渦流室式紊流燃燒柴油機中渦流室的流場特性

袁文華，隆武強，伏軍，劉玉梅

(1. 邵陽學院 機械與能源工程系，湖南 邵陽，422004；2. 大連理工大學 內燃機研究所，遼寧 大連，116024)

柴油機的燃燒過程一直是人們研究柴油機缸內的一個重點環節，而混合氣的形成和燃燒與燃燒室的結構和其中空氣的運動有緊密聯系[1]，適當強度的渦流運動可以有效提高燃料的蒸發，促進燃料與空氣的混合進程[2-4]，從而改善燃燒室內的燃燒狀況。近年來，人們開始意識到空氣的紊流運動在混合氣的形成和燃燒過程中同樣起著重要作用[5-7]，并逐漸對渦流室式燃燒柴油機進行研究。在對渦流室的研究中，Komatsu等[8]對渦流室內流場進行了仿真分析；Okazaki 等[9-10]研究了渦流室內流場及燃油噴霧隨著曲軸轉角的變化規律；朱廣勝等[11-12]使用高速攝影和數值模擬法研究了不同連接通道對渦流室內流場的影響；唐智等[13]通過Fluent 軟件模擬了不同傾斜角度的連接通道對渦流室內流場的影響；安西方[14]對渦流室內壓縮、噴霧過程進行了模擬分析等。紊流燃燒在直噴式柴油機上已開始得到應用，但由于渦流室式柴油機具有強渦流的優點，所以，人們對引入紊流燃燒尚未引起足夠重視。在渦流式柴油機機壓縮行程中，油束隨著活塞上行進入渦流室，由于擾流的存在及壁面的引導，又產生了各向空氣運動，使渦流室內的空氣運動十分復雜，并直接影響了高溫區的混合氣濃度：所以，渦流室內的流場分布和燃燒狀況對發動機冷啟動性能和排放性能至關重要。為此，本文作者主要通過流體仿真軟件研究某種渦流室式紊流燃燒柴油機渦流室內的流場特性，給出活塞從下止點運動到燃油噴射前2°內渦流室內部的空氣流動情況及渦流室與燃燒室內部壓強和溫度的變化情況。

1 模型建立與網格劃分

1.1 物理模型

設計某4 沖程渦流室式柴油機作為研究對象，具體結構參數及運行條件見表1。

表1 柴油機模擬參數Table 1 Simulation parameters of diesel engine

圖1 所示為活塞行程至上止點時刻渦流室式紊流燃燒室的剖面幾何圖形，其中，壓縮容積Vc可分為2部分：(1) 渦流室，該部分在氣缸蓋上，上半部形狀呈半球形，下半部形狀呈圓柱形，容積為Vk；(2) 主燃室，該部分在氣缸蓋和活塞頂之間。這兩者通過多空通道a 和b 連接。工作時，燃油從渦流室中的噴油嘴順著渦流方向噴出。在壓縮過程中，活塞將空氣經多空通道推入渦流室，形成強烈的渦流運動，促使噴入渦流室的燃油噴霧與空氣混合。當壓力上升到一定程度時，渦流室中的混合氣初步燃燒，使得室內壓力和溫度急劇上升，將未燃燒的混合氣、燃油和空氣以多股交叉流形式經多孔通道推入主燃室中形成二次渦流，進一步混合燃燒。

圖1 多通道渦流燃燒系統及鑲塊圖Fig.1 Sketch map of swirl chamber with variable cross-section multi-channels

1.2 數學模型

本文中控制方程可表示為如下形式。

(1) 連續方程：

式中：ρ 為流體密度(kg·m-3)；u 為流速(m·s-1)。

(2) 動量方程：

式中：p 為氣體壓力(Pa)；A 在層流計算中為0，湍流計算中為1；α 為無量綱參數，隨時間變化；k 為湍流脈動動能(kJ)；g 為比體積力，常數；σ 為表面張力(N/m)。

(3) 湍動能方程：

式中：T 為氣體熱力學溫度(K)；hm為組分m 的焓(kJ)；cp為比定壓熱容(kJ·(kg·K)-1)；J 為熱通量矢量，為熱傳導和焓擴散作用之和；K 為導熱系數；Prt為Prandtl常數。

1.3 仿真計算

圖2 所示為使用Gambit 軟件繪制的計算網格，全部網格分為5 種類型：三角形網格、四邊形網格、楔形網格、四棱錐網格和六面體網格。網格總數為214 777 個。

圖2 計算網格Fig.2 Computed grids

由于考慮使用動網格，并且在動網格計算過程中使用“網格重構”法，所以，本文使用鋪層的六面體網格。因為在實際缸內網格中，若在上止點位置時，則壓扁的容積變得非常小，若使用四棱錐網格，則過渡到四面體網格十分困難。鋪層的楔形網格可以取代六面體網格。

仿真時，使用Fluent 自帶“氣缸活塞運動”模塊，定義啟動時下止點曲軸角度為180°，活塞達到上止點曲軸角度為360°，再次回到下止點時曲軸角為540°，再次達到上止點完成1 個周期時曲軸轉角為720°。

計算采用的湍流模型為標準k-ε 湍流模型，求解控制使用PISO 算法[15]，流體為理想狀況下的空氣。固體邊界條件分別是：自由滑移(活塞及活塞壁)；無滑移(氣缸壁、渦流室、連接通道及起動孔)；絕熱壁面(全部)。

2 仿真結果與分析

模擬活塞從下止點運動到燃油噴射時間段缸內變化的過程，從速度、湍流、壓強和溫度分布研究噴油前渦流室與氣缸內氣體的變化。

圖3 渦流室截面速度矢量圖Fig.3 Vector diagram of velocity at center section of swirl chamber

圖3 所示為噴油前4 個曲軸角度下渦流室截面的速度場矢量圖。從圖3 可見：當曲軸轉角為98°時，渦流室內大部分空氣處于低速狀態，然而，受活塞壓縮影響，空氣通過連接通道和起動孔涌入渦流室中，使得連接通道和起動孔附近氣體流速較高；在曲軸轉角為68°時，此時涌入的空氣受渦流室壁面和內部低速氣流的影響，形成一定程度的紊流運動；在曲軸轉角為38°時，紊流現象依然存在，但逐漸向渦流形式變化；在曲軸轉角為8°時，噴油時刻空氣只從連接通道流入渦流室中，從起動孔離開渦流室，并且在渦流室兩側壁面處的流速最大，在渦流室中形成明顯的渦流現象，中心流速低，外圍流速大。經分析認為：空氣進入渦流室內由紊流逐漸形成規則渦流，在噴油時刻空氣流速在渦流室中心處最小，靠近壁面處較大。

圖4所示為4種曲軸轉角下渦流室內湍流變化圖。從圖4 可見：在曲軸轉角為98°時，空氣從連接通道和起動孔進入渦流室內，無法形成明顯的渦流，渦流室內湍動能水平很低，最大湍動能出現在連接通道和起動孔處，在渦流室中心偏上區域出現小型渦流；隨著曲軸的運動，流入渦流室內的空氣增多，在渦流室內部逐漸形成有規則的渦流，并且渦流中心逐漸向渦流室中心移動；隨著流入渦流室內的空氣逐漸增多，渦流室內壓強逐漸升高，連接通道和起動孔處的湍動能也將逐漸減少；當曲軸轉到8°時，渦流室中段壁面處湍動能最最大。分析表明：渦流室內空氣流的湍動能變化情況與室內的渦流變化情況相似，并且在渦流室中心處由于流體流速較低，湍動能較小，而再渦流室壁面附近流體流速較高，湍動能較大。

圖4 渦流室中心截面湍流變化圖Fig.4 Turbulence variation on center cross-section of swirl chamber

圖5 所示為噴油前4 個曲軸角度下的壓力場特性變化圖。從圖5(a)發現：氣缸內大于渦流室內部壓強，使得空氣逐漸被推入渦流室中。從圖5(b)和圖5(c)可見：氣缸內氣壓雖然增加，但分布情況幾乎完全相等，渦流室內的壓強分布有較小變化，又由于在渦流室中心區域逐漸形成紊流和渦流，使得渦流室內壓強依舊較小。從圖5(d)可見：隨著壓入渦流室內氣體增多，在渦流室中心已形成較大的渦流區域，使得渦流室中心處的壓強最低，燃油噴射孔附近壓強較大。經分析認為：隨著曲軸轉角的不斷變化，起初氣缸內壓力較大，空氣逐漸進入渦流室內，渦流使內部壓力逐漸增加；當達到噴油時刻時，渦流室中心區域壓強較小，靠近壁面處壓強較大。

圖6 所示為噴油前4 個曲軸角度下的溫度場特性變化圖。從圖6 可見：在曲軸轉角為98°時，缸內氣體溫度差異不大，最低差值約為1 K；活塞附近溫度略高(這主要是由于缸內空氣是理想氣體，在受到擠壓的情況下溫度上升，并且上升幅度隨擠壓程度的增加而增加)；在曲軸轉角為68°和38°時，氣缸內氣體溫度逐漸升高，但分布均勻，而渦流室內的氣體溫度有所差異(這主要是由于在渦流室中形成了一定程度的渦流或紊流，對氣體溫度分布產生了一定的影響)；在噴油時刻8°時，高溫區集中在渦流室內，最大值為851 K，并且高溫氣體運動方向與燃油噴射方向一致。此渦流室內較高的原因主要與流體運動有關，流體從連接通道進入渦流室，從起動孔流出，使得渦流室內氣體溫度高于燃燒室內氣體溫度。經分析認為：隨著被壓入渦流室的空氣逐漸增多，壓強逐漸上升，渦流使內部溫度也逐漸升高，最后在渦流室上壁面附近溫度達到最大值。

圖5 壓力場特性變化圖Fig.5 Characteristics variation of pressure field

圖6 溫度場特性變化圖Fig.6 Characteristics variation of temperature field

3 結論

(1) 空氣進入渦流室內由紊流逐漸形成規則渦流，且渦流中心靠近渦流室中心；在噴油時刻空氣流速在渦流室中心處較小，靠近壁面處較大。

(2) 渦流室內空氣流的湍動能變化情況與室內的渦流變化情況相似，并且在渦流室中心處由于流體流速較低，湍動能較小，而再渦流室壁面附近流體流速較高，湍動能較大。

(3) 隨著曲軸轉角的不斷變化，起初氣缸內壓力較大，空氣逐漸進入渦流室內，使得渦流使內部壓力逐漸增加；當達到噴油時刻，渦流室中心區域壓強較小，靠近壁面處壓強較大。

(4) 隨著被壓入渦流室的空氣逐漸增多，壓強逐漸上升，渦流使內部溫度也逐漸升高，最后在渦流室上壁面附近溫度達到最大值。

(5) 噴油正時，噴油孔附近空氣流速約為24.1 m/s，壓強約為2.3 MPa，溫度約為845 K，在此狀態下，能較好地滿足機內柴油的混合及燃燒需要。

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