雙通道渦流室式柴油機不同主燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)流場分析

袁文華,黃奇林,伏軍,廖晶晶,孫振鵬,唐銳紅

(邵陽學院 機械與能源工程學院，湖南 邵陽，422000)

渦流室式柴油機是目前我國生產(chǎn)量較大、使用面較廣的一類柴油機，在農(nóng)用機械上渦流室式柴油機占據(jù)重要地位[1-2]。渦流室柴油機的油氣混合過程主要是燃油噴入渦流室在氣體渦流運動下與空氣進行一次混合，然后當活塞下行時混合氣通過啟動孔和連接通道進入主燃燒室進行二次混合與燃燒。渦流室柴油機的油氣混合過程很大程度上依賴于缸內(nèi)的氣體運動，為了進一步改善發(fā)動機的性能，實現(xiàn)渦流室柴油機“油-氣-室”的良好匹配[3-5]，需要重點分析缸內(nèi)的氣體運動狀況[6-8]。對此，國內(nèi)外學者做了大量研究，RAKOPOULOS等[9]運用準三維模型，對不同燃燒室形狀和不同轉(zhuǎn)速下的缸內(nèi)直噴式柴油機進行了缸內(nèi)壓力場、速度場等流場分析;WICKMAN等[10]運用遺傳算法進行了柴油機燃燒室形狀優(yōu)化研究;董剛等[11]對渦流室式燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)對柴油機排放性能的影響進行了研究。胡軍軍等[12]研究并改進了渦流室連接通道和主燃燒室形狀[12]。

本文以BH175F-1的雙通道渦流室燃燒系統(tǒng)為研究基礎(chǔ)，通過改變ω主燃燒室的結(jié)構(gòu)參數(shù)的方式來研究發(fā)動機的缸內(nèi)氣體運動，得到主燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)對雙通道渦流室柴油機缸內(nèi)氣體運動的影響規(guī)律，為進一步提升雙通道渦流室柴油機的性能提供指導。

1 燃燒室模型的建立

1.1 物理模型

BH175F-1柴油機基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 BH175F-1柴油機基本參數(shù)
Table 1 Specifications of BH175F-1 diesel engine

參數(shù)值參數(shù)值缸徑/mm75額定轉(zhuǎn)速/(r/min)2 600沖程/mm70壓縮比20排量/L0.309連桿長度/mm132額定功率/(kw/h)3.31冷卻方式風冷

運用三維建模軟件對雙通道渦流室燃燒系統(tǒng)進行建模。當活塞運行到上止點時，計算模型如圖1所示，圖中指明了渦流室、連接通道、主燃燒室以及導流槽與進、排氣閥坑。為了方便下文的分析還指定了界面A-A和截面B-B。

(a)TDC時計算域模型主視圖

(b)TDC時計算域模型仰視圖

1.2 網(wǎng)格劃分

本文主要研究更改燃燒系統(tǒng)的ω主燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)后，柴油機缸內(nèi)氣體運動過程。計算時對氣缸內(nèi)的初始空氣設(shè)置為理想的純空氣，不考慮氣缸內(nèi)余熱和壓縮對進氣的影響[13]。在劃分網(wǎng)格時為了方便后續(xù)的計算設(shè)置，定義720°為壓縮上止點(TDC)，動網(wǎng)格劃分區(qū)間為上止點前180°到壓縮上止點后180°。網(wǎng)格劃分時，伸縮部分網(wǎng)格大小為1.2 mm并對雙通道和ω主燃燒室進行細化。生成的網(wǎng)格數(shù)在下止點時為37.8萬，在TDC時為7.4萬。劃分網(wǎng)格后對其進行網(wǎng)格檢查，沒有出現(xiàn)負網(wǎng)格和壞網(wǎng)格，質(zhì)量好的網(wǎng)格達到99.5%左右，滿足計算要求。計算域的效果圖如圖2所示。

(a)BDC網(wǎng)格模型圖

(b)TDC網(wǎng)格模型圖

1.3 仿真計算初始條件和模型的設(shè)置

計算時認為空氣是理想的可壓縮流體，即認為氣體隨著缸內(nèi)的空間的變化其溫度、壓力是變化的，并且在計算時認為工質(zhì)是純空氣，不考慮空氣中的其他組分。計算中定義動網(wǎng)格時，720° CA做為上止點，計算中從588° CA(上止點前132° CA，進氣門關(guān)閉)開始到720° CA結(jié)束。計算時湍流模型選用k-zeta-f模型，柴油機轉(zhuǎn)速為2 600 r/min，自然吸氣方式，缸內(nèi)氣體初始溫度350 K，壓力0.1 MPa?；钊盎钊诿媸墙^熱、自由移動的壁面，氣缸壁、渦流室、連接通道和啟動孔為絕熱固定壁面[14]。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 原柴油機缸內(nèi)空氣運動情況分析

圖3是燃燒室A-A截面不同時刻的速度云圖。從圖3速度分布云圖可以看出，速度云圖整體分布規(guī)律較好，符合該渦流室缸內(nèi)運動的整體運動規(guī)律。在壓縮上止點前20° CA時，缸內(nèi)的氣體被壓入渦流室且在渦流室內(nèi)形成了一個不完整旋轉(zhuǎn)渦流，漩渦沿著雙通道的切線方向，流體速度沿著連接通道切線方向速度較大，最大達到125.5 m/s。流體速度在渦流室中心附近速度最小，速度只有20 m/s。此時流速最高點在連接通道處，最大達到165.8 m/s，渦流室內(nèi)的渦流速度平均達到80 m/s。在壓縮上止點前10° CA時，此時渦流室的最大渦流速度大幅下降，但是平均速度只是略微下降，這是由于渦流室內(nèi)渦流運動加劇，中心低速區(qū)域減??；在壓縮上止點時，此時連接通道速度明顯下降，渦流室的氣體運動速度也有所下降，且中心低速區(qū)域也有所擴大，低速中心上移，與渦流室的幾何中心重合，氣體圍繞著渦流室的幾何中心旋轉(zhuǎn)。

(a)BTDC 20° CA

(c)BTDC 10° CA

(e)TDC

圖3 A-A截面速度分布云圖Fig.3 A-A section velocity distribution contour

圖4是燃燒室B-B截面不同時刻的速度云圖。由圖4可知，在壓縮上止點后10° CA時，渦流室大量的氣體流入主燃燒室，從渦流室流入主燃燒室的氣體經(jīng)過導流槽分別流向進排氣閥凹坑。此時高速氣體的前鋒充滿整個主燃燒室，部分高速氣體躍出閥坑進入氣缸；在壓縮上止點后20° CA時，隨著活塞的下行主燃燒室的氣體運動加劇，且高速氣流運動到閥坑遠離導流槽的一端，在碰壁后沿閥坑的形狀運動。此時可以明顯看出兩凹坑運動具有不對稱性；當活塞繼續(xù)下行到壓縮上止點后30° CA時，進氣閥坑的氣體運動整體較排氣閥坑劇烈，此時排氣閥坑的渦核已經(jīng)消失，排氣閥坑的渦核中心與其幾何中心重合。但氣體運動在整個主燃燒室分布不均勻。

(b)ATDC 10° CA

(d)ATDC 20° CA

(f)ATDC 30° CA

圖4 B-B截面速度分布云圖Fig.4 B-B section velocity distribution contour

2.2 主燃燒室導流槽角度對缸內(nèi)空氣運動影響

研究導流槽角度對燃燒系統(tǒng)缸內(nèi)運動的影響。在不改變主燃燒室其它參數(shù)、副燃燒室和連接通道的結(jié)構(gòu)參數(shù)都保持不變的基礎(chǔ)上，對導流槽的邊線添加一個豎直方向的夾角α。α分別取5°、10°、15°得到三種新的燃燒系統(tǒng)方案。并分別命名為D1、D2、D3。如圖5所示。

(a)D1

(b)D2

(c)D3

圖6為不同導流槽角度雙通道燃燒系統(tǒng)B-B截面不同時刻的速度分布云圖。從圖中可知，在ATDC 20° CA時，缸內(nèi)氣體在進排氣閥坑產(chǎn)生二次渦流，高速運動氣體主要分布在導流槽附近且隨著導流槽角度的增大高速氣體的分布區(qū)域減小。隨著導流槽的變化閥坑二次渦流的渦核的位置也不同，隨著導流槽角度的增大渦核偏離閥坑的中心位置越遠；在ATDC 30° CA時D1、D2 缸內(nèi)氣體運動在整個氣缸區(qū)域分布較為均勻，且在進排氣閥坑旋渦中心與幾何中心重合。D3沒有明顯的渦核中心。由此可知適當?shù)脑黾訉Я鞑鄣慕嵌瓤梢愿纳浦魅紵业母變?nèi)運動，但是導流槽角度過大會使缸內(nèi)氣體運動惡化。

圖6 B-B截面速度分布云圖Fig.6 B-B section velocity distribution contour

2.3 主燃燒室深度對缸內(nèi)空氣運動影響

研究閥坑深度對燃燒系統(tǒng)缸內(nèi)運動的影響。在保持燃燒系統(tǒng)其他參數(shù)不變的基礎(chǔ)上。取閥坑的深度為2.5 mm、3.5 mm得到新的燃燒系統(tǒng)方案，分別命名為S1、S2。如圖7所示。

(a)S1

(b)S2

圖8為不同閥坑深度雙通道燃燒系統(tǒng)B-B截面不同時刻的速度分布云圖。在ATDC 10° CA時，S1主燃燒室的氣體高速運動區(qū)域分布在導流槽和進排氣閥坑，并且在進排氣閥坑形成了旋轉(zhuǎn)渦流。S2高速氣體運動區(qū)域分布比較混亂；在ATDC 20° CA、ATDC 30° CA時S1、S2在進排氣閥坑形成完整的旋轉(zhuǎn)渦流，渦核中心與進排氣閥坑的幾何中心重合。S1在對應(yīng)的主燃燒室位置上氣體運動速度較S2大。由此可知減小主燃燒室的深度有利于組織缸內(nèi)二次渦流。

圖8 B-B截面速度分布云圖Fig.8 B-B section velocity distribution contour

2.4 主燃燒室位置對缸內(nèi)空氣運動影響

研究閥坑位置對燃燒系統(tǒng)缸內(nèi)運動的影響。在保持燃燒系統(tǒng)其他參數(shù)不變的基礎(chǔ)上。把閥坑的位置向進氣閥坑一側(cè)分別偏移1 mm、1.5 mm、2 mm得到新的燃燒系統(tǒng)方案，分別命名為W1、W2、W3。如圖9所示。

(a)W1

(b)W2

(c)W3

圖10為不同閥坑位置雙通道燃燒系統(tǒng)B-B截面不同時刻的速度分布云圖。從圖中可以看出，在ATDC 10° CA時，高速氣體運動區(qū)域主要分布在導流槽和閥坑區(qū)域，W1、W2在閥坑形成了較小的旋轉(zhuǎn)渦流。W2、W3在閥坑氣體運動的分布區(qū)域較W1廣；在ATDC 20° CA時、ATDC 30° CA時W1、W2、W3在閥坑形成較完整的二次渦流。從渦流的組織和氣體運動速度分布可以看出，W2較W1、W3的缸內(nèi)運動較好且分布區(qū)域較廣。

圖10 B-B截面速度分布云圖Fig.10 B-B section velocity distribution contour

3 結(jié)論

1)適當?shù)脑黾訉Я鞑鄣慕嵌瓤梢愿纳浦魅紵业母變?nèi)運動，但是導流槽角度過大會使缸內(nèi)氣體運動惡化。

2)在ATDC 20° CA、ATDC 30° CA時S1、S2在進排氣閥坑形成完整的旋轉(zhuǎn)渦流，渦核中心與進排氣閥坑的幾何中心重合。S1在對應(yīng)的主燃燒室位置上氣體運動速度較S2大。減小主燃燒室的深度有利于組織缸內(nèi)二次渦流。

3)W1、W2、W3在閥坑形成較完整的二次渦流。從渦流的組織和氣體運動速度分布可以看出，W2較W1、W3的缸內(nèi)運動較好且分布區(qū)域較廣。