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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  
　
摘要：基于三維數(shù)值模擬的方法，研究了型燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的影響規(guī)律，通過(guò)對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)中的口徑比、出口角度、凹坑半徑、凸臺(tái)高度
摘要： 基于三維數(shù)值模擬的方法，研究了ω型燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的影響規(guī)律，通過(guò)對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)中的口徑比、出口角度、凹坑半徑、凸臺(tái)高度、凸臺(tái)半徑對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的規(guī)律研究，得出結(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。

0. 引言
高強(qiáng)化柴油機(jī)是目前柴油機(jī)發(fā)展的主要趨勢(shì)。該類(lèi)型柴油機(jī)具有功率密度高，體積功率大等特點(diǎn)。燃燒系統(tǒng)是高強(qiáng)化系數(shù)柴油機(jī)的關(guān)鍵，而燃燒室是燃燒系統(tǒng)的核心，目前高強(qiáng)化柴油機(jī)燃燒室對(duì)燃燒過(guò)程的影響規(guī)律研究比較缺乏。
本文研究的高強(qiáng)化柴油機(jī)采用ω型燃燒室，由于燃燒室的具體結(jié)構(gòu)形狀不同，使得燃燒室內(nèi)氣流特性的差別很大，這直接影響著噴霧與燃燒室內(nèi)氣流特性的匹配和混合情況。因此，研究燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒過(guò)程的影響顯得非常重要。ω型燃燒室設(shè)計(jì)5個(gè)獨(dú)立設(shè)計(jì)參數(shù)，每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)間往往存在著耦合關(guān)系，這種耦合關(guān)系非常復(fù)雜，本文通過(guò)對(duì)這5個(gè)獨(dú)立設(shè)計(jì)參數(shù)的研究，找到其對(duì)燃燒過(guò)程的影響規(guī)律。

1. 仿真方案設(shè)計(jì)
1.1 研究對(duì)象及計(jì)算模型
研究對(duì)象為某高速柴油機(jī)，壓縮比13，噴孔數(shù)10，孔徑0.24mm，燃燒室計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示。
利用AVL公司的CFD模擬軟件FIRE進(jìn)行仿真計(jì)算，燃燒模型選用EBU燃燒模型，噴霧模型選用WAVE模型，燃油蒸發(fā)模型采用Dukowicz模型，液滴碰壁模型為Walljet模型。
圖1  燃燒室仿真網(wǎng)格
1.2 計(jì)算模型標(biāo)定
缸內(nèi)壓力曲線仿真標(biāo)定見(jiàn)圖2。從圖2可以看出仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)得到的缸內(nèi)壓力曲線走勢(shì)相同，兩條曲線基本吻合。且計(jì)算值與試驗(yàn)值之間最大誤差不超過(guò)3%，這進(jìn)一步驗(yàn)證了所建立仿真模型的準(zhǔn)確性。
圖2  缸內(nèi)壓力曲線仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
1.3 燃燒室的變參數(shù)設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)ω形燃燒室的形狀由五個(gè)獨(dú)立變量唯一決定，這五個(gè)變量分別為：喉口直徑d，出口角度∠2，凹坑半徑R2，凸臺(tái)高度h和凸臺(tái)半徑R1。分別選取這五個(gè)獨(dú)立變量作為下一步參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，燃燒室各主要參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 ω形燃燒室參數(shù)列表
d（mm）
喉口直徑
R2（mm）
凹坑半徑
∠2（°）
出口角度
R1（mm）
凸臺(tái)半徑
∠1（°）
凸臺(tái)傾角
h（mm）
凸臺(tái)高度
H（mm）
燃燒室最大深度

ω型燃燒室主要利用進(jìn)氣渦流和壓縮擠流來(lái)促進(jìn)混合氣形成和燃燒過(guò)程的進(jìn)行。根據(jù)出口形式可將ω形燃燒室分成擴(kuò)口燃燒室（出口角度>90º）、直口燃燒室（出口角度=90º）及縮口燃燒室（出口角度<90º）。本文針對(duì)三種燃燒室分別研究不同口徑比、出口角度、凹坑半徑、凸臺(tái)高度、凸臺(tái)半徑下對(duì)燃燒過(guò)程的影響規(guī)律。燃燒室參數(shù)如表2所示，燃燒室網(wǎng)格如圖3所示。
1.3.1燃燒室口徑的變化
保持燃燒室體積固定、喉口直徑變化，凸臺(tái)半徑和燃燒室深度隨之變化?？趶奖鹊淖兓?jiàn)圖4。
圖4 ω形燃燒室口徑變化
     保持燃燒室體積固定，出口角度變化，凸臺(tái)半徑和燃燒室深度 H 隨之變化。出口角度的變化系列見(jiàn)圖 5 。
1.3.2 燃燒室出口角度的變化
圖5ω形燃燒室出口角度變化
1.3.3凹坑半徑的變化
保持燃燒室體積固定，凹坑半徑變化，凸臺(tái)半徑和燃燒室深度H隨之變化。凹坑半徑的變化系列見(jiàn)圖6。
圖6ω形燃燒室凹坑半徑變化
1.3.4凸臺(tái)高度的變化
保持燃燒室體積固定，凸臺(tái)高度變化，凸臺(tái)半徑和燃燒室最大深度隨之變化。凸臺(tái)高度的變化系列見(jiàn)圖7。
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