活塞燃燒室及其三維建模的比較

蘭自志

(武夷學院機電工程學院，福建武夷山354300)

活塞燃燒室及其三維建模的比較

蘭自志

(武夷學院機電工程學院，福建武夷山354300)

為了對內燃機活塞的頂部燃燒室進行準確的三維建模，以兩種典型的缸內直噴式內燃機為例，分析了它們活塞頂部燃燒室的結構設計原理和特點，柴油機活塞頂部具有深而窄的凹坑，而汽油機活塞頂部具有特殊的凸起和較寬的凹坑．基于Pro/E三維造型軟件，比較了這兩種活塞頂部的三維造型過程，提出它們的二維視圖表達以及三維造型需采用不同的方案．可為各種活塞燃燒室的三維建模提供參考．

缸內直噴；柴油機活塞；汽油機活塞；燃燒室；三維造型

2 某柴油機活塞頂部結構及其三維造型

2.1 結構設計原理

柴油機混合氣的形成基本上有兩種形式，即空間霧化混合和油膜蒸發混合，兩種混合方式都兼而有之，只是主次各有不同，目前多數柴油機仍以空間霧化混合為主．空間霧化混合是直接將柴油以圓錐形的油束從噴油器高壓、高速地噴射到燃燒室空間，形成霧狀混合物，再在空間蒸發形成混合氣，使柴油與空氣形成混合氣的一種混合方式．但霧化過程中柴油分子的擴散范圍是有限的，它只能與它附近的空氣相混合．為了充分利用燃燒室內的空氣，并使混合迅速而均勻，可在燃燒室內適當地組織空氣運動．例如利用活塞頂部的特殊形狀，可在壓縮過程中和膨脹行程開始時，使空氣在燃燒室中產生強烈的渦流運動，在擠壓氣流和噴射霧化氣流的共同作用下，更易形成均勻的混合氣，提高了空氣利用率．

某柴油機活塞頂部燃燒室的結構如圖1所示．

圖1 某柴油機活塞頂部視圖

這種柴油機活塞頂部燃燒室采用了中凸縮口ω型結構，其優點在于能夠提高燃氣的渦流保持率，旋轉的氣流在壓縮時可吹散油束，點火膨脹時又可以加速火焰的傳播，并滿足歐Ⅲ排放法規要求[3]．由于結構的限制，一般ω型燃燒室的中心、氣缸中心以及油嘴的位置不在同一條線上，故又稱為偏置ω型燃燒室[4]．由于缸內渦流運動的特點是周邊處線速度最大，中心處線速度最小，這不僅使中心處的燃油較少，而且渦流紊流也較弱，導致油氣混合變差．因此增加了中央導流凸臺，它可在燃燒過程中加強擠流、逆擠流和紊流的作用，促進了燃氣的充分混合、充分燃燒[5]．

2.2 三維造型方法

在二維視圖表達上，需要繪制頂部俯視圖和過燃燒室中心的局部剖視圖，如圖1(a)、(b)所示，該視圖方案清晰地表達了頂部燃燒室的結構特點，可直接進行三維造型．首先需要草繪出如圖1(b)所示的局部剖視圖截面，而后用旋轉特征得到曲面，最后實體化移除材料即可．由于該燃燒室采用了偏置的結構，故需要通過創建基準平面的方法來指定截面的草繪平面．Pro/E提供了多種基準平面的創建方法，這里只需用偏移法，即：根據圖1(a)的偏置尺寸，將活塞左右對稱面向右平移3 mm，或者將活塞前后對稱面向上平移2 mm，如圖2 (a)所示．圖2(b)是偏置ω型燃燒室的三維造型結果．

圖2 某柴油機活塞頂部燃燒室的三維造型

3 某汽油機活塞頂部結構及其三維造型

3.1 結構設計原理

缸內直噴式汽油機采用了稀薄燃燒技術，它是提高汽油機燃油經濟性的重要手段．稀薄燃燒技術可以分為分層燃燒和均質稀燃兩種燃燒模式．現代缸內直噴式汽油機通常是根據大、小負荷區域不同的要求，采用不同的混合燃燒模式：大負荷及全負荷時，在早期進氣形成中將燃油噴人氣缸，形成完全的均質化學計量比進行燃燒；中小負荷時，在壓縮行程后期開始噴油，在火花塞附近形成較濃的可燃混和氣，而在遠離火花塞的區域，形成稀薄分層混和氣，從而實現分層燃燒[6]．

多種燃燒系統設計方案可以達到分層燃燒的目的，壁面引導法因其能夠更好地組織缸內可燃混合氣，是目前缸內直噴式汽油機運用最多的類型．但由于大量的燃油直接噴射到活塞頂上，直到火花塞點火時刻仍有大量的燃油不能蒸發，所以完全依靠壁面引導的燃燒系統很少，大多數是與氣流引導法配合使用，氣流引導法可通過缸內強烈的氣流運動，將噴霧帶到火花塞附近[7]．例如基于滾流或基于渦流的壁面引導燃燒系統，其活塞頂部通常被沒計成既有凹坑又有凸起的曲線形狀，噴油嘴遠離火花塞布置，利用特殊形狀的活塞表面并配合氣流運動，將燃油蒸氣導向火花塞并在火花塞間隙形成合適濃度的混合氣．圖3是某汽油直噴發動機的活塞，其頂部具有復雜的形狀，燃燒系統的設計可達到中國第三階段油耗和歐6A、歐6B排放標準．

圖3 某汽油機活塞

圖4 某汽油機活塞頂部視圖表達

3.2 三維造型方法

該活塞頂部的凹坑及凸起部分如若采用常規的視圖將難以表達得清楚和完整，同時考慮到三維造型的需要，用軌跡線法表達較為合理．如圖4所示，二維視圖包括頂部俯視圖、軌跡線圖和相互垂直的局部剖視圖．該視圖方案可表達的活塞特點有：

(1)活塞頂部只有上下對稱，因此需要用到X、Y、Z、W四點軌跡來表達，其中Y、Z點軌跡用于表達凹坑斜面，X、W點軌跡用于表達凸起部分．

(2)凹坑邊緣斜面角度是漸變的，從M-M視圖可以看出，角度從60°漸變至22°．

(3)M-M視圖同時也表達了凹坑左側邊緣有凸起，即凸起頂面比活塞頂面高2 mm，凸起的外側斜面角度固定為25°．

(4)從M-M視圖和N-N來看，底部并非是平面或球面，而是由半徑R110 mm和R220 mm決定的曲面，深度為4.5 mm．

這種基于軌跡線法的表達還有利于三維造型．首先以活塞最大高度(凸起頂面處為最高)建好實體圓柱，然后在這個圓柱體頂部做兩次的實體化移除材料，一次獲得凹坑，一次獲得凸起，就可以得到此活塞的頂部燃燒室形狀．實體化必須是通過曲面來實現，Pro/E的實體化具有多種含義和操作，這里的實體化就是所謂的“挖切”．此處有三個曲面需建立，造型主要采用了普通掃描和掃描混合這兩種方法．

第一個曲面是凹坑的斜面，首先根據圖4(b)的Y、Z點軌跡(圖中虛線)草繪軌跡，基準平面為活塞頂面，Y、Z點軌跡表達了凹坑在活塞頂面的環狀，如圖5(a)所示．凹坑漸變的斜面可通過在此軌跡上放置參考點，然后在各點上繪制剖面，最后用掃描混合的辦法創建，如圖5(b)所示，而每個參考點上的剖面角度就反映了漸變的過程．軌跡線、參考點、剖面角度等數據可以通過設計獲得，也可以通過投影儀、輪廓儀等儀器測量活塞樣品獲得．

第二個曲面是凹坑的底面，首先根據圖4(c)N-N視圖的R220繪制掃描軌跡線，把M-M視圖的R110圓弧線作為截面，用普通掃描即可獲得底面，反之亦可，建模過程要注意凹坑的偏心距4 mm．而后將第一、第二曲面合并，最后實體化移除材料，結果如圖5(c)所示，這里完成了凹坑的建模．

第三個曲面目的是獲得單側凸起的效果，與Y、Z點軌跡類似，先根據圖4(b)的X、W點軌跡(圖中實線)草繪掃描軌跡，由于凸起的外側斜面角度固定，所以用普通掃描即可，曲面如圖5(d)所示．實體化移除材料后的結果如圖3所示．

圖5 某汽油機活塞頂部燃燒室的三維造型

4 比較

缸內直噴式柴油機混合氣的形成以空間霧化混合為主，因為混合氣形成的時間極短，所以給柴油和空氣的良好混合和完全燃燒帶來了極大的困難，需適當組織燃燒室內的空氣運動．例如利用活塞頂部各種形狀的凹坑來產生渦流、擠壓氣流等，可促進柴油與空氣的混合并加速燃燒，凹坑的特點是深而窄，且一般需偏置．其二維視圖主要采用頂部俯視圖和局部剖視圖．由于凹坑一般是旋轉體，因此其三維造型較為簡單．利用偏移法建立好草繪平面后，通過Pro/E提供的旋轉曲面、實體化等操作可以直接造型，如U型、ω型、球型、啞鈴型等類型的凹坑．四角ω型和花瓣型的凹坑雖然其底部仍為旋轉體，但頂部為非旋轉體，因此需在底部旋轉造型的基礎上，再進行頂部的拉伸曲面并去除材料操作，拉伸的截面即為四角形或花瓣形．

缸內直噴汽油機是在部分負荷時用混合氣的分層化實現稀薄燃燒，得到同柴油機一樣低的燃油消耗率．燃燒系統設計通常采用壁面引導法和氣流引導法相配合的方案，利用既有凹坑又有凸起的活塞頂部表面并配合氣流運動，將混合氣引導至火花塞附近進行點火，缸內空氣運動形式主要有渦流、紊流、滾流、擠流等．其活塞頂部凹坑淺而寬，并且凹坑斜面的角度通常設計成漸變．二維視圖除了采用常規的俯視圖、局部剖視圖外，還需借助軌跡線才能表達清楚，軌跡線要有利于三維造型．三維模型主要通過曲面造型獲得，利用Pro/E提供了多種基于軌跡線的曲面造型方法，如普通掃描、掃面混合、邊界混合等可對復雜的凹坑、凸起造型．

[1]錢人一.馬勒汽油直噴增壓發動機活塞新結構[J].汽車與配件,2008 (44):46-48.

[2]劉剛.2135柴油機燃燒室結構的優化[D].大連:大連理工大學,2006: 3-5.

[3]馬學軍,馬呈新,郭偉.適應歐III要求的柴油機活塞結構設計[J].山東內燃機,2006(2):11-13.

[4]吳義民,高明軍.直噴式柴油機燃燒室偏置對活塞裙側壓力的影響[J].內燃機配件,2002(5):25-26.

[5]孫傳利,宋玉波,趙勇.KM186型柴油機的研制開發[J].內燃機與動力裝置,2006(6):1-3.

[6]周華,張曉輝,韓玉環.汽油機缸內直噴稀薄燃燒技術(GDI)[J].客車技術與研究,2007(4):28-38.

[7]田江平.點火室式直噴汽油機燃燒系統及其噴霧特性研究[D].大連:大連理工大學,2009:15-24.

【編校：李青】

Comparison of Combustion Chamber and 3D Modeling Method of Different Piston

LAN Zizhi
(School of Mechanical and Electrical Engineering,Wuyi University,Wuyishan,Fujian 354300,China)

In order to make 3D modeling accurately for the top combustion chamber of engine piston,two typical direct-injection engines were used as examples.One was diesel engine and the other was gasoline engine.The design principle and characteristics of piston’s top combustion chamber were analyzed.The top of diesel engine piston has deep and narrow pit,but gasoline engine piston has a special projection and the depression is wider.After comparing the process of 3D modeling based on Pro/E,the different methods for the top combustion chamber’s two dimensional view expression and three dimensional modeling were presented.The methods can be used for reference and applied to 3D modeling of other piston’s combustion chamber.

direct-injection;diesel engine piston;gasoline engine piston;combustion chamber;three dimensional modeling

TK402

A

1671-5365(2014)06-0075-04

內燃機活塞頂部承受氣體壓力，并與汽缸蓋、汽缸壁共同構成燃燒室，其形狀、位置、大小都和燃燒室的具體形式有關，都是為滿足可燃混合氣形成和燃燒的要求而設．直噴式柴油機是在壓縮行程接近終了時，借助噴油系統將高壓燃料噴入氣缸中，與高溫、高壓的熱空氣混合后便立即自行燃燒，其活塞頂部燃燒室有多種異形結構，常用的有U型、ω型、四角ω型、球型、啞鈴型、花瓣型等．直噴式汽油機在傳統進氣道噴射汽油機的基礎上進行改進，使汽油機能像柴油機那樣，將燃油直接噴射到燃燒室中并形成可燃混合氣，它可比經典的進氣口噴射汽油機節能20%[1]．為了更好地組織缸內可燃混合氣，其活塞頂部燃燒室一般具有特殊的凹坑和凸起，導致結構更加復雜．對活塞頂部的異形結構進行三維建模一般需要通過曲面造型才能完成，Pro/E是PTC(美國參數技術)公司推出的一款優秀的CAD產品，它包含的曲面設計模塊是一個功能強大且相當實用的模塊．此外，活塞頂部三維造型必須依托二維視圖，但對于某些異形活塞，傳統的視圖表達已很難做到完整而清晰，而在Pro/E造型時，如果缺少尺寸就將意味著缺少約束，造型將無法進行．本文以某缸內直噴式柴油機和汽油機的活塞為例，在分析了它們頂部燃燒室結構的基礎上，給出了各自的二維視圖表達及Pro/E三維造型方案，最后對兩種方案作了比較．

1 活塞頂部三維造型的意義

發動機燃燒室內的氣流運動對燃燒過程有重要影響，燃燒室內的流場具有紊流程度高、變化速度快等特點[2]，對燃燒室工作過程的研究包括試驗法和仿真計算兩種．試驗法對缸內的工作過程進行直接觀測，但是氣缸內部始終處于高溫高壓的環境下，人們很難獲得精確的燃燒室內流場情況．隨著科技的發展，發動機缸內過程的三維數值模擬可以代替部分發動機試驗，數值仿真法因其建模方便、結果直觀等優勢成為目前最常用的方法，并能節省大筆的試驗資金．由于燃燒室內組織可燃混合氣基本是由活塞頂部幾何形狀所決定的，因此建立準確的頂部三維幾何模型是數值模擬的基礎．

2013-10-24修回：2013-11-24

蘭自志(1978-)，男，講師，碩士，研究方向為發動機鋁活塞的設計和制造

時間：2013-12-30 11:57

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20131230.1157.002.html