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基于數(shù)值仿真分析的高強(qiáng)化柴油機(jī)燃燒室參數(shù)化設(shè)計(jì)
2018-12-03 23:37:10· 來(lái)源：文明 工作過(guò)程研究室
2.3 凹坑半徑對(duì)燃燒過(guò)程的影響分析
圖17為凹坑半徑對(duì)放熱率的影響，通過(guò)對(duì)比分析可知，上止點(diǎn)前，凹坑半徑最小時(shí)的放熱率最小，而凹坑半徑最大時(shí)的放熱率最大，但前者的放熱率第一峰值最高，峰值出現(xiàn)的時(shí)刻最晚，而后者的放熱率第一峰值最低，峰值出現(xiàn)時(shí)刻最早，且位于上止點(diǎn)前，凹坑半徑對(duì)放熱率第二峰值的影響較小。上止點(diǎn)之前，凹坑半徑最大時(shí)的放熱率最大，且出現(xiàn)了放熱率第一峰，所以其做出的壓縮負(fù)功較大，而凹坑半徑最小時(shí)的放熱率主要集中在上止點(diǎn)后，產(chǎn)生的壓縮負(fù)功較小。
圖 18 為凹坑半徑對(duì)缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布的影響，通過(guò)對(duì)比分析可知：（ 1 ）上止點(diǎn)前，凹坑半徑最大時(shí)的缸內(nèi)最高溫度最大為 2276.87K ，而凹坑半徑最小時(shí)的最高溫度最低僅為 1393.13K ，這主要是因?yàn)樯现裹c(diǎn)前，凹坑半徑最大時(shí)的放熱率最大，而凹坑半徑最小的放熱率最小。（ 2 ） 370°CA 時(shí)，凹坑半徑越大，則油束下側(cè)的高溫區(qū)面積越小， 380°CA 之后，缸內(nèi)高溫區(qū)的面積也是隨著凹坑半徑的增大而減小，與凹坑半徑較小時(shí)相比，凹坑半徑較大時(shí)的高溫區(qū)主要集中于凹坑處，燃燒室中心處的高溫區(qū)面積較小，這主要是因?yàn)榘伎影霃捷^大時(shí)，燃燒室中央處的空間較大，燃油無(wú)法擴(kuò)展到此處，從而影響到此處燃燒過(guò)程的進(jìn)行。
圖19為凹坑半徑對(duì)指示功率的影響，對(duì)比分析可知，指示功率隨著凹坑半徑的增加幾乎線性減小，與口徑比對(duì)指示功率的影響相比，在凹坑半徑的取值范圍內(nèi)，兩者指示功率的變化范圍相當(dāng)，說(shuō)明兩者對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性的影響相差不大。
圖20為凹坑半徑對(duì)缸內(nèi)平均壓力的影響，對(duì)比分析可知，上止點(diǎn)時(shí)，凹坑半徑最大時(shí)的平均壓力最大，而凹坑半徑最小時(shí)的最小，這與放熱率曲線中，上止點(diǎn)之前凹坑半徑最小時(shí)的放熱率較慢的結(jié)果一致。但上止點(diǎn)后凹坑半徑最小時(shí)的放熱率迅速上升，此后放熱率最快，所以平均壓力曲線中，凹坑半徑最小時(shí)的平均壓力峰值最高，峰值過(guò)后，其平均壓力值也最高，所以指示功率最高。
2.4凸臺(tái)高度對(duì)燃燒過(guò)程的影響分析
圖21為凸臺(tái)高度對(duì)放熱率的影響，通過(guò)對(duì)比分析可知，凸臺(tái)高度為10.1mm和11.3mm時(shí)，上止點(diǎn)前的放熱率最低，但放熱率第一峰值最高，且峰值出現(xiàn)時(shí)刻在上止點(diǎn)后，有利減小壓縮負(fù)功的產(chǎn)生。但凸臺(tái)高度為11.3時(shí)的放熱率第二峰值最低，說(shuō)明其擴(kuò)散燃燒進(jìn)行的較差?？傮w而言，與口徑比、出口角度及凹坑半徑對(duì)放熱率的影響相比，凸臺(tái)高度對(duì)放熱率的影響很小。
圖 22 為凸臺(tái)高度對(duì)缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布的影響，通過(guò)對(duì)比分析可知：（ 1 ）上止點(diǎn)時(shí)，凸臺(tái)高度為 11.3mm 時(shí)的缸內(nèi)最高溫度最低僅為 1982.4K ，而凸臺(tái)高度為 8.1mm 時(shí)的最高溫度達(dá)到了 2136.87K ，這是因?yàn)橥古_(tái)高度為 8.1mm ，預(yù)混燃燒階段的放熱率最快。（ 2 ） 370°CA 時(shí)，隨著凸臺(tái)高度的增加，油束下側(cè)的高溫區(qū)越靠近凹坑底部，高溫區(qū)面積越小，但缸內(nèi)最高溫度越大，凸臺(tái)高度為 4.1mm 時(shí)的最高溫度為 2674.3K ，而凸臺(tái)高度為 11.3mm 時(shí)的最高溫度達(dá)到了 2754.9K 。（ 3 ） 380°CA 之后，高溫區(qū)面積隨著凸臺(tái)高度的增加而減小，由于油束落點(diǎn)相同，燃燒室口徑和唇部形狀也相同，所以油束上側(cè)的高溫區(qū)分布相似。但當(dāng)凸臺(tái)高度較小時(shí)，油束下側(cè)高溫區(qū)主要集中在凹坑處，隨著凸臺(tái)高度的增加，位于凹坑處的高溫區(qū)逐漸向燃燒室中央移動(dòng)，這是因?yàn)楫?dāng)凸臺(tái)高度增加后，凸臺(tái)傾角越大，越有利于燃油向燃燒室中央擴(kuò)展。
圖23為凸臺(tái)高度對(duì)指示功率的影響，對(duì)比分析可知，凸臺(tái)高度對(duì)指示功率的影響很小，最高功率與最低功率之差僅為0.48kW，與口徑、出口角度及凹坑半徑的影響相比，凸臺(tái)高度對(duì)指示功率的影響幾乎可以忽略。
圖24為凸臺(tái)高度對(duì)缸內(nèi)平均壓力的影響，對(duì)比分析可知，凸臺(tái)高度對(duì)缸內(nèi)平均壓力的影響也很小，這與不同凸臺(tái)高度下的放熱率相差很小的結(jié)果一致。當(dāng)凸臺(tái)高度為11.3時(shí)，上止點(diǎn)前放熱率略低，所以此時(shí)的平均壓力也略小于其他凸臺(tái)高度下的，而由于擴(kuò)散燃燒階段放熱率低，所以370°CA以后，與其他凸臺(tái)高度相比，其平均壓力也較小。
2.5凸臺(tái)半徑對(duì)燃燒過(guò)程的影響分析
圖25為凸臺(tái)半徑對(duì)放熱率的影響，通過(guò)對(duì)比分析可知，凸臺(tái)半徑為13mm和39mm時(shí)的放熱率曲線幾乎相同，上止點(diǎn)前，凸臺(tái)半徑最小時(shí)的放熱率最小，而凸臺(tái)半徑為26mm時(shí)的放熱率其次，凸臺(tái)半徑為13mm和26mm時(shí)的放熱率最大。凸臺(tái)半徑最小時(shí)的放熱率第一峰值最高，峰值出現(xiàn)時(shí)刻最晚，凸臺(tái)半徑為26mm的第一峰值其次，峰值出現(xiàn)時(shí)刻較之提前，而凸臺(tái)半徑為13mm和26mm時(shí)的第一峰值最小，但峰值出現(xiàn)的時(shí)刻最早且在上止點(diǎn)前，這會(huì)導(dǎo)致上止點(diǎn)前產(chǎn)生的壓縮負(fù)功較多，凸臺(tái)半徑對(duì)放熱率第二峰值的影響很小，燃燒后期不同凸臺(tái)半徑下的放熱率相差很小。
圖 26 為凸臺(tái)半徑對(duì)缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布的影響，通過(guò)對(duì)比分析可知：（ 1 ）上止點(diǎn)時(shí)，凸臺(tái)半徑為 0mm 時(shí)的缸內(nèi)最高溫度最低僅為 1753.69K ，而凸臺(tái)半徑為 39mm 時(shí)的最高溫度則達(dá)到了 2285.35K ，這是因?yàn)橥古_(tái)高度為 39mm 時(shí)，預(yù)混燃燒階段的放熱率最快。由于上止點(diǎn)后，凸臺(tái)半徑最小時(shí)的放熱率迅速上升，放熱量大，所以使得 370°CA 時(shí)的缸內(nèi)最高溫度最高，達(dá)到 2715.27K ，而凸臺(tái)半徑為 39mm 時(shí)的最高溫度為 2670.65K 。（ 2 ） 380°CA 之后，由于凸臺(tái)半徑較大時(shí)，凸臺(tái)傾角較小，導(dǎo)致高溫區(qū)集中在燃燒室凹坑處，而凸臺(tái)半徑較小時(shí)的高溫區(qū)從凹坑處向燃燒室中央處擴(kuò)展，高溫區(qū)面積較大。
圖 27 為凸臺(tái)半徑對(duì)指示功率的影響，對(duì)比分析可知，凸臺(tái)半徑為 0mm ，即尖底凸臺(tái)時(shí)的指示功率最高，除此之外，指示功率隨著凸臺(tái)半徑的增加，先增加后減小。但最高功率與最低功率之差僅為 0.69kW ，與口徑、出口角度及凹坑半徑的影響相比，凸臺(tái)高度對(duì)指示功率的影響很小。圖26 凸臺(tái)半徑對(duì)缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布的影響
圖28為凸臺(tái)半徑對(duì)缸內(nèi)平均壓力的影響，對(duì)比分析可知，上止點(diǎn)時(shí)，凸臺(tái)半徑最大時(shí)的平均壓力最大，而凸臺(tái)半徑最小時(shí)的平均壓力最小，這與放熱率曲線中，上止點(diǎn)之前，凸臺(tái)半徑最小時(shí)的放熱率最小的結(jié)果一致。上止點(diǎn)后，凸臺(tái)半徑最小時(shí)的放熱率迅速上升，所以平均壓力上升最快，其峰值最高，峰值過(guò)后，不同凸臺(tái)半徑下的平均壓力相差不大，這與放熱率曲線中燃燒后期的放熱率相差不大的結(jié)果一致。
3 結(jié)論
1）指示功率隨著口徑的增加，先增加后減小，即存在一個(gè)最優(yōu)的口徑比使得指示功率最高，燃燒過(guò)程最優(yōu)。
2）指示功率隨著出口角度的增加，先增加后減小，即存在一個(gè)最優(yōu)的出口角度使得功率最高，燃燒過(guò)程最優(yōu)。
3）指示功率隨著凹坑半徑的增加幾乎線性減小。
4）凸臺(tái)高度和凸臺(tái)半徑對(duì)指示功率和燃燒過(guò)程的影響較小。
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