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基于数值仿真分析的高强化柴油机燃烧室参数化设计

2018-12-03 23:37:10·  来源：文明 工作过程研究室  
　
图7ω形燃烧室凸台高度变化
1.3.5凸台半径的变化
保持燃烧室体积固定，凸台半径变化，凸台半径和燃烧室深度随之变化。凸台半径的变化系列见图8。
图8ω形燃烧室凸台半径变化
2 计算结果分析
2.1 口径比对燃烧过程的影响分析
图9为口径比对放热率的影响，通过对比分析可知，燃烧室口径比对放热率的影响较大，其中对放热率第一峰值的影响最为明显，由于不同口径比对滞燃期的影响不大（均为11.2ºCA左右），且喷油和进气系统参数均保持不变，所以可以认为放热率出现差异的原因是，不同口径比对滞燃期内油气混合过程的影响不同所引起的。
      当口径比为 0.61 和 0.66 时，上止点前放热率快，放热率第一峰值较低，所以导致活塞的压缩负功变大。口径比为 0.64 、 0.69 和 0.72 时放热率第一峰值相差不大，上止点前放热率慢，且均出现在上止点后 1.5ºCA 左右，这可以有效降低压缩负功。放热率第二峰值随着口径比的增加，先增加后减小，说明口径过大或过小均不利于燃烧过程的进行，口径比为 0.64 时，放热率两个峰值较大，压缩负功较小，燃烧过程进行的较好。
图10为口径比对缸内温度场分布的影响，通过对比分析可知：（1）上止点时，口径比为0.61和0.66时的缸内温度最高，分别达到2222.59K和2263.25K，这与其前期放热率较快的结果一致。（2）370ºCA时，口径较大的燃烧室高温区面积较小，且主要分布在气缸盖附近，这主要是因为过大的口径导致油束头部撞击中央凸台，造成此处燃油的堆积，影响了燃烧过程的进行。且由于油束头部与燃烧室侧壁间的距离较远，大于此时的油束贯穿距离，使得油束头部的燃油着火区域相连形成一道火墙，将外围的空气和火焰内部的燃油隔开，导致火墙内的燃油无法与外部的空气混合，即形成所谓的“气体活塞效应”，这会降低了油束头部与燃烧室壁面间空气的利用率，不利燃烧过程的进行。（3）370ºCA之后，燃烧高温区布满整个凹坑，开始向挤流区扩展，但由于燃油着壁点的不同，高温区扩展的方式有所差别，口径比较小时，燃油着壁点位于挤流唇处，高温区由此处分别向挤流区和凹坑发展，当口径比较大时，燃油着壁点下移到中央凸台处，高温区由凹坑向挤流区发展，导致在390ºCA时，凹坑处的高温区面积减小，燃烧室中央的高温区较小。
图11为口径比对指示功率的影响，为与其他燃烧室结构参数对指示功率的影响进行对比，图中的纵坐标采用相同的标尺，取值范围上下限分别为燃烧结构变参数研究后得到的指示功率最高值和最低值。对比分析可知，指示功率随着口径的增加，先增加后减小，即存在一个最优的口径比使得指示功率最高，所以应对口径比进行优化，以满足柴油机对性能的要求。
图12给出了口径比对缸内平均压力的影响，对比分析可知，上止点附近，口径比为0.61和0.66时的放热率快，压力较高，压力峰值随着口径比的增加，先增加后减小，365ºCA之后，口径比为0.64时的压力最高，说明扩散燃烧过程进行的较好，放热率快。
2.2 出口角度对燃烧过程的影响分析
图13为出口角度对放热率的影响。通过对比分析可知，出口角度最小时，上止点前的放热率最高，而出口角度为90°时的放热率最低。放热率第一峰值随出口角度的增加，先增加后减小，且第一峰值出现的时刻也随出口角度的增加，先增加后减小，出口角度为80°时的放热率第二峰值最大，而出口角度为108°的最小。
 图14为出口角度对缸内温度场分布的影响，通过对比分析可知：（1）上止点时，出口角度最小时的温度最高，为2147.96K，出口角度为80°的温度其次，为1874.99K，而出口角度为90°时的温度最低，为1671.88K，这与图2-25中出口角度最小时，上止点前放热率最快的结果相符。（2）370°CA时，不同出口角度下的高温区分布在油束上下两侧，由于喷油系统参数固定，所以油束上侧高温区分布相似，而油束下侧高温区随着出口角度的增大，面积逐渐缩小。（3）380°CA之后，随着出口角度的增加，中央凸台与凹坑连接处的高温区面积逐渐较小，这是因为出口角度增大后，增强了燃油向挤流区扩展的能力，导致在中央凸台与凹坑连接处的混合气较少，高温区面积较小。
 图15为出口角度对指示功率的影响，对比分析可知，指示功率随着出口角度的增加，先增加后减小，即存在一个最优的出口角度使得功率最高，但与口径比对指示功率的影响相比，在出口角度的取值范围内，其指示功率的变化范围只有口径比的30%左右，这也说明出口角度对柴油机动力影响要小于口径比。
图16为出口角度对缸内平均压力的影响，对比分析可知，上止点时，出口角度最小时的平均压力最大，出口角度为90°时的平均压力最小，但压力峰值最高，峰值过后，出口角度为80°时的平均压力最大，说明扩散燃烧过程进行的较好，这也与放热率曲线观察到的结论一致。

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