新聞主題	如何評(píng)價(jià)柴油機(jī)燃燒室內(nèi)氣流特性

 

摘要：實(shí)際發(fā)電用柴油機(jī)，由于其使用條件及要求不同，燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)及形狀也有所不同。這種不同燃燒室的結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)，決定了燃燒室內(nèi)特有的氣流特性及其規(guī)律，也就決定了其所對應(yīng)的最佳噴霧條件和燃燒過程。因此，如何精確測量、分析和評(píng)價(jià)燃燒室內(nèi)的氣流特性，對正確把握燃燒室內(nèi)微觀的流場特性及其對混合氣形成和燃燒過程的影響，具有重要意義。同時(shí)康明斯公司在本文中綜述了燃燒室形狀的發(fā)展歷程，并分析它們的優(yōu)劣點(diǎn)，為今后提高功率和改善熱強(qiáng)度提供了理論基礎(chǔ)。

 

一、燃燒室的定義與作用

 

      內(nèi)燃機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛，熱效率最高的熱動(dòng)力源機(jī)械，在國民經(jīng)濟(jì)和國防的各個(gè)領(lǐng)域，都占據(jù)重要的地位。如今，能源問題日益嚴(yán)峻，對內(nèi)燃機(jī)的性能要求越來越苛刻，特別是在交通運(yùn)輸方面。隨著人類愈加清楚能源形勢的變化，如何提高柴油機(jī)的效率、改善柴油機(jī)的熱強(qiáng)度已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。經(jīng)研究，改變活塞的燃燒室形狀可以提高柴油機(jī)的效率，但是對活塞熱強(qiáng)度有相當(dāng)大的影響。

      活塞作為柴油機(jī)最重要的零件之一，工作環(huán)境惡劣，不僅承受周期往返的沖擊力，同時(shí)高溫對其帶來的熱負(fù)荷也是需要重視的。當(dāng)活塞位于上止點(diǎn)時(shí)，活塞頂面以上、汽缸蓋底面以下所形成的空間稱為燃燒室，它不僅為燃?xì)獾幕旌虾腿紵峁┝丝臻g，而且為得到良好的燃燒組織了合理的氣流，其結(jié)構(gòu)與燃油系統(tǒng)元件的匹配效果會(huì)直接影響柴油機(jī)的性能和工作效率，所以為滿足高效率、高強(qiáng)度活塞的市場要求，燃燒室形狀的優(yōu)化對內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展是有相當(dāng)大的促進(jìn)作用。

 

二、燃燒室的分類與發(fā)展

 

      柴油機(jī)按不同特征可以有不同的分類，如果按燃燒室的型式可分為直接噴射式、渦流室式和預(yù)燃室式柴油機(jī)等，而燃燒室的型式按組織燃燒過程的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)不同又分為開式、半開式、渦流式和預(yù)燃室式。

1、開式燃燒室

      開式和半開式燃燒室是屬于直接噴射式柴油機(jī)的，其中開式燃燒室是由活塞頂面與汽缸蓋平面組成一個(gè)淺而寬的凹坑，這個(gè)凹坑有很多形狀，但主要采用的是平頂形和半球形。在20世紀(jì)50年代初，平頂形燃燒室還是絕大多數(shù)機(jī)型首選的柴油機(jī)燃燒室形狀。它主要優(yōu)勢體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，汽缸蓋結(jié)構(gòu)也比較簡單，不易發(fā)生熱變形。它的缺點(diǎn)就是噴油壓力要求比較高，最大噴油壓力達(dá)到100 MPa，為滿足燃油在燃燒室內(nèi)的充分混合，它的燃燒壓力比較大，產(chǎn)生較大的噪聲，容易發(fā)生爆燃。

      半球形英文表達(dá)為"hemispherical"，因此半球型燃燒室發(fā)動(dòng)機(jī)又稱為Hemi發(fā)動(dòng)機(jī)，它的特點(diǎn)是進(jìn)排氣門均采用與活塞頂面不平行的角度布置，利用氣體的流動(dòng)提升氣缸的進(jìn)排氣效率，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率，增加其產(chǎn)生的功率。而這種傾斜式缸蓋結(jié)構(gòu)一直沿用至今，它使柴油機(jī)進(jìn)入了高速高動(dòng)力時(shí)代。

2、半開式燃燒室

      半開式燃燒室是在活塞頂部有一個(gè)較深而窄的凹坑，并且缸蓋頂部安裝有多個(gè)噴孔的噴油器。燃燒室里面混合氣的形成不再是像開式燃燒室一樣，只依賴于噴射能量，而是由進(jìn)氣渦流、噴射能量以及凹坑的進(jìn)氣擠壓3種氣流相互作用而成的。半開式燃燒室按照其具體形狀主要分為深ω型、四角型和球型燃燒室3種。

（1）深ω型燃燒室

      深ω型燃燒室就是表示燃燒室為ω形狀，它的空氣利用率較開式燃燒室提高了不少，主要是由于凹坑中心的凸起修正了中心區(qū)域氣流運(yùn)動(dòng)很弱的缺陷，并且使進(jìn)來的燃油在燃燒室中形成了渦流，空氣運(yùn)動(dòng)以進(jìn)氣渦流為主，擠壓渦流為輔，確使燃燒室更容易形成均勻的混合氣，故起動(dòng)性能比較好，然而由于它對噴油器的要求比較高，噴孔比較容易堵塞，導(dǎo)致工作粗暴，排氣污染比較嚴(yán)重。這種燃燒室廣泛應(yīng)用在中小型高速柴油機(jī)上。結(jié)構(gòu)與形狀如圖1、圖2所示。

 

圖1  柴油機(jī)深ω型燃燒室結(jié)構(gòu)位置圖

圖2  柴油機(jī)深ω型燃燒室形狀剖面圖

 

 

（2）四角型燃燒室

      四角型燃燒室是ω型燃燒室的變形和改進(jìn)，其活塞頂凹坑的上部為四邊形，下部為回轉(zhuǎn)體，而連接處都是圓滑過渡。這一形狀的設(shè)計(jì)，主要是利用了特殊的邊角會(huì)對空氣渦流有破碎、聚合、重組這一原理，例如上部的四邊形的幾個(gè)邊就是為有利于產(chǎn)生微渦流而存在的，增強(qiáng)空氣的渦流，有助于提高柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速適應(yīng)性，相對于ω型燃燒室，它的排放得到相當(dāng)大的改善。

（3）球型燃燒室

      球型燃燒室是位于活塞頂部的類似球形的凹坑，結(jié)構(gòu)形狀如圖3所示。深ω型和四角型燃燒室都是采用空間式燃燒原理，而球型燃燒室運(yùn)用的是以油膜蒸發(fā)混合為主的燃燒機(jī)制，此類燃燒過程平穩(wěn)，燃燒完全，缺陷就是低溫起動(dòng)比較困難。為解決這一問題，中國的史紹熙等在1964年發(fā)明了復(fù)合式燃燒室，它利用特殊形狀的進(jìn)氣燃燒特點(diǎn)，在高速時(shí)具有油膜燃燒的特點(diǎn)，低速時(shí)則具有空間式燃燒的特點(diǎn)，于是徹底地改善了冷起動(dòng)性能。

3、渦流燃燒室和預(yù)燃式燃燒室

      渦流式燃燒室由兩個(gè)部分組成，分別是渦流室和主燃燒室。渦流室位于氣缸蓋上，一般呈球形或倒鐘形，占總壓縮容積的70%左右，而主燃燒室在活塞頂部，兩者是通過一個(gè)或若干個(gè)切向通道連接。它的原理就是首先利用空氣的定向流動(dòng)而產(chǎn)生渦流，而當(dāng)渦流室的燃?xì)饬魅胫魅际視r(shí)就會(huì)形成二次渦流，這樣就能夠使空間內(nèi)的燃?xì)獬浞秩紵?，排氣質(zhì)量也提高。這就使小型發(fā)動(dòng)機(jī)擁有更高的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

      預(yù)燃室與渦流室有一點(diǎn)相似（如圖4所示），也分布在氣缸蓋上，只是占的壓縮容積就比較小，再者它的預(yù)燃室和主燃室不是相切連接，截面積也相對比較窄。它的燃燒特點(diǎn)是空氣在預(yù)燃燒室內(nèi)形成強(qiáng)烈的無組織的紊流，燃料先在預(yù)燃室與紊流空氣混合部分燃燒，利用燃燒產(chǎn)生的能量把剩余的燃油噴入主燃燒室，同時(shí)形成了強(qiáng)烈的空氣運(yùn)動(dòng)，促使燃料與空氣混合均勻，燃燒充分。這種燃燒室適用于中小功率柴油機(jī)。

 

圖3  柴油機(jī)球形燃燒室結(jié)構(gòu)位置圖

圖4  柴油機(jī)預(yù)燃式燃燒室結(jié)構(gòu)位置圖

 

 

二、氣缸內(nèi)流場特性的分析

 

      缸內(nèi)流場特性的分析方法有試驗(yàn)法和模擬計(jì)算分析法。

1、試驗(yàn)法

       為了測量實(shí)際流場特性，采用光學(xué)柴油機(jī)利用示蹤粒子的激光高速攝影法。其特點(diǎn)是可直觀地展示氣缸內(nèi)流場的瞬態(tài)分布特性和流動(dòng)特性。但是設(shè)備昂貴，且光學(xué)柴油機(jī)與實(shí)際柴油機(jī)在結(jié)構(gòu)上很難實(shí)現(xiàn)完全一致。

2、模擬計(jì)算分析法

      缸內(nèi)流場的模擬計(jì)算分析法是采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）專用軟件，基于一定的數(shù)學(xué)模型，對燃燒室空間的三維流場進(jìn)行模擬計(jì)算，由此計(jì)算氣缸內(nèi)流場的三維空間瞬態(tài)分布特性，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算出表示流場特性的各種物理量。

      典型的CFD軟件有KIVA-II、FIRE和STAR-CD等。需要指出的是，這些軟件雖然功能強(qiáng)大，但不是萬能的，只不過是功能強(qiáng)大、計(jì)算信息量多和能控制一定計(jì)算精度的計(jì)算工具而已。因此，根據(jù)所研究的內(nèi)容不同，計(jì)算模型不同，計(jì)算側(cè)重點(diǎn)也不同，而且計(jì)算精度取決于模型和邊界條件的正確選擇和調(diào)試。

      為了便于評(píng)價(jià)燃燒室內(nèi)的氣流特性，在如圖5所示的燃燒室縱斷面上以氣缸中心線為分截面取其1/2斷面，并以繞其1/2斷面形心旋轉(zhuǎn)的縱向氣流的平均值作為滾流；而將燃燒室某一橫截面上繞燃燒室中心（軸線）旋轉(zhuǎn)的氣流作為渦流進(jìn)行模擬計(jì)算分析。

      在實(shí)際壓縮和膨脹過程中，燃燒室內(nèi)的縱斷面和橫截面上的氣流特性并非為規(guī)整的壓縮滾流和渦流，是一種有宏觀趨勢的湍流狀態(tài)。CFD軟件根據(jù)有限網(wǎng)格，可計(jì)算出任一瞬間燃燒室空間任一點(diǎn)上的速度矢量和質(zhì)量。所以，根據(jù)任一瞬間（曲軸轉(zhuǎn)角位置）燃燒室計(jì)算斷面上的速度分布和質(zhì)量分布特性（即各網(wǎng)格點(diǎn)上的瞬態(tài)物理參數(shù)），由動(dòng)量矩守恒原理可計(jì)算出該瞬間圍繞該計(jì)算斷面形心的當(dāng)量角速度，由此求得當(dāng)量壓縮滾流強(qiáng)度，即單位時(shí)間內(nèi)繞燃燒室1/2縱斷面形心的氣流旋轉(zhuǎn)次數(shù)。這些氣流特性參數(shù)均由CFD軟件（如FIRE）直接計(jì)算求得。

      為了定量地評(píng)價(jià)膨脹過程中燃燒室內(nèi)瞬態(tài)氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的變化特性，引入滾流（或擠流）強(qiáng)度保持性的概念。即如式（公式1）所示，從上止點(diǎn)附近壓縮滾流強(qiáng)度出現(xiàn)峰值點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角位置φ₁開始，到擴(kuò)散燃燒基本結(jié)束的曲軸轉(zhuǎn)角位置φ₂的區(qū)間內(nèi)，壓縮滾流強(qiáng)度對曲軸轉(zhuǎn)角的積分值與φ₁處的壓縮滾流強(qiáng)度峰值和該區(qū)間的乘積之比。

 

 

式中，φ₁為出現(xiàn)壓縮滾流強(qiáng)度峰值所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；

φ₂為上止點(diǎn)后擴(kuò)散燃燒基本結(jié)束點(diǎn)所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，一般φ₂＝45°（CA）；s_cgφ1為φ₁點(diǎn)上的壓縮滾流強(qiáng)度峰值；

s_cg（φ）為任意曲軸轉(zhuǎn)角φ時(shí)的壓縮滾流強(qiáng)度。

      需要指出的是，CFD軟件（如FIRE）只提供各曲軸轉(zhuǎn)角位置上所計(jì)算的離散的滾流值。所以通過這些對應(yīng)于各曲軸轉(zhuǎn)角位置的離散的計(jì)算結(jié)果，可用曲線擬合等手段求出滾流強(qiáng)度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的函數(shù)s_cg（φ）。之后再根據(jù)式（公式1），求出滾流強(qiáng)度保持性S_w。而當(dāng)量滾流強(qiáng)度，是根據(jù)該計(jì)算斷面上各網(wǎng)格點(diǎn)相對形心的動(dòng)量矩之和來計(jì)算求得的。所以，可以認(rèn)為滾流強(qiáng)度保持性，實(shí)際上就是在各瞬間計(jì)算斷面上微觀湍流動(dòng)能分布結(jié)果的宏觀當(dāng)量化評(píng)價(jià)。

      為了求得擴(kuò)散燃燒過程中靜態(tài)滾流強(qiáng)度的衰減程度，將式（公式1）中的積分上限φ₂取區(qū)間［φ₁，φ₂］中的任一值φ（φ₁＜φ＜φ₂），則可得任意曲軸轉(zhuǎn)角位置上的滾流強(qiáng)度保持性，即

 

 

      圖6所示為用這種評(píng)價(jià)方法，對不同燃燒室結(jié)構(gòu)的滾流強(qiáng)度保持性進(jìn)行比較的結(jié)果。其中，I型燃燒室代表傳統(tǒng)的“ω”形直噴式燃燒室?？梢妭鹘y(tǒng)的直噴式燃燒室其混合氣形成和燃燒過程對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的適應(yīng)性差的主要原因，是在擴(kuò)散燃燒階段燃燒室內(nèi)的氣流強(qiáng)度衰減很快，從而造成在擴(kuò)散燃燒過程中混合氣的形成和燃燒速度緩慢。

 

圖5  燃燒室縱斷面示意圖

圖6  不同燃燒室結(jié)構(gòu)及其滾流強(qiáng)度保持性

 

      而II、皿型燃燒室表示不同縮口型燃燒室結(jié)構(gòu)形狀對氣流特性的影響，當(dāng)縮口比D2/D1一定時(shí)，燃燒室底部不同的凸起形狀直接影響燃燒室內(nèi)的滾流強(qiáng)度保持性。所以，如圖7所示，II型燃燒室通過燃燒室底部凸起形狀對燃燒室內(nèi)氣流的節(jié)流作用，提高其壓縮滾流強(qiáng)度保持性，從而在1500r/min時(shí)改善膨脹過程中的擴(kuò)散燃燒過程，使得HC和煙度排放得到改善，而NOx排放基本保持不變。

 

圖7  不同縮口型燃燒室底部凸起形狀對排放特性的影響

 

總結(jié)：

      缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的宏觀流動(dòng)以及湍流運(yùn)動(dòng)能顯著的影響燃油與空氣的混合，傳熱以及燃燒速度?，F(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的燃燒系統(tǒng)需要一個(gè)完善理想的經(jīng)過校準(zhǔn)了的渦流/滾流以便獲得優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，因此，出于對排氣污染以及發(fā)動(dòng)機(jī)效率的考慮，缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的檢測變得越來越重要。對氣缸蓋，進(jìn)氣管進(jìn)行流動(dòng)試驗(yàn)可幫助發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師們加深理解并優(yōu)化流動(dòng)性能和缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)。

 

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