不同形状燃烧室对柴油机工作性能的影响

曹鹏，李小静



不同形状燃烧室对柴油机工作性能的影响

曹鹏1，李小静2

（1.郑州职业技术学院，河南 荥阳 450121；2.郑州科技学院，河南 郑州 450064）

文章用FIRE软件在保证压缩比的前提下，对柴油机的工作过程建立仿真计算模型，研究不同燃烧室形状对柴油机性能的影响，主要包括速度和气体流动、压力、温度等，此研究会对柴油机燃烧室的设计提供一定的理论依据。

燃烧室；FIRE软件；柴油机性能

引言

汽车柴油机从燃油开始喷入燃烧室到燃烧基本结束，整个过程是很短暂的，大约为千分之几秒[1-2]。燃油要在极短时间内完成良好的混合和燃烧，需要燃烧室结构形状、燃油喷注方向、油束数量、喷雾质量以及空气运动等方面的配合。虽然燃料的雾化状况，对可燃混合气的充分混合有极大影响，但有适当形状的燃烧室相匹配形成气流运动，可进一步促进燃料迅速均匀地与空气混合，使燃烧过程更加完善，提高内燃机的热效率，降低排放污染[3]。

1 燃烧模型建立

1.1 发动机基本参数

在进行柴油机工作性能的研究时，不同的供油系统参数，也是判断燃烧过程的重要指标，本文中发动机基本参数如表1所示。

表1 发动机的基本参数

1.2 三维模型的建立

形状不同的燃烧室会形成不同的气流运动，从而影响喷雾分布、燃烧过程及排放。本研究中柴油发动机燃烧室建立的三维模型如图1和图2所示。分析的三种不同形状的燃烧室平面图如图3所示。

图1 燃烧室的三维模型

图2 1/8燃烧室三维模型

图3 三种燃烧室的平面图

2 计算分析

2.1 速度分析

在不改变其他初值的条件下，用FIRE软件对各燃烧室进行仿真，得出各燃烧室速度场模拟图。

图4 351°曲轴转角时的速度场

图5 360°曲轴转角时的速度场

图6 369°曲轴转角时的速度场

图4～6为三种形状（图3）燃烧室在不同曲轴转角时的混合气的运动速度图。从仿真实验结果可以看出不同形状的燃烧室会影响喷射油束，进而影响缸内气体运动。A类燃烧室，由于喷射油束远离燃烧室底部，所以混合气运动受到的影响比较小； B类燃烧室在三类燃烧室中底部凸台是最高的，而凸台尺寸会影响油束喷射和气体运动，且B类燃烧室在不喷油时中心区域气流比较弱，会使燃烧室的中心区域内的燃油浓度比较低，在进气及压缩冲程中，受流动的影响，燃烧室内部分残余废气保持在燃烧室的底部；C类燃烧室在燃烧上止点附近气流运动方向与油束喷射方向相反，会阻止燃油的扩散。

2.2 压力分析

在保证初值不变情况下，对三种形状燃烧室压力进行仿真，得出各燃烧室不同曲轴转角时的压力场图，如图7～9所示，并对三种形状燃烧室，缸内压力变化进行对比模拟。

图7 351°曲轴转角时的压力平面剖切分布

图8 360°曲轴转角时的压力平面剖切分布

图9 369°曲轴转角时的压力平面剖切分布

图10为A、B、C三个燃烧室，在曲轴转角从220度到480度时缸内压力分布曲线图。A燃烧室的最高压力出现在上止点后8度，最大为19600000Pa。B燃烧室的最高压力出现在上止点后7度最高压力为18300000Pa。C燃烧室的最高压力出现在上止点后10度，最高压力为19100000Pa。

图10 三种燃烧室不同的曲轴转角压力对比分析图

通过图10对比分析可以得出，A燃烧室设计较好，其最高压力为三者中最大，且出现的时间最佳，。同时，在压缩冲程达到上止点后，燃烧室压力达到最大，这样可以减少活塞进行压缩时候的能量损失，不仅燃烧能量利用率高，动力性也较好。从最高压力的利用来看A燃烧室是设计最合理的，其压力达到最高时间好而且最高压力也比较大，这种设计可充分提高能量利用率。

2.3 温度分析

对三种形状燃烧室温度进行仿真，得出各燃烧室不同曲轴转角时的温度场图，如图11～13所示，并对三种形状燃烧室，缸内温度变化进行对比模拟。

图11 351°曲轴转角时的温度场

图12 360°曲轴转角时的温度场

图14 三种燃烧室不同曲轴转角的温度对比图

图14是A、B、C三类燃烧室对燃烧曲轴转角-温度的对比分析图。三种燃烧室在上止点之前的温度曲线几乎是重合的，主要是由于在此阶段，缸内燃烧并不剧烈，燃油先进行了氧化和局部燃烧。三类燃烧室都是在上止点后出现温度最高。

分析曲线对比图可知，A型燃烧室的放热曲线最陡，容易产生局部高温，燃料燃烧不充分，B型燃烧室的放热曲线最缓，燃烧室内温度低不利于燃烧。且A型燃烧室最高温度出现在上止点后17度，最高温度为1759.58K。B类燃烧室最高温度出现在上止点后17度，最高温度为1640.04K。C型燃烧室最高温度出现在上止点后19度，最高温度为1801.96K。A型燃烧室急燃期早于B、C，所能达到的最高温度低于C燃烧室，燃烧后期会产生燃烧不均匀，温度下降的较快的现象。

3 总结

本文运用FIRE软件数值模拟的方法，通过控制不同的变量参数，研究了三种形状的燃烧室对柴油机工作性能的影响。柴油机燃烧室内燃烧过程的模拟，能够用于分析和预测燃烧室内混合气的运动形成过程的变化、空间分布、浓度分布、温度分布及压力分布等[4]，从而可进一步优化分析柴油机部分工作性能和排放控制。

[1] 周龙保等.内燃机学[M].北京:机械工业出版社,2003.

[2] 强永平等.燃烧室形状对燃烧过程的影响研究[J].柴油机,2011（2）.

[3] 王威等.柴油机燃烧过程的影响因素分析[J].内燃机与配件,2012年06期.

[4] 王娟等.燃烧室形状对大功率机车柴油机工作性能的影响[J].大连交通大学学报,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

曹鹏(1988- )，女，硕士，郑州职业技术学院，研究方向：汽车新能源与智能控制。李小静（1988-），女，硕士，郑州科技学院，研究方向：混合动力汽车建模仿真。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.077