不同形狀燃燒室對柴油機工作性能的影響

曹鵬，李小靜

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不同形狀燃燒室對柴油機工作性能的影響

曹鵬1，李小靜2

（1.鄭州職業技術學院，河南 滎陽 450121；2.鄭州科技學院，河南 鄭州 450064）

文章用FIRE軟件在保證壓縮比的前提下，對柴油機的工作過程建立仿真計算模型，研究不同燃燒室形狀對柴油機性能的影響，主要包括速度和氣體流動、壓力、溫度等，此研究會對柴油機燃燒室的設計提供一定的理論依據。

燃燒室；FIRE軟件；柴油機性能

引言

汽車柴油機從燃油開始噴入燃燒室到燃燒基本結束，整個過程是很短暫的，大約為千分之幾秒[1-2]。燃油要在極短時間內完成良好的混合和燃燒，需要燃燒室結構形狀、燃油噴注方向、油束數量、噴霧質量以及空氣運動等方面的配合。雖然燃料的霧化狀況，對可燃混合氣的充分混合有極大影響，但有適當形狀的燃燒室相匹配形成氣流運動，可進一步促進燃料迅速均勻地與空氣混合，使燃燒過程更加完善，提高內燃機的熱效率，降低排放污染[3]。

1 燃燒模型建立

1.1 發動機基本參數

在進行柴油機工作性能的研究時，不同的供油系統參數，也是判斷燃燒過程的重要指標，本文中發動機基本參數如表1所示。

表1 發動機的基本參數

1.2 三維模型的建立

形狀不同的燃燒室會形成不同的氣流運動，從而影響噴霧分布、燃燒過程及排放。本研究中柴油發動機燃燒室建立的三維模型如圖1和圖2所示。分析的三種不同形狀的燃燒室平面圖如圖3所示。

圖1 燃燒室的三維模型

圖2 1/8燃燒室三維模型

圖3 三種燃燒室的平面圖

2 計算分析

2.1 速度分析

在不改變其他初值的條件下，用FIRE軟件對各燃燒室進行仿真，得出各燃燒室速度場模擬圖。

圖4 351°曲軸轉角時的速度場

圖5 360°曲軸轉角時的速度場

圖6 369°曲軸轉角時的速度場

圖4～6為三種形狀（圖3）燃燒室在不同曲軸轉角時的混合氣的運動速度圖。從仿真實驗結果可以看出不同形狀的燃燒室會影響噴射油束，進而影響缸內氣體運動。A類燃燒室，由于噴射油束遠離燃燒室底部，所以混合氣運動受到的影響比較小； B類燃燒室在三類燃燒室中底部凸臺是最高的，而凸臺尺寸會影響油束噴射和氣體運動，且B類燃燒室在不噴油時中心區域氣流比較弱，會使燃燒室的中心區域內的燃油濃度比較低，在進氣及壓縮沖程中，受流動的影響，燃燒室內部分殘余廢氣保持在燃燒室的底部；C類燃燒室在燃燒上止點附近氣流運動方向與油束噴射方向相反，會阻止燃油的擴散。

2.2 壓力分析

在保證初值不變情況下，對三種形狀燃燒室壓力進行仿真，得出各燃燒室不同曲軸轉角時的壓力場圖，如圖7～9所示，并對三種形狀燃燒室，缸內壓力變化進行對比模擬。

圖7 351°曲軸轉角時的壓力平面剖切分布

圖8 360°曲軸轉角時的壓力平面剖切分布

圖9 369°曲軸轉角時的壓力平面剖切分布

圖10為A、B、C三個燃燒室，在曲軸轉角從220度到480度時缸內壓力分布曲線圖。A燃燒室的最高壓力出現在上止點后8度，最大為19600000Pa。B燃燒室的最高壓力出現在上止點后7度最高壓力為18300000Pa。C燃燒室的最高壓力出現在上止點后10度，最高壓力為19100000Pa。

圖10 三種燃燒室不同的曲軸轉角壓力對比分析圖

通過圖10對比分析可以得出，A燃燒室設計較好，其最高壓力為三者中最大，且出現的時間最佳，。同時，在壓縮沖程達到上止點后，燃燒室壓力達到最大，這樣可以減少活塞進行壓縮時候的能量損失，不僅燃燒能量利用率高，動力性也較好。從最高壓力的利用來看A燃燒室是設計最合理的，其壓力達到最高時間好而且最高壓力也比較大，這種設計可充分提高能量利用率。

2.3 溫度分析

對三種形狀燃燒室溫度進行仿真，得出各燃燒室不同曲軸轉角時的溫度場圖，如圖11～13所示，并對三種形狀燃燒室，缸內溫度變化進行對比模擬。

圖11 351°曲軸轉角時的溫度場

圖12 360°曲軸轉角時的溫度場

圖14 三種燃燒室不同曲軸轉角的溫度對比圖

圖14是A、B、C三類燃燒室對燃燒曲軸轉角-溫度的對比分析圖。三種燃燒室在上止點之前的溫度曲線幾乎是重合的，主要是由于在此階段，缸內燃燒并不劇烈，燃油先進行了氧化和局部燃燒。三類燃燒室都是在上止點后出現溫度最高。

分析曲線對比圖可知，A型燃燒室的放熱曲線最陡，容易產生局部高溫，燃料燃燒不充分，B型燃燒室的放熱曲線最緩，燃燒室內溫度低不利于燃燒。且A型燃燒室最高溫度出現在上止點后17度，最高溫度為1759.58K。B類燃燒室最高溫度出現在上止點后17度，最高溫度為1640.04K。C型燃燒室最高溫度出現在上止點后19度，最高溫度為1801.96K。A型燃燒室急燃期早于B、C，所能達到的最高溫度低于C燃燒室，燃燒后期會產生燃燒不均勻，溫度下降的較快的現象。

3 總結

本文運用FIRE軟件數值模擬的方法，通過控制不同的變量參數，研究了三種形狀的燃燒室對柴油機工作性能的影響。柴油機燃燒室內燃燒過程的模擬，能夠用于分析和預測燃燒室內混合氣的運動形成過程的變化、空間分布、濃度分布、溫度分布及壓力分布等[4]，從而可進一步優化分析柴油機部分工作性能和排放控制。

[1] 周龍保等.內燃機學[M].北京:機械工業出版社,2003.

[2] 強永平等.燃燒室形狀對燃燒過程的影響研究[J].柴油機,2011（2）.

[3] 王威等.柴油機燃燒過程的影響因素分析[J].內燃機與配件,2012年06期.

[4] 王娟等.燃燒室形狀對大功率機車柴油機工作性能的影響[J].大連交通大學學報,2014年05期.

Different shape effect of combustion chamber on diesel engine performance

Cao Peng1, Li Xiaojing2

( 1.Zhengzhou Technical College, Henan Xingyang 450121; 2.Zhengzhou Institute of Science and Technology, Henan Zhengzhou 450064 )

In this paper, Using FIRE software in that part of the numerical simulation process of the diesel engine the same compression ratio is calculated. The research mainly studied the different combustion chamber shapes on the performance of diesel engine, including speed, temperature, discharge and gas flow. And, it can provide theoretical basis for the designing of diesel engine combustion chamber.

combustion chamber; FIRE software; the performance of diesel engine

A

1671-7988(2018)22-217-03

U262.11

A

1671-7988(2018)22-217-03

U262.11

曹鵬(1988- )，女，碩士，鄭州職業技術學院，研究方向：汽車新能源與智能控制。李小靜（1988-），女，碩士，鄭州科技學院，研究方向：混合動力汽車建模仿真。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.077