燃烧室形状对柴油机压缩冲程影响的数值模拟

摘要：为研究柴油机燃烧室形状对柴油机压缩冲程的影响，应用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)数值方法，针对3种不同几何形状的直喷型柴油机燃烧室压缩冲程进行三维流场计算. 计算结果表明缩口燃烧室具有较大的挤流强度和较合理的涡流分布，可以产生较高的缸内压力和温度，有利于混合气体的形成，与直口和敞口燃烧室相比性能较好. 所采用的数值计算方法和分析结果对柴油机燃烧室的设计工作具有参考意义.

关键词：柴油机；燃烧室；压缩冲程；计算流体力学

中图分类号：TK421.2；O35文献标志码：A

Numerical simulation on influence of combustion chamber configuration on compression stroke in diesel engines

CHEN Yuhang1, ZHENG Bailin1, WU Xiugen1, QU Chengwei2

(1. Institute of Applied Mechanics, Tongji Univ., Shanghai 200092, China；

2. Shanghai Linyoo Info. & Tech. Co., Ltd., Shanghai 200092, China)

Abstract：To study the influence of combustion chamber configuration on compression stroke of diesel engines, Computational Fluid Dynamics (CFD) is introduced to simulate 3D flow field characteristics inside direct-injection engine cylinder equipped with three different piston configurations during compression stroke. The results show that reentrant combustion chamber has larger squish intensity and more reasonable swirl distribution, which can produce higher in-cylinder pressure and temperature and is advantageous to generate mixed gas. It has better performance than toroidal and open combustion chamber. The numerical computational method and results can play a significant part in the design of combustion chamber in diesel engines.

Key words：diesel engine; combustion chamber; compression stroke; computational fluid dynamics

0引言

在直喷型柴油机中，压缩冲程末期接近上止点时，气缸内部的流场状况是影响燃烧过程的关键因素[1]，它由进气过程中通过进气阀的气流以及本身在压缩冲程中的热变化共同决定.更为关键的是，燃烧室内混合气体的形成由进气系统和燃烧室结构、燃油喷射、高压燃油与缸内运动的空气混合运动3个方面共同决定.[2]因此，良好的燃烧室结构优化设计对柴油发动机扭矩输出性能具有决定性的影响.[3]

在压缩冲程早期和进气冲程末期所得到的层状滚流结构仍然存在.随着压缩冲程的进行，进气冲程中由环形喷射所产生的湍流以相当快的速度消散，余下的部分在缸内几乎均匀分布.[1]可以认为，燃烧室的几何形状对燃油喷射和混合气体燃烧的影响，在压缩冲程中可得到最大体现.因此，燃烧室的几何形状和尺寸是改善油气混合和燃烧的关键.

本文采用大型计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)程序研究燃烧室几何形状对压缩冲程中缸内空气运动的影响，进而分析它对混合气体形成及燃烧过程的影响，探索燃烧室几何形状参数对混合气体影响的规律，为进一步的优化设计提供依据.

1计算模型及方案

可以将内燃机缸内流体运动以及燃油喷雾过程的数学描述归结为一个耦合的偏微分方程组.各基本方程都可以写成通用输运方程的形式：

在对3种不同燃烧室的建模过程中，充分考虑网格对计算结果的影响.相关研究[4]表明，在进气和压缩冲程中网格的细化对整个缸内流场的影响并不大，在接近上止点时最多相差7%.然而，细化燃烧室计算时的CPU占用率几乎翻了3倍.因此，所采用的燃烧室模型单元数目在上止点时刻大约为50 000，而在下止点时刻大约为110 000.同时为了获得更好的网格质量，在不同的网格区域内使用不同的旋转参数来获得最好的单元长细比等相关指标.具体网格划分见图2.

数值计算基于有限体积法，使用标准高雷诺数k-ε双方程湍流模型，并采用PISO算法.在动量、能量和湍流方程方面使用1阶上风差分格式进行计算.整个计算过程从进气冲程开始直到压缩冲程结束后曲轴转过30°为止.由于在接近上止点的部分时间段内涡流效应和燃烧室空间变小，因此时间步长取曲轴转过0.1°所用的时间，其他时间段取曲轴转过0.5°所用的时间.

2研究结果与分析

2.1压缩冲程缸内速度场分析

采用典型的缩口尖底深坑型燃烧室B内的湍流场，简要叙述整个压缩冲程的流场变化过程.

在压缩冲程中，进气冲程末期所得到的层状滚流结构仍然存在.随着压缩的进行，轴向上升流在活塞顶端部分产生气流速度逐渐增大的湍流速度场.当活塞到达上止点后曲轴转过265°时,缸内的涡流运动在任意一个截面具有各向同性，证明在压缩冲程的前一阶段，燃烧室几何形状对缸内湍流场影响较小.[4]图3是B形燃烧室在压缩冲程4个时刻的速度场分布图.

形成过程却非常相似[5].进一步，由于中心平台的导流作用，使得B形燃烧室内气流在深坑处产生高达约30 m/s的强旋流.在整个压缩冲程的末期，该涡流一直主导缸内的高速湍流场，提高混合气的形成速度和质量，并对喷雾燃烧过程起关键作用.

2.2不同燃烧室压缩冲程的比较

压缩冲程末期所得到的缸内温度场、压力场以及湍流场对柴油机喷油燃烧起到极为关键的作用.[6]图4为3种不同燃烧室在压缩冲程过程中的最高温度和压力随曲轴转角变化的比较曲线图.从图4可以发现，缩口型燃烧室B内的最高温度和压力在曲轴离上止点5°时(燃烧反应开始前)分别达到845 K和40.25 kPa.这种相对较高的压力和温度场从另一个方面反映出燃烧室B在压缩冲程中气流的运动更为剧烈，对上止点附近的喷油燃烧过程非常有利.[7]而燃烧室A和C的最高温度在相应的瞬时分别为800.5 K和809.6 K，最高压力分别为34.2 kPa和36.7 kPa.以上分析说明，燃烧室A和C在压缩冲程末期产生的压力和温度相对较低，因此燃烧性能相对较差.

2.3上止点附近喷油场分析

在对柴油机的研究[8]中，燃油的喷射、雾化和蒸发及其与空气的混合对发动机的燃烧和排放具有关键性的作用.上止点附近的喷雾浓度场见图5.

图5表明，喷油过程中存在较为明显的混合气撞壁现象，有利于燃烧反应的进行.在燃烧室A中，由于油滴碰撞到缸壁的时间较晚，导致燃油蒸气混合量较小，因此在喷雾燃烧过程中燃油液滴分布不够均匀，使得其他区域的氧气含量较高，NOx的排放量较大.而在燃烧室B中，情况得到一定改善.由于油滴撞壁的入射角度较小，在挤流的作用下，燃油颗粒在垂直方向得到很好的发展，将来会在燃烧室下部产生着火点，有利于燃烧的进行.燃烧室C中的燃油液滴也有一定的垂向发展，但大多附着在缸壁上，不利于混合气的充分形成.3结论

在对3种不同形状的柴油机燃烧室进行压缩冲程的CFD模拟之后，得到相应的计算数据，并对其缸内流场的特点和喷雾场进行分析.

(1)通过分析在3种不同几何形状的柴油机燃烧室压缩冲程中所产生的湍流场，对整个压缩过程缸内湍流场的发展有了更准确的认识，同时也验证所采用计算模型的实用价值.

(2)计算结果表明，缩口型燃烧室B具有较大的挤流强度和较合理的涡流分布，在压缩冲程末期可以产生较高的缸内压力和温度，有利于喷雾过程中混合气体的形成.而直口和敞口型燃烧室的相应性能则相对较弱.

(3)由于燃烧室B缩口处缸壁有一定的导流作用，使得燃油颗粒得以更好地向燃烧室底部发展，形成良好的混合气体，对减少有害排放物也有一定的积极作用.其他两种燃烧室内混合气体的分布不甚理想，可以考虑提前喷油时间使着火时缸内整体燃油浓度场分布更加合理.

参考文献：

[1]HEYWOOD J B. Fluid motion within the cylinder of internal combustion engines-the 1986 freeman scholar lecture[J]. J Fluids Eng, 1987, 109(1): 3-35.

[2]黄晨, 尧命发, 朱坚. 燃烧室几何形状对柴油机燃烧过程影响的数值模拟研究[J].内燃机工程, 2007, 28(2): 14-18.

[3]杨青, 武秀根, 郑百林, 等.柴油机扭矩输出特性的动力学模拟[J].计算机辅助工程, 2006, 15(4): 65-68.

[4]PAYRI F, BENAJES J, MARGOT X, et al. CFD modeling of the in-cylinder flow in direct-injection diesel engines[J]. Computers & Fluids, 2004, 33(8): 995-1 021.

[5]ARCOUMANIS C, WHITELAW J H. Fluid mechanics of internal combustion engines[C]//Proc IMechE: Part C, 1988: 57-74.

[6]RASK R B, SAXENA V. Influence of the geometry on flow in the combustion chamber of a direct-injection diesel engine[C]//ASME Winter Annual Meeting, 1985: 19-28.

[7]BOPP S, VAFIDIS C, WHITELAW J H. The effect of engine speed on the TDC flow field in a motored reciprocating engine[C]//SAE Paper 860023. USA: SAE International, 1986: 187-196.

[8]解茂昭. 内燃机计算燃烧学[M]. 2版. 大连: 大连理工大学出版社, 2005: 65-69.

(编辑于杰)

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”

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