袁文華,黃奇林,伏軍,廖晶晶,孫振鵬,唐銳紅

(邵陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽(yáng)，422000)

渦流室式柴油機(jī)是目前我國(guó)生產(chǎn)量較大、使用面較廣的一類(lèi)柴油機(jī)，在農(nóng)用機(jī)械上渦流室式柴油機(jī)占據(jù)重要地位[1-2]。渦流室柴油機(jī)的油氣混合過(guò)程主要是燃油噴入渦流室在氣體渦流運(yùn)動(dòng)下與空氣進(jìn)行一次混合，然后當(dāng)活塞下行時(shí)混合氣通過(guò)啟動(dòng)孔和連接通道進(jìn)入主燃燒室進(jìn)行二次混合與燃燒。渦流室柴油機(jī)的油氣混合過(guò)程很大程度上依賴(lài)于缸內(nèi)的氣體運(yùn)動(dòng)，為了進(jìn)一步改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，實(shí)現(xiàn)渦流室柴油機(jī)“油-氣-室”的良好匹配[3-5]，需要重點(diǎn)分析缸內(nèi)的氣體運(yùn)動(dòng)狀況[6-8]。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，RAKOPOULOS等[9]運(yùn)用準(zhǔn)三維模型，對(duì)不同燃燒室形狀和不同轉(zhuǎn)速下的缸內(nèi)直噴式柴油機(jī)進(jìn)行了缸內(nèi)壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)等流場(chǎng)分析;WICKMAN等[10]運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行了柴油機(jī)燃燒室形狀優(yōu)化研究;董剛等[11]對(duì)渦流室式燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)柴油機(jī)排放性能的影響進(jìn)行了研究。胡軍軍等[12]研究并改進(jìn)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(guò)改變?chǔ)刂魅紵业慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)的方式來(lái)研究發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)，得到主燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)雙通道渦流室柴油機(jī)缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律，為進(jìn)一步提升雙通道渦流室柴油機(jī)的性能提供指導(dǎo)。

1 燃燒室模型的建立

1.1 物理模型

BH175F-1柴油機(jī)基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 BH175F-1柴油機(jī)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(zhǎng)度/mm132額定功率/(kw/h)3.31冷卻方式風(fēng)冷

運(yùn)用三維建模軟件對(duì)雙通道渦流室燃燒系統(tǒng)進(jìn)行建模。當(dāng)活塞運(yùn)行到上止點(diǎn)時(shí)，計(jì)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(dǎo)流槽與進(jìn)、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(shí)計(jì)算域模型主視圖

(b)TDC時(shí)計(jì)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(jī)缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)過(guò)程。計(jì)算時(shí)對(duì)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(duì)進(jìn)氣的影響[13]。在劃分網(wǎng)格時(shí)為了方便后續(xù)的計(jì)算設(shè)置，定義720°為壓縮上止點(diǎn)(TDC)，動(dòng)網(wǎng)格劃分區(qū)間為上止點(diǎn)前180°到壓縮上止點(diǎn)后180°。網(wǎng)格劃分時(shí)，伸縮部分網(wǎng)格大小為1.2 mm并對(duì)雙通道和ω主燃燒室進(jìn)行細(xì)化。生成的網(wǎng)格數(shù)在下止點(diǎn)時(shí)為37.8萬(wàn)，在TDC時(shí)為7.4萬(wàn)。劃分網(wǎng)格后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格檢查，沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)網(wǎng)格和壞網(wǎng)格，質(zhì)量好的網(wǎng)格達(dá)到99.5%左右，滿足計(jì)算要求。計(jì)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(jì)算初始條件和模型的設(shè)置

計(jì)算時(shí)認(rèn)為空氣是理想的可壓縮流體，即認(rèn)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(jì)算時(shí)認(rèn)為工質(zhì)是純空氣，不考慮空氣中的其他組分。計(jì)算中定義動(dòng)網(wǎng)格時(shí)，720° CA做為上止點(diǎn)，計(jì)算中從588° CA(上止點(diǎn)前132° CA，進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉)開(kāi)始到720° CA結(jié)束。計(jì)算時(shí)湍流模型選用k-zeta-f模型，柴油機(jī)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。活塞及活塞壁面是絕熱、自由移動(dòng)的壁面，氣缸壁、渦流室、連接通道和啟動(dòng)孔為絕熱固定壁面[14]。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 原柴油機(jī)缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)情況分析

圖3是燃燒室A-A截面不同時(shí)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(yùn)動(dòng)的整體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在壓縮上止點(diǎn)前20° CA時(shí)，缸內(nèi)的氣體被壓入渦流室且在渦流室內(nèi)形成了一個(gè)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(dá)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(shí)流速最高點(diǎn)在連接通道處，最大達(dá)到165.8 m/s，渦流室內(nèi)的渦流速度平均達(dá)到80 m/s。在壓縮上止點(diǎn)前10° CA時(shí)，此時(shí)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(yùn)動(dòng)加劇，中心低速區(qū)域減小；在壓縮上止點(diǎn)時(shí)，此時(shí)連接通道速度明顯下降，渦流室的氣體運(yùn)動(dòng)速度也有所下降，且中心低速區(qū)域也有所擴(kuò)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(shí)刻的速度云圖。由圖4可知，在壓縮上止點(diǎn)后10° CA時(shí)，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(guò)導(dǎo)流槽分別流向進(jìn)排氣閥凹坑。此時(shí)高速氣體的前鋒充滿整個(gè)主燃燒室，部分高速氣體躍出閥坑進(jìn)入氣缸；在壓縮上止點(diǎn)后20° CA時(shí)，隨著活塞的下行主燃燒室的氣體運(yùn)動(dòng)加劇，且高速氣流運(yùn)動(dòng)到閥坑遠(yuǎn)離導(dǎo)流槽的一端，在碰壁后沿閥坑的形狀運(yùn)動(dòng)。此時(shí)可以明顯看出兩凹坑運(yùn)動(dòng)具有不對(duì)稱(chēng)性；當(dāng)活塞繼續(xù)下行到壓縮上止點(diǎn)后30° CA時(shí)，進(jìn)氣閥坑的氣體運(yùn)動(dòng)整體較排氣閥坑劇烈，此時(shí)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(yùn)動(dòng)在整個(gè)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(dǎo)流槽角度對(duì)缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)影響

研究導(dǎo)流槽角度對(duì)燃燒系統(tǒng)缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)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(duì)導(dǎo)流槽的邊線添加一個(gè)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(dǎo)流槽角度雙通道燃燒系統(tǒng)B-B截面不同時(shí)刻的速度分布云圖。從圖中可知，在ATDC 20° CA時(shí)，缸內(nèi)氣體在進(jìn)排氣閥坑產(chǎn)生二次渦流，高速運(yùn)動(dòng)氣體主要分布在導(dǎo)流槽附近且隨著導(dǎo)流槽角度的增大高速氣體的分布區(qū)域減小。隨著導(dǎo)流槽的變化閥坑二次渦流的渦核的位置也不同，隨著導(dǎo)流槽角度的增大渦核偏離閥坑的中心位置越遠(yuǎn)；在ATDC 30° CA時(shí)D1、D2 缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)在整個(gè)氣缸區(qū)域分布較為均勻，且在進(jìn)排氣閥坑旋渦中心與幾何中心重合。D3沒(méi)有明顯的渦核中心。由此可知適當(dāng)?shù)脑黾訉?dǎo)流槽的角度可以改善主燃燒室的缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)，但是導(dǎo)流槽角度過(guò)大會(huì)使缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)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(duì)缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)影響

研究閥坑深度對(duì)燃燒系統(tǒng)缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)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(shí)刻的速度分布云圖。在ATDC 10° CA時(shí)，S1主燃燒室的氣體高速運(yùn)動(dòng)區(qū)域分布在導(dǎo)流槽和進(jìn)排氣閥坑，并且在進(jìn)排氣閥坑形成了旋轉(zhuǎn)渦流。S2高速氣體運(yùn)動(dòng)區(qū)域分布比較混亂；在ATDC 20° CA、ATDC 30° CA時(shí)S1、S2在進(jìn)排氣閥坑形成完整的旋轉(zhuǎn)渦流，渦核中心與進(jìn)排氣閥坑的幾何中心重合。S1在對(duì)應(yīng)的主燃燒室位置上氣體運(yùn)動(dòng)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(duì)缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)影響

研究閥坑位置對(duì)燃燒系統(tǒng)缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)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(jìn)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(shí)刻的速度分布云圖。從圖中可以看出，在ATDC 10° CA時(shí)，高速氣體運(yùn)動(dòng)區(qū)域主要分布在導(dǎo)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(yùn)動(dòng)的分布區(qū)域較W1廣；在ATDC 20° CA時(shí)、ATDC 30° CA時(shí)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(yùn)動(dòng)速度分布可以看出，W2較W1、W3的缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)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(dāng)?shù)脑黾訉?dǎo)流槽的角度可以改善主燃燒室的缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)，但是導(dǎo)流槽角度過(guò)大會(huì)使缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)惡化。

2)在ATDC 20° CA、ATDC 30° CA時(shí)S1、S2在進(jìn)排氣閥坑形成完整的旋轉(zhuǎn)渦流，渦核中心與進(jìn)排氣閥坑的幾何中心重合。S1在對(duì)應(yīng)的主燃燒室位置上氣體運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度分布可以看出，W2較W1、W3的缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)較好且分布區(qū)域較廣。