右，此時的凸臺半徑為零，但與相同油束夾角下凸臺半徑為12mm和24mm時的指示功率相比差別很小，而后開始下降，這是因為過大的油束夾角導致油束與燃燒室頂部發生撞壁，而影響了混合氣的形成，從而惡化了燃燒過程。

圖6 缸內平均壓力與放熱率曲線

圖6為氣缸內平均壓力與放熱率曲線，對應3種廓形下指示功率為最大值時的凸臺半徑。從圖中可以看出，上止點前，3種燃燒室中油束夾角為130°時的初期放熱率均較低，預混燃燒較弱，放熱率第2峰值均最低，擴散燃燒也很弱，導致整個燃燒過程中的氣缸內平均壓力峰值都最低。而（a）燃燒室和（b）燃燒室下，油束夾角為170°，以及（c）燃燒室下，油束夾角為160°時的初期放熱率高，預混燃燒較強，且擴散燃燒過程也很強烈，從而使得氣缸內平均壓力始終都處于較高的值，3種燃燒室下的峰值分別為（a）：21.86MPa，（b）：21.92MPa，（c）：22.22MPa，所以指示功率最大。

圖7 縮口燃燒室凸臺半徑為41.5mm時不同油束夾角下在380°CA時的氣缸內濃度場（上）和溫度場（下）

圖7為縮口燃燒室凸臺半徑為41.5mm時不同油束夾角下在380°CA時的氣缸內濃度場和溫度場。可以看出，油束夾角為130°、140°和150°時油氣主要分布于凹坑附近，燃燒也主要發生這里，而未有效地利用到擠流區的氧氣。隨著油束夾角的增大，油氣上部逐漸向擠流區氧氣較多的地方移動，這促進了燃燒過程的進行，因而油束夾角為170°之前的指示功率是遞增的。但過大的油束夾角會導致油氣與燃燒室頂部過多地接觸，并且流向擠流區的油氣增加，這不僅不利于混合氣的形成，還增加了火焰淬熄的幾率，所以惡化了燃燒過程，這也解釋了圖5中油束夾角在175°時指示功率出現下降的現象。油束夾角為160°、170°和175°時，混合氣主要分布于凹坑右上方和唇部附近氧氣比較充分的地方，使得燃燒能夠充分地在燃燒室內擴展，高溫區較大，因而相對而言，三者的指示功率相差較小。

隨著油束夾角的增加，油氣的下部逐漸向燃燒室唇部移動，由于燃燒室縮口的存在，油束夾角為130°、140°和150°時混合氣在縮口處出現了明顯的上翹，附壁燃油較少。燃燒室凹坑壁面附近的混合氣濃區隨著油束夾角的增加而逐漸減少，這有利于燃燒過程的進行，因而此處出現了高溫區。綜合來看，油束夾角為170°時的混合氣分布合理，既有效地利用到凹坑處的氧氣，又充分利用了擠流區的氧氣，并且混合氣又不至于過分地向擠流區擴展，從而減少了火焰淬熄的幾率，因而指示功率最大。

圖8 380°CA時的氣缸內濃度場（上）和溫度場（下）

圖8為3種廓形下指示功率取最大值時在380°CA時的氣缸內濃度場和溫度場。可以看出，指示功率最大時，3種廓形下，油氣主要集中與凹坑上方和唇部附近，其中縮口和直口燃燒室下，唇部附近均出現混合氣濃區。而擴口燃燒室下，由于油束夾角較小，流向擠流區的油氣相對較少，所以唇部附近并未出現較大面積的混合氣濃區。3種廓形下，凹坑壁面處的混合氣濃區都較小，這有利于燃燒過程的進行。并且3種廓形下，油氣分布范圍都較廣，凹坑處、燃燒室頂部和擠流區的氧氣利用率較高。

從溫度場可以看出，凹坑底部均出現面積較大的高溫區，由于凸臺半徑的不同和油束夾角的不同，高溫區底部與凸臺的接觸情況有所不同，油束夾角為160°時的擴口燃燒室，高溫區相對比較接近凸臺頂部和凹坑底部，這增加了向活塞的傳熱，而油束夾角為170°時的縮口和直口燃燒室，高溫區主要分布與凹坑上方，而與凸臺頂部和凹坑底部的接觸較少，因而向活塞的散熱量較少，這可能是縮口和直口燃燒室的指示功率略高于擴口燃燒室的原因之一（見圖5）。

4 結論

（1）運用參數化分析的方法，解析出決定燃燒室形狀的5個特征參數——喉口直徑、出口角度、凸臺半徑、凹坑半徑和凸臺高度。

（2）不同的燃燒室廓形下，油束夾角對指示功率的影響很大，隨著油束夾角的增加，指示功率都先增加后減小；縮口和直口燃燒室下，油束夾角為170°并采用大凸臺時的指示功率最大；而擴口燃燒室下，油束夾角為160°并采用小凸臺時的指示功率最大。

（3）匹配最優的油束夾角時，凸臺半徑對指示功率的影響較小，而在油束夾角為130°，凸臺半徑對指示功率的影響較大，這可能是因為較小的油束夾角下，油束主要與凸臺發生碰撞，因而凸臺的形狀會影響撞壁處的混合氣形成情況，從而對燃燒過程的影響較大。

（4）不同的廓形下，對于不同的凸臺半徑都有一油束夾角與之匹配，使指示功率達到最大，在所研究的柴油機中，最優的油束夾角都較大。

［1］牛有城，虞育松，李國岫.直噴式柴油機燃燒室廓形匹配油束夾角的數值模擬研究［J］.柴油機，2009，31（3）：10－14.

［2］舒歌群，馬維忍，許世杰，等.噴霧夾角對柴油機性能影響的數值模擬［J］.工程熱物理學報，2008，29（7）：1 239－1 242.

［3］尚 勇，劉福水，李向榮，等.柴油機ω型燃燒室參數化設計及參數靈敏度分析［C］.中國工程熱物理學會燃燒學學術會議論文，2009.

［4］白 冰.柴油機混合機制及場效應控制方法研究［D］.北京：北京理工大學，2009.

［5］喻 超，羅馬吉，白金龍，等.燃燒室形狀對柴油機缸內氣流運動影響的數值模擬研究［J］.機電產品開發與創新，2008，21（6）：12－14.