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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
2.3 凹坑半径对燃烧过程的影响分析
图17为凹坑半径对放热率的影响，通过对比分析可知，上止点前，凹坑半径最小时的放热率最小，而凹坑半径最大时的放热率最大，但前者的放热率第一峰值最高，峰值出现的时刻最晚，而后者的放热率第一峰值最低，峰值出现时刻最早，且位于上止点前，凹坑半径对放热率第二峰值的影响较小。上止点之前，凹坑半径最大时的放热率最大，且出现了放热率第一峰，所以其做出的压缩负功较大，而凹坑半径最小时的放热率主要集中在上止点后，产生的压缩负功较小。
图 18 为凹坑半径对缸内温度场分布的影响，通过对比分析可知：（ 1 ）上止点前，凹坑半径最大时的缸内最高温度最大为 2276.87K ，而凹坑半径最小时的最高温度最低仅为 1393.13K ，这主要是因为上止点前，凹坑半径最大时的放热率最大，而凹坑半径最小的放热率最小。（ 2 ） 370°CA 时，凹坑半径越大，则油束下侧的高温区面积越小， 380°CA 之后，缸内高温区的面积也是随着凹坑半径的增大而减小，与凹坑半径较小时相比，凹坑半径较大时的高温区主要集中于凹坑处，燃烧室中心处的高温区面积较小，这主要是因为凹坑半径较大时，燃烧室中央处的空间较大，燃油无法扩展到此处，从而影响到此处燃烧过程的进行。
图19为凹坑半径对指示功率的影响，对比分析可知，指示功率随着凹坑半径的增加几乎线性减小，与口径比对指示功率的影响相比，在凹坑半径的取值范围内，两者指示功率的变化范围相当，说明两者对柴油机动力性的影响相差不大。
图20为凹坑半径对缸内平均压力的影响，对比分析可知，上止点时，凹坑半径最大时的平均压力最大，而凹坑半径最小时的最小，这与放热率曲线中，上止点之前凹坑半径最小时的放热率较慢的结果一致。但上止点后凹坑半径最小时的放热率迅速上升，此后放热率最快，所以平均压力曲线中，凹坑半径最小时的平均压力峰值最高，峰值过后，其平均压力值也最高，所以指示功率最高。
2.4凸台高度对燃烧过程的影响分析
图21为凸台高度对放热率的影响，通过对比分析可知，凸台高度为10.1mm和11.3mm时，上止点前的放热率最低，但放热率第一峰值最高，且峰值出现时刻在上止点后，有利减小压缩负功的产生。但凸台高度为11.3时的放热率第二峰值最低，说明其扩散燃烧进行的较差。总体而言，与口径比、出口角度及凹坑半径对放热率的影响相比，凸台高度对放热率的影响很小。
图 22 为凸台高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，凸台高度为 11.3mm 时的缸内最高温度最低仅为 1982.4K ，而凸台高度为 8.1mm 时的最高温度达到了 2136.87K ，这是因为凸台高度为 8.1mm ，预混燃烧阶段的放热率最快。（ 2 ） 370°CA 时，随着凸台高度的增加，油束下侧的高温区越靠近凹坑底部，高温区面积越小，但缸内最高温度越大，凸台高度为 4.1mm 时的最高温度为 2674.3K ，而凸台高度为 11.3mm 时的最高温度达到了 2754.9K 。（ 3 ） 380°CA 之后，高温区面积随着凸台高度的增加而减小，由于油束落点相同，燃烧室口径和唇部形状也相同，所以油束上侧的高温区分布相似。但当凸台高度较小时，油束下侧高温区主要集中在凹坑处，随着凸台高度的增加，位于凹坑处的高温区逐渐向燃烧室中央移动，这是因为当凸台高度增加后，凸台倾角越大，越有利于燃油向燃烧室中央扩展。
图23为凸台高度对指示功率的影响，对比分析可知，凸台高度对指示功率的影响很小，最高功率与最低功率之差仅为0.48kW，与口径、出口角度及凹坑半径的影响相比，凸台高度对指示功率的影响几乎可以忽略。
图24为凸台高度对缸内平均压力的影响，对比分析可知，凸台高度对缸内平均压力的影响也很小，这与不同凸台高度下的放热率相差很小的结果一致。当凸台高度为11.3时，上止点前放热率略低，所以此时的平均压力也略小于其他凸台高度下的，而由于扩散燃烧阶段放热率低，所以370°CA以后，与其他凸台高度相比，其平均压力也较小。
2.5凸台半径对燃烧过程的影响分析
图25为凸台半径对放热率的影响，通过对比分析可知，凸台半径为13mm和39mm时的放热率曲线几乎相同，上止点前，凸台半径最小时的放热率最小，而凸台半径为26mm时的放热率其次，凸台半径为13mm和26mm时的放热率最大。凸台半径最小时的放热率第一峰值最高，峰值出现时刻最晚，凸台半径为26mm的第一峰值其次，峰值出现时刻较之提前，而凸台半径为13mm和26mm时的第一峰值最小，但峰值出现的时刻最早且在上止点前，这会导致上止点前产生的压缩负功较多，凸台半径对放热率第二峰值的影响很小，燃烧后期不同凸台半径下的放热率相差很小。
图 26 为凸台半径对缸内温度场分布的影响，通过对比分析可知：（ 1 ）上止点时，凸台半径为 0mm 时的缸内最高温度最低仅为 1753.69K ，而凸台半径为 39mm 时的最高温度则达到了 2285.35K ，这是因为凸台高度为 39mm 时，预混燃烧阶段的放热率最快。由于上止点后，凸台半径最小时的放热率迅速上升，放热量大，所以使得 370°CA 时的缸内最高温度最高，达到 2715.27K ，而凸台半径为 39mm 时的最高温度为 2670.65K 。（ 2 ） 380°CA 之后，由于凸台半径较大时，凸台倾角较小，导致高温区集中在燃烧室凹坑处，而凸台半径较小时的高温区从凹坑处向燃烧室中央处扩展，高温区面积较大。
图 27 为凸台半径对指示功率的影响，对比分析可知，凸台半径为 0mm ，即尖底凸台时的指示功率最高，除此之外，指示功率随着凸台半径的增加，先增加后减小。但最高功率与最低功率之差仅为 0.69kW ，与口径、出口角度及凹坑半径的影响相比，凸台高度对指示功率的影响很小。图26 凸台半径对缸内温度场分布的影响
图28为凸台半径对缸内平均压力的影响，对比分析可知，上止点时，凸台半径最大时的平均压力最大，而凸台半径最小时的平均压力最小，这与放热率曲线中，上止点之前，凸台半径最小时的放热率最小的结果一致。上止点后，凸台半径最小时的放热率迅速上升，所以平均压力上升最快，其峰值最高，峰值过后，不同凸台半径下的平均压力相差不大，这与放热率曲线中燃烧后期的放热率相差不大的结果一致。
3 结论
1）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，燃烧过程最优。
2）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，燃烧过程最优。
3）指示功率随着凹坑半径的增加几乎线性减小。
4）凸台高度和凸台半径对指示功率和燃烧过程的影响较小。
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