燃燒室優化

羅 珒　張 亮　姚 源

燃燒室優化

羅 珒1,2張 亮1,2姚 源1

（1.上海交通大學，上海 200240；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

提升現有發動機性能，對不同頂面形狀的活塞燃燒室的進氣及燃燒過程進行多維數值模擬分析。通過對缸內氣體當量均勻性、湍動能場、氣體平均速度、燃燒持續期等缸內燃燒特征參數的影響確定優化方案。其結果證明，合理改善燃燒室形狀可以有效改善發動機燃燒性能。

燃燒室；擠流；模擬分析

1　引言

運用新的增壓及直噴技術可以大幅度提升發動機性能及滿足日益嚴格的法規要求，但是存在開發周期長及成本巨大的不足。主機廠在需要不斷提升現有發動機性能，填補新機型開發完成前的空白期。某1.2L自然吸氣發動機，考慮在保持或降低原機成本的基礎上，提升發動機性能，其主要考慮提升發動機效率，改善發動機燃燒。其中影響燃燒最直接的因素之一是發動機燃燒室，保持發動機壓縮比不變，改變擠氣間隙、活塞頂形狀及擠氣間隙，提升燃燒性能。

2　建模與分析

2.1建模

本文以某市自然吸氣發動機為研究項目，選擇建立單缸模型，主要由進排氣道、進排氣門、氣門座圈、缸蓋燃燒室和活塞燃燒室組成。建立發動機燃燒模型的瞬態模型，其初始條件根據一維分析結構分別對進排氣道和缸內賦值。其邊界分為四個區域：缸孔內壁為固定壁面，設定溫度500K；進氣門表面及缸蓋地面燃燒室為固定壁面，設計溫度為400K；排氣門表面為固定壁面，設定溫度為450K；活塞頂面為運動面，設定溫度為525K。定義活塞銷孔方向為X方向，裙部方向為Y方向。［1-3］

2.2方案設定

本文的主要目的是通過改善活塞頂部燃燒室進而提升燃燒性能，即通過改善燃壓縮行程和火焰形成過程中的湍動能，使燃燒氣體更快更充分混合，同時提升燃燒速率。本文中涉及的方案更改也主要從提升湍動能出發，主要考慮增加擠流效果。

本文在原燃燒室的基礎上，改變燃燒室擠氣間隙θ、燃燒室深度H、燃燒室底徑L和圓角R，其具體尺寸如表1所示：

方案1：加大擠流區域長度，保留原燃燒室擠氣間隙θ，加大燃燒室深度H，同時減小燃燒室底徑L及圓角R。

方案2：加大擠流區域面積，保留原燃燒室深度H及底徑R，加大擠氣間隙θ。

圖1　(X方向)燃燒室結構示意圖

表1　燃燒室方案參數

2.3分析結果

通過AVL-FIEE軟件建立燃燒室模型，選著1000RPM、2000RPM和5500RPM下的瞬時燃燒模型進行分析，主要關注湍動能和空燃比均勻性。

圖2　湍動能對比圖

圖3　空燃比均勻性對比圖

表2　缸內燃燒特征值

圖2湍動能對比圖顯示：

1000RPM轉速下，原方案的湍動能在整個燃燒室區域分布均勻；方案1在X方向上集中在進氣區域，在Y方向上分布相對均勻；方案2的湍動能都集中在進氣區域。

2000RPM轉速下，原方案相對于1000RPM轉速下僅中心區域湍動能能量增大，分布依然均勻；方案1則相對1000RPM轉速下的湍動能有明顯提升，X、Y方向上均布滿整個燃燒，能量也有明顯提升；方案2也有所提升，但是依然集中于進氣區域。

5500RPM轉速下，原方案的湍動能相對于2000RPM轉速沒有明顯改變；方案1則變化明顯，中心區域湍動能能量增加明顯；方案2的湍動能分布趨于中心，能量無明顯提升。

通過圖2湍動能對比圖可以看出，方案1和方案2在低轉速下的湍動能相對與原方案較差。隨著轉速升高，方案1的湍動能更為有優勢。

圖3空燃比均勻性對比圖顯示：

1000RPM轉速下，原方案在進氣側邊緣擠氣區域的空燃比均勻性不是很好；方案1均勻性相對較好；方案2在X方向上均勻性略差。

2000RPM轉速下，原方案在進氣側擠流區域和排氣門區域的空燃比均勻性較差；方案1同原方案情況類似，但在邊緣區域的空燃比均勻性更差；方案2在該轉速下的空燃比均勻性明顯優于其他兩個方案。

5500RPM轉速下，原方案在邊緣擠氣區域的空燃比均勻性較差；方案1整體均勻性較好；方案2優于原方案，略遜于方案1。

通過圖3空燃比均勻性對比可以看出放原方案在低轉速下優于方案1和方案2，隨轉速升高，方案1和方案2的均勻性則有大幅度提升。

通過以上對比，再結合表2的缸內燃燒特征值數據可知，方案1和方案2的擠流效果明顯改善，數據也顯示方案1和方案2的空燃比均勻性更好。空燃比均勻性對燃燒穩定性及爆震有較為重要影響。同時通過表2中的數據可以看出方案1在各個轉速下的平均燃燒速度較快，導致其方案的燃燒持續期比率較低。其中燃燒持續期比率直接體現發動機爆震傾向，因此，原燃燒室更趨向于爆震。

總體而言，方案1和方案2均對燃燒性能有一定的提升，其中方案1優于方案2。

實際發動機項目最終采用方案1，并推廣其同一平臺項目，整機性能均有提升。

3　結論

本文在現有發動機項目上優化燃燒性能，考慮通過更改活塞燃燒室形狀，分析其對燃燒的影響。通過在原燃燒室方案的結構上，主要更改擠流區域的幾何尺寸，考慮增大擠流效果。其分析結果顯示改善是有效的，其中方案1中加深燃燒室深度的更改影響更為明顯。

因此改善燃燒室內的擠流效果，可以較大提升發動機燃燒性能。通過加大燃燒室深度，也可以提升燃燒室內湍流強度，提升燃燒速率，獲得更好的燃燒性能。［4，5］

［1］ 周寶龍.內燃機學［M］.北京：機械工業出版社，1999.

［2］ 周磊，趙長祿，張付軍，等.利用燃燒模擬對柴油機燃燒室的優化設計［J］.燃燒科學與技術，2004，（5）：465-470.

［3］ 劉志恩.內燃機燃燒室多體耦合系統三位瞬態傳熱模擬及應用研究［D］.武漢：華中科技大學，2007.

［4］ 黃忠文，秦際宏，藍志寶，等.擠流對汽油機燃燒過程影響的數值模擬分析研究［J］.小型內燃機與車輛技術，2015，（1）：31-35.

［5］ 宋賀.擠流燃燒室對通用小型汽油機排放性能影響及研究［D］.天津：天津大學，2010.

Optimizing for piston combustion crown

To promote the engine performance， there was used numerical simulation to study the engine combustion with different piston combustion crown. The optimized design was confirmed by the combustion characteristic parameters such as Eq ratio uniformity，turbulence kinetic Energy，mean velocity，burn duration ratio. The result confirmed that reasonable improved the geometry of piston crown could promote the combustion performance.

Combustion crown； squish flow； numerical simulation

Q813.11

A

1008-1151（2016）02-0074-03

2016-01-08

羅珒（1986－），女，湖北黃岡人，上海交通大學在職研究生，上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師，研究方向為發動機零部件設計。