燃燒室偏心距對小型高速柴油機氣流運動的影響與分析

雒 先 馬正穎 林秀霞 閆 俊 閆 玲

(國家知識產權局專利審查協作北京中心 北京 100190)

引言

目前，國內小型活塞式發動機大多是汽油機，小型高速活塞式柴油發動機的研發僅僅停留在論證階段;而國外在小型活塞式發動機的研發以及應用方面已經取得了許多的研究成果，一些小型航空活塞式柴油發動機已投入到實際應用當中［1～8］。本文通過燃燒室偏心距對TKDI600小型高速活塞式柴油機缸內氣流運動過程的仿真分析與研究，有助于掌握國外小型高速柴油機氣流運動方面的相關技術，為我國小型高速柴油機燃燒室結構等研發方案的選擇以及樣機的試制提供分析與決策依據。

1 結構參數以及計算初始和邊界條件

本文數值仿真分析對象為德國TKDI600小型高速四沖程活塞式柴油機，其主要結構及運行參數如表1所示。

TKDI600柴油機采用5孔噴油器，噴油器中心線與氣缸軸線存在夾角且燃燒室為偏心燃燒室，所以氣缸軸線、燃燒室軸線以及噴油器中心并不重合。對計算區域進行360度網格劃分，生成網格質量良好的TKDI600小型高速柴油機的燃燒室模型體網格。燃燒室的三維模型以及體網格如圖1、2所示。

表1 TKDI600小型高速柴油機主要結構參數［5］

圖1 燃燒室的三維模型

圖2 燃燒室體網格

模擬計算從240°CA至480°CA，湍動能 TKE=(3/2)u'2，其中u'為湍流脈動速度。發動機缸內初始的湍流長度尺寸 TLS=hv/2、循環噴油量 m=bePeτ/(120ni)、湍流強度T=Sw×n，其中，hv為氣門的最大升程，be為有效燃油消耗率，Pe為發動機的有效功率，τ為發動機沖程數，i為氣缸數，Sw為初始進氣渦流比。

根據上述公式確定模擬計算初始條件，其具體數值如表2所示。

表2 模擬計算初始條件設置

數值模擬的邊界條件包括速度邊界條件與溫度邊界條件兩類。氣缸蓋與氣缸壁的速度邊界條件按照湍流壁面函數法選取，其數值為0;活塞頂部的速度與活塞運動速度相等。溫度邊界條件取第一類邊界條件，即采用恒溫邊界條件。借鑒國內外相關學者選定溫度邊界條件的經驗，選定氣缸蓋底部溫度、氣缸壁面溫度、燃燒室壁面溫度分別為:553 K、403 K、593 K。

2 缸內氣流運動的特征參數

為了準確描述缸內氣流運動過程，引入了擠流強度、角動量強度以及渦流比等特征參數，其物理意義如下:

擠流強度S:仿真分析中，采用測點指向偏心燃燒室中心的速度來表征擠流強度的大小，規定指向燃燒室中心的速度為正，背離燃燒室中心的速度為負。擠流強度的計算公式如式(1)所示。

其中，S為擠流強度，u、w分別為x與z方向的速度。

角動量強度AM:本文仿真分析的角動量強度主要考慮缸內氣體相對氣缸中心軸線的角動量，角動量強度表達式如式(2)所示。

渦流比SW:渦流是指氣流繞氣缸軸線的渦旋運動，渦流比可以反應渦流旋轉角速度的相對大小，渦流比的計算公式如式(3)所示。

其中，AM為角動量強度;SW為渦流比;n為曲軸轉速;m為微元體質量;r為微元體旋轉半徑;v為微元體橫截面切線速度;i為微元體序號;N為微元體總數。

3 計算結果與分析

模擬計算出的發動機缸內壓力數據與實驗數據對比如圖3所示。文獻中的實驗數據與仿真數據對比如表3所示，表中曲線積分面積指發動機在進氣門關閉到排氣門開啟對應曲軸轉角之間曲線求積分，通過曲線積分面積確定仿真計算結果與實驗數據的累積誤差。

圖3 實驗缸壓數據與仿真缸壓數據對比

通過分析，仿真計算的相對誤差控制在一個較小的范圍內，說明數值計算結果能夠較好地與實驗數據相吻合，仿真計算能夠較好地反映缸內混合氣形成過程及其規律。

本文在保證燃燒室其他參數不變的情況下，分析研究燃燒室偏心距對氣流運動的影響規律。燃燒室偏心參數設置如表4所示，不同偏心位置下燃燒室網格劃分如圖4所示。

圖4 不同偏心位置燃燒室網格劃分(上止點時刻)

3．1 燃燒室偏心距對缸內速度分布的影響

燃燒室偏心位置能夠強烈地影響缸內的氣流運動，缸內各點流速以及流場分布會因為偏心距的不同而存在差異。圖5給出了噴油起始曲軸轉角下，穿過油束1中心線的燃燒室縱向切面速度分布，通過分析可以看出:

表3 實驗缸壓數據與仿真數據對比

表4 偏心燃燒室參數設置

圖5 不同偏心距燃燒室縱向切面內速度分布(338°CA)

1)不偏置工況下，燃燒室縱向切面內速度呈軸對稱分布，靠近燃燒室唇部區域內的空氣在擠流作用下沿軸向向下運動，而靠近燃燒室底部的空氣在向上運動活塞的擠壓作用下沿軸向向上運動，兩區域內方向相反的氣流在燃燒室中部相遇后分別向燃燒室壁面以及對稱軸方向運動。

2)當燃燒室偏心布置時，速度場并不關于y軸對稱分布，擠氣面積較大區域內的流體向擠氣較小區域內流動，在y軸附近區域存在明顯的橫向流動，燃燒室內的氣流總體上有向擠氣面積較小一側燃燒室凹坑內運動的趨勢。

3)隨著偏心距離的增大，燃燒室內氣流橫向運動得到加強，在y軸附近區域內氣流運動沿軸向向上的分量減小，空氣直接進入到擠氣面積較小一側的燃燒室凹坑內，偏心燃燒室內流體運動在一定程度上增加了缸內流體的湍流動能。

3．2 燃燒偏心距對缸內擠流運動的影響

不同偏心距的燃燒室擠氣面積存在差異，擠氣面積強烈影響擠流的形成及其分布。圖6給出了不同偏心位置情況下，切面1以及切面2內擠流強度隨著曲軸轉角的變化，切面1為燃燒室中心偏離氣缸中心最大處的燃燒室半個面積較大的切面，切面2為燃燒室中心偏離氣缸中心最大處的燃燒室半個面積較小的切面。

圖6 偏心距對擠流強度的影響

對比分析可以看出:

1)不同切面內擠流強度隨曲軸轉角的變化呈現相似的規律。燃油噴射前缸內擠流強度隨著曲軸轉角的增加在不斷增大;而在接近上止點位置時，由于噴入缸內燃油對空氣的卷吸作用以及活塞運動速度減慢對流體的擠壓作用減弱，缸內擠流強度迅速降低，在上止點附近擠流運動的方向發生改變，出現了逆擠流現象;在油束以及沿軸向向下運動活塞的綜合作用下，逆擠流強度隨著曲軸轉角的增加不斷增大;噴油結束后逆擠流強度隨著曲軸轉角的增加而不斷削弱。

2)壓縮過程中，在遠離上止點位置不同偏心距燃燒室切面內的擠流強度相差并不大，隨著曲軸轉角的增加擠流強度的差異逐漸變大;在噴油結束后，隨著曲軸轉角的增加擠流強度的差異在逐漸減小。說明了在缸內空間較大情況下，擠流強度的差異并不明顯。

3)同一曲軸轉角下，切面1內擠流、逆擠流強度隨著偏心距的增加而增大，切面2內的擠流、逆擠流強度隨著偏心距的增加而減小。因此，同一平面內隨著偏心距的增加，擠流以及逆擠流強度的不均勻性在增加。這主要是因為當偏心距較大時，切面1內的擠氣面積較大，而切面2內擠氣面積相反則較小，造成了在燃燒室唇部氣流徑向運動速度的明顯差異。

4)燃燒室偏心布置時，增加了指向燃燒室軸線的最大速度值。因此，偏心燃燒室使缸內流體的不規則運動加強，流體的湍動能在一定程度上有所提高。

3．3 燃燒室偏心距對角動量強度的影響

進氣渦流在缸內繞軸線運動過程中能量不斷衰減，不同的偏心距對缸內渦流運動及其能量耗散產生不同影響。圖7為不同偏心距燃燒室缸內角動量強度隨曲軸轉角的變化曲線，通過對比分析可以看出:隨著曲軸轉角的增加，缸內角動量強度在不斷減小;燃燒室不偏心情況下，缸內角動量強度最大，缸內流體內部以及流體與壁面之間的摩擦損耗最小;同一曲軸轉角下，隨著偏心距的增加缸內角動量強度減小，流體的摩擦損耗增大。

圖7 偏心距對缸內角動量強度的影響

3．4 燃燒室偏心距對渦流的影響

圖8為不同偏心距燃燒室缸內平均渦流比隨曲軸轉角的變化曲線。通過分析可以看出:不同偏心距燃燒室缸內平均渦流比隨著曲軸轉角的增加變化規律相似，但是隨著燃燒室偏心距的增大，同一曲軸轉角下的缸內平均渦流比在減小。這一方面是因為隨著偏心距的增加，不對稱分布的缸內氣流運動導致氣流之間的摩擦耗損較多，渦流運動總能量減小;另一方面，燃燒室對稱分布缸內氣體的總動能大，更有利于氣體流動，偏移量越大，越不利于氣流流動。因此，隨著偏移量的增加，更少質量的流體能夠進入到燃燒室內，流體平均渦旋半徑增大，渦流比隨之減小。

圖8 偏心距對缸內平均渦流比的影響

3．5 燃燒室偏心距對湍動能的影響

燃燒室偏心布置會增加缸內流體運動的不對稱性，進而影響缸內湍流流場的分布。圖9給出了不同時刻，燃燒室偏心距對缸內湍動能分布影響的云圖。其中，每一曲軸轉角下燃燒室的偏心距離分別為0 mm、－6．9 mm、－10 mm;338 °CA 對應燃油開始噴射時刻，360°CA為活塞運動到上止點位置時刻，而372°CA時刻燃油噴射結束。為了能夠鮮明地反映同一曲軸轉角下缸內高湍動能的位置及其比重，在同一曲軸轉角下采用相同的顏色標尺，不同曲軸轉角下顏色標尺不同。

圖9 不同時刻不同偏心距缸內湍動能分布

通過分析可以看出:

1)隨著偏心距的增加，缸內高湍動能區域分布面積增大，且湍流動能的最大值也更高。這主要是因為偏心結構使缸內流體不對稱分布，不規則運動加強，從而使湍動能增加。

2)隨著曲軸轉角的增加，湍流動能大的區域逐漸向外、向上擴散，在上止點前缸內的高湍動能區域主要集中在燃燒室中部以及底部，上止點之后高湍動能區域則集中在燃燒室中部以及中上部，并且在偏心距較大燃燒室的唇口部位出現了高湍動能區域。這主要是因為上止點后沿軸向向上的缸內逆擠流運動使高湍動能區域向上運動，同時在燃燒室唇部逆擠流運動較強烈。

3)在燃油噴射時刻，偏心距大的燃燒室內湍流運動明顯且作用范圍大，有利于改善油氣的混合質量。

4 結論

在結合小型高速柴油機特點的基礎上，本文分析了燃燒室偏心距對缸內氣流運動的影響，燃燒室偏心距會對缸內的渦流、擠流等氣流運動過程產生十分明顯的形象，并呈現一定的規律:

1)燃燒室偏心距增大時，缸內速度分布的不均勻程度增加;氣流的橫向運動速度分量增大;縱向運動速度分量減小。

2)燃燒室偏心距增大時，擠氣面積較大一側擠流強度較強，而擠氣面積較小一側擠流強度較弱;擠流強度隨著曲軸轉角變化的變化值增加;

3)燃燒室偏心距增大時，能量耗散加劇，渦流強度降低;且在不同偏心距下，氣流的能量耗散以及渦流強度隨著曲軸轉角的變化規律一致;

4)燃燒室偏心距增大時，高湍動能區域范圍增大，湍動能的最高值也較高，其有利于燃油擴散以及油氣混合。

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