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基于燃烧过程优化的小型农用柴油机燃烧室结构匹配研究 摘要 受使用对象及用途的限制，小型农用单缸柴油机的质量提升应优先选 择不过多增加柴油机成本就能达到优化缸内燃烧过程的技术措施。本研究 采用c f d 软件分别对原机型燃烧室、a 型缩口燃烧室、b 型直口燃烧室、 c 型敞口燃烧室、d 型凸台燃烧室和e 型哑铃型燃烧室等共6 种燃烧室进 行物理模型建立、网格划分、动网格定义、初始边界条件设定和运算。从 燃烧本质出发，通过数值模拟从三维微观层面了解燃烧室结构对缸内气体 流动、混合气形成及燃烧过程的影响特点，提出通过燃烧室结构改进提高 燃烧过程质量的关键因素，实现小型农用柴油机性能整体提高，简化试验 研究工作。 模拟研究表明，燃烧室向左偏移导致燃烧室内流场结构不对称，缸内 湍流动能分布不均匀，活塞凹坑内旋流偏左且速度较大，活塞顶上部左边 旋流速度也比右边大。敞口燃烧室因缺乏缩口的约束作用，燃烧初期对活 塞顶上部新鲜空气的利用较好，对滞燃期和急燃期影响明显，着火提前， 压力升高率和温度升高率都较大，但整个燃烧室气流速度较低，燃烧持续 期最短，不利于s o o t 氧化，s o o t 排放较多。缩口燃烧室克服了敞口燃烧室 的不足，有利于提高整个燃烧室旋流速度，且随着缩口率的增加，燃烧后 期旋流速度较大，后燃充分，膨胀行程做功能力提高，但高温持续期较长 导致了n 0 x 排放量较大。直口燃烧室能够满足原机性能且加工容易，如从 生产成本考虑，可替代现有的柴油机燃烧室。活塞凹坑内中央凸台加大， 活塞凹坑内旋流速度变弱，但随着压缩行程活塞上行运动，活塞顶上部挤 流增强且区域增大，确保了混合气在上止点附近缓燃期内迅速和完全燃烧， 动力性增强，但中央凸台上方气流低速区域增加，容易形成高温区域，n 0 x 生成量明显增加。可见，仅从改变缩口形式或中央凸台大小方面改善燃烧 排放性能有限。e 型燃烧室为仿哑铃型燃烧室，膨胀行程能保持强流场，具 有明显浓燃到稀燃的时域特性，着火提前且扩散燃烧迅速，与原机相比， 能够基本达到原机动力性和s o o t 排放水平，且明显降低n o x 排放，改善了 n o x 和s o o t 的t r a d e o f f 关系。如进一步调整喷油定时，s o o t 排放可略为减 少；如增加燃料含氧量，燃烧室凹坑积碳生成现象明显减少。 关键词：柴油机；燃烧室；燃烧过程；优化；c f d r e s e a r c h o na 僵a t c h i n gco m b u s t i o nc h a m b e r w i t hs m a l la g i u c u l r r u r a ld i e s e le n g i n e sb a s e d o no p t i m i z i n gc o m b u s t i o np r o c e s s a b s t r a c t t h eq u a l i t ye n h a n c e m e n tm e a s u r e so fs m a l ls i n g l ec y l i n d e ra g r i c u l t u r a l d i e s e le n g i n e sa r er e s t r i c t e db yu s i n go b je c ta n dp u r p o s e t h eo p t i m i z a t i o nm u s t b e n e f i tt oi n c y l i n d e rc o m b u s t i o na n dd on o ti n c r e a s ec o s t st om u c h i nt h i s p a p e r , s i x k i n d so f c o m b u s t i o nc h a m b e rw e r ed e s c r i b e d t h e yw e r e t h e o r i g i n a l c o m b u s t i o n c h a m b e r , c o n t r a c t i n g - o p e n c o m b u s t i o nc h a m b e r a ，s t r a i g h t o p e nc o m b u s t i o nc h a m b e rb ，e x p a n d i n g o p e nc o m b u s t i o nc h a m b e r c ， c e n t e r - c r o w nc o m b u s t i o nc h a m b e rda n dd u m b b e l l - s h a p e dc o m b u s t i o nc h a m b e r e t h e n ，b yu s i n gt h ec f ds o f t w a r e ，p h y s i c a lm o d e le s t a b l i s h m e n t ，h y p e r m e s h ， d y n a m i cm e s h i n gd e f i n i t i o n ，t h e i n i t i a lb o u n d a r yc o n d i t i o n sf o rt h ea b o v e c o m b u s t i o nc h a m b e r sw e r ec a r r i e do u tr e s p e c t i v e l y f r o mt h eb u m i n ge s s e n c e ， w ec a nu n d e r s t a n dt h ei n f l u e n c e su p o ni n c y l i n d e rf l o w , m i x t u r ef o r m a t i o na n d c o m b u s t i o n p r o c e s sb y d i f f e r e n tc o m b u s t i o nc h a m b e rs t r u c t u r et h r o u g h n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h r e ed i m e n s i o n a lm i c r o s c o p i cl e v e l p r o p o s et h ek e y f a c t o r so fc o m b u s t i o np r o c e s so p t i m i z a t i o nt h r o u g hc o m b u s t i o nc h a m b e r s t r u c t u r ei m p r o v e m e n t i m p r o v eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fs m a l la g r i c u l t u r a ld i e s e l e n g i n ea n ds i m p l i f yt h et e s tr e s e a r c h t h es i m u l a t i o ns t u d ys h o w e d ，c o m b u s t i o nc h a m b e ro f f s e tt ol e f th a dag r e a t i i i i n f l u e n c eo ni n c y l i n d e rf l o wf i e l d t h ec o m b u s t i o nc h a m b e rf l o wf i e l ds t r u c t u r e w a s a s y m m e t r y i n c y l i n d e r t u r b u l e n tk i n e t i c e n e r g y w a s u n e v e n l y d i s t r i b u t e d t h es w i r li nt h ep i s t o np i tw a so f f s e tt ol e f tw i t hg r e a t e rs p e e d t h e s w i r ls p e e do fp i s t o nt o po nt h eu p p e rl e f tw a ss u p e r i o rt ot h ef i g h t w i t h o u t c o n t r a c t i n gr e s t r a i n t ，e x p a n d i n g - o p e nc o m b u s t i o nc h a m b e rm a d eb e t t e r u s eo f f l e s ha i ro np i s t o nt o pi nt h ei n i t i a ls t a g eo fc o m b u s t i o n t h ed e l a y e di g n i t i o n p e r i o da n dr a p i dc o m b u s t i o np e r i o dw a si n f l u e n c e do b v i o u s l y t h ei g n i t i o nw a s a d v a n c e da n dt h er i s er a t eo f p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r eb e c a m el a r g e r h o w e v e r , t h ew h o l ec o m b u s t i o nc h a m b e rf l o wi n t e n s i t yw a sl o wa n dt h ec o m b u s t i o n d u r a t i o nw a st h es h o r t e s t ，w h i c hg a v eab a de f f e c tt ot h eo x i d a t i o no fs o o t ，s ot h e s o o te m i s s i o n sw e r ei n c r e a s e d c o m p a r e dw i t h e x p a n d i n g o p e nc o m b u s t i o n c h a m b e r , c o n t r a c t i n g o p e nc o m b u s t i o nc h a m b e ro v e r c a m ei t ss h o r t c o m i n g s ，w a s b e n e f i c i a lt oi m p r o v et h es w i r lf l o ws p e e di nw h o l ec o m b u s t i o nc h a m b e r a tt h e s a m e t i m e ，a s t h ec o n t r a c t i n gr a t er o s e ，t h es w i r lf l o w s p e e di n l a t e r b u r n i n gb e c a m eh i g h e r , m a k i n gt h e l a t e rb u r n i n g s u f f i c i e n t ，i m p r o v i n gw o r k c a p a c i t yi nt h ee x p a n s i o ns t r o k e w h i l el o n gd u r a t i o no fh i g ht e m p e r a t u r el e a dt o n o xe m i s s i o n sl a r g e r s t r a i g h t o p e nc o m b u s t i o nc h a m b e rc o u l d s a t i s f y t h e o r i g i n a l m a c h i n ep e r f o r m a n c ea n d e a s y i l yp r o c e s s i n g i t c o u l dr e p l a c et h e e x i s t i n gd i e s e le n g i n ec o m b u s t i o nc h a m b e rw h i l ec o n s i d e r i n gt h eg e n e r a t i o n c o s t i n c r e a s i n gt h ec e n t r a lb o s so fp i s t o np i t ，t h es w i r lf l o ws p e e di n s i d et h e p i s t o np i tb e c a m ew e a k e n w i t ht h ep i s t o nm o v i n gu p w a r di nc o m p r e s s i o ns t r o k e ， t h es w i r li n t e n s i t yo nt h eu p p e rp i s t o ne n h a n c e da n da r e ai n c r e a s e d ，e n s u r i n gt h e m i x e dg a sc o m b u s tr a p i d l ya n dc o m p l e t e l yi nt h es l o wb u r n i n gp e r i o dn e a r t d c ，e n h a n c i n gd y n a m i cp e r f o r m a n c e h o w e v e ，t h ea i r f l o wo fl o w s p e e dr e g i o n a b o v et h ec e n t r a lb o s s i n c r e a s e d ，w h i c h w o u l db e e a s y t of o r mt h e h i g h - t e m p e r a t u r e r e g i o n ，n o xg e n e r a t i o nw e r e i n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y v i s i b l e l y , - i tw a sl i m i t e dt h a ti m p r o v i n gt h ec o m b u s t i o ne m i s s i o np e r f o r m a n c e o n l yb yc h a n g i n gt h ef o r mo fc o n t r a c t i n g o rt h es i z eo ft h ec e n t r a lb o s s t h e c o m b u s t i o nc h a m b e rew a sac o p yo fd u m b b e l l - s h a p e dc o m b u s t i o nc h a m b e r i t o b v i o u s l yh a dt i m ed o m a i nc h a r a c t e r i s t i c so fc o n c e n t r a t e dc o m b u s t i o nt ol e a n c o m b u s t i o n t h es t r o n gf l o wf i e l di nt h ee x p a n s i o ns t r o k ew a sk e p t t h ei g n i t i o n w a sa d v a n c e da n dt h ed i f f u s i o nc o m b u s t i o nb e c a m er a p i d l y c o m p a r e dw i t ht h e o r i g i n a lm a c h i n e ，c o m b u s t i o nc h a m b e r ec o u l db a s i c a l l yr e a c ht h eo r i g i n a l m a c h i n ep o w e ra n dt h es o o te m i s s i o nl e v e l ，a n ds i g n i f i c a n t l yr e d u c e dn o x e m i s s i o n s ，i m p r o v e dt h en o x a n ds o o tt r a d e - o f fr e l a t i o n s h i p i fg i v i n gf u r t h e r a d j u s t m e n t st ot h ef u e li n j e c t i o nt i m e ，s o o te m i s s i o n sc o u l db es l i 曲t l yr e d u c e d ； i fi n c r e a s i n gf u e lo x y g e nc o n t e n t ，t h ec a r b o nd e p o s i tg e n e r a t i o ni nc o m b u s t i o n c h a m b e rp i tw o u l db er e d u c e dm a r k e d l y k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；c o m b u s t i o nc h a m b e r ；c o m b u s t i o np r o c e s s ； o p t i m i z a t i o n ；c f d v 广西大掌硕士掌位论文 基于燃烧过程优化的d 、型农用柴油机燃烧室匹首己研究 1 1 引言 第一章绪论 进入2 1 世纪，人类面临严重的能源短缺和环境恶化等问题，减少柴油机有害物的排 放、提高其经济性将是柴油机工作者急需解决的难题【1 1 。我国于2 0 0 9 年1 0 月1 日正式执行 了非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法g b 2 0 8 9 1 2 0 0 7 e 2 】的第二阶 段，这对小型农用柴油机的各项排放指标提出了更加明确而严格的要求。目前，由于环 保法规日趋严格，柴油机技术的研究将进入一个快速发展的阶段。对于直喷式柴油机， 进气流动、缸内油气混合及燃烧过程中复杂的相互作用是决定其燃油经济性和排放品质 的高低主要因素【3 】。而缸内气体的流动、混合气的形成、燃烧过程质量及污染物排放水 平又同柴油机燃烧室形状息息相关【4 5 】。 目前，柴油机燃烧室结构己向具有缩口且底部中央凸起的方向发展【6 】。燃烧室的形 状主要由燃烧室缩口比、底部凸台形状及底部凸台与侧壁的过渡半径来确定，其中燃烧 室底部凸台形状及缩口比对缸内气流运动影响较大 7 】。柴油机缸内气体流动，特别是燃 烧后期膨胀行程的气体流动对缸内混合气形成及燃烧有着十分重要的影响，决定着柴油 机的经济性、动力性和最终的排放性能【8 9 】。 柴油机缸内气体流动是复杂的三维不定常流动，缸内温度及混合物的成分都随时间 及空间变化。传统的发动机研究方法对喷射系统与燃烧室形状的匹配及发动机各项性能 如动力性、经济性、排放性方面都只能提供相当有限的信息【1 0 】。三维数值模拟方法可以 让我们更深刻直观地理解柴油机缸内气体流动、混合气形成及燃烧的物理化学过程，并 能进行排放产物预测【1 1 , 1 2 , 1 3 。数值模拟同时不受环境和条件的限制，具有获取数据迅速、 简单、费用低的特点，能很方便地获得一些通过试验难于获得的数据，并能揭示更深一 层的缸内燃烧过程的本质特征14 1 。当前，c f d 数值模拟已广泛用于内燃机研列1 5 1 6 1 7 ，18 1 。 为了解决传统柴油机同时降碳烟和氮氧化物排放的极限，近年来国内外广泛开展了 内燃机新型燃烧方式的研究。k a z u h i r oa k i h a m a 等人 1 9 】通过s e n k i n 代码计算得出了 内燃机中n o x 、s o o t 与燃空当量比、温度的函数关系，如图1 1 所示。 广西大学硕士掌位论文基于燃烧过程优化的小型农用柴油机燃烧室匹配研究 二l 当 i 若2 稀浓 燃烧 ? 碳烟生成区j 一传统柴油机燃烧区 7 _ 歹 等n o x 线 1 4 0 0 1 8 0 0 2 2 0 0 2 6 0 0 3 0 0 0 燃烧温度 图1 1 新型燃烧方式与中t 图的关系 f i g u r el 一1t h er e l a t i o n s h i po fn e wc o m b u s t i o nm o d ea n d 中- td i a g r a m 巾t 图表明，当量比。小于2 ，且局部燃烧温度t 达到2 2 0 0 k 以上，n o x 会大量生成； 当量比中高于2 ，且燃烧温度t 恰好处于1 5 0 0 2 4 0 0 k 左右之间，碳烟会大量生成。 因而，需要要合理控制缸内混合气浓度、燃烧温度等条件，避开碳烟和n o x 的生成区 域，才能实现超低排放。这就需要在燃烧前半期保持过浓状态而向后半期过渡时实现急 速混合，从而产生稀浓两级燃烧模式。 1 2 柴油机燃烧室应用及研究现状 柴油机燃烧室是指活塞在上止点时其顶部与汽缸盖所围成的封闭空间，燃料喷射后 即在这个空间进行燃烧。在柴油机的发展历程中，燃烧室也紧随其后，其间形成了样式 繁多的结构。 1 2 1 柴油机燃烧室应用 柴油机燃烧室在设计过程中，它的位置、大小与形状都必须有助于可燃混合气形成 与燃烧。目前广泛应用于柴油机的燃烧室结构可分为分隔式燃烧室与直喷式燃烧室两大 类。 2 厂。西大学硕士学位论文基于燃烧过程优化的小型弗u 啊柴油机燃烧室匹配研究 分隔式燃烧室由缸盖底平面与活塞顶构成的主燃烧室及在缸盖里面的副燃烧室两 部分组成，柴油的燃烧过程主要在主燃烧室进行，两个燃烧室通过一个或几个孔道连接， 喷油器在副燃烧室喷油，柴油首先在副燃烧室内燃烧，燃烧开始后连同未燃油气一起进 入主燃烧室燃烧。它又包括预燃式燃烧式及涡流式燃烧室。预燃式燃烧室曾主要用于 4 1 4 6 型等柴油机上，此类燃烧室具有工作比较平稳柔和，对转速与负荷变化的适应性强， 但具有热效率低、油耗大及起动性能差等不足。涡流式燃烧室曾在4 1 2 5 a 、4 1 1 5 t 及新 1 9 5 系列等柴油机上得到应用，在我国广泛用于农业机械和农用汽车上，它具有混合气 形成较好，燃烧充分，工作性能稳定，有害气体排放少的特点，但也存在热效率低、起 动性能差和油耗大的缺点【2 0 j 。 直喷式燃烧室由气缸盖底平面和活塞顶部凹坑所形成的空间组成，可燃混合气主要 是靠空间雾化和壁面蒸发形成。因此，在喷油器设计过程中常采用了多喷孔、小孑l 径并 且高压喷射来达到空问雾化要求。根据活塞顶部凹坑形状的不同，常见的直喷式燃烧室 主要有三大类：球形燃烧室、浅坑形燃烧室和形燃烧室。 球形燃烧室是由德国m a n 公司基于油膜蒸发理论开发出来的。柴油在喷油器的作 用下顺气流方向喷入到球形内壁上形成薄而均匀油膜，加之活塞温度此时已很高，油膜 分层蒸发，与高速旋转空气混合直至被压燃。在我国，这种燃烧室曾应用在1 5 0 、9 0 等 系列柴油机上。这种燃烧室比较省油且工作较柔和，噪音小，但低速性能较差，不适合 应用于拖拉机及其他低速农用发动机上，而比较适合用于车用高速发动机上，特别是对 轻声、平稳性能有较高要求的轿车上【2 。 浅坑形燃烧室由气缸盖底平面与活塞顶上浅且宽的凹坑组成。这种燃烧室一般不组 织空气涡流运动，主要通过油束的空间雾化来形成混合气，对喷油系统有很高的要求， 因而喷油器采用多孔喷射，同时要求喷油压力很高。它具有热损失小，经济性好的特点， 但其缸内爆发压力高，工作粗暴，n o x 排放差，易冒黑烟，鉴于此，这种燃烧室主要用 于缸径较大( 1 4 0 m m ) ，转速较低( 1 5 0 0r m i n ) 的柴油机中【2 2 】。 形燃烧室是从浅坑形燃烧室演变过来的，形燃烧室更加注重利用缸内气体流动 来促进混合气的形成与燃烧。为了更好的组织缸内气体流动与混合气形成，广大的研究 者们设计出了不同缩口比，不同径深比以及不同凸台形状的形燃烧室，使浅坑形燃烧 室的缺点得到了很大的改善，但仍存在类似不足。此种类型燃烧室已广泛用于要求不是 很高的农用及船用柴油机上【2 1 i 。 广西大掌硕士掌位论文基于燃烧过程优化的小型农用柴油机燃烧室匹配研究 1 2 2 柴油机燃烧室研究现状 当前柴油机发展面临着两个严峻的考验：能源危机对柴油机的经济性要求越来越 高，而日益严格的排放法规对柴油机的排放限值越来越严。为了使柴油机达到更优的经 济性及更好的排放性能，广大的柴油机研究者对燃烧室进行了大量改进研究，取得了显 著的成果。 1 2 2 1 涡流式燃烧室 涡流式燃烧室具有工作柔和，高速适应性好， 排放性能好，但油耗高，冷起动性能差的特点， 因此对涡流式燃烧室的研究主要是在保持原有燃 烧室优点的前提下降低其油耗，改善冷起动性。 其中包括：1 、优化主副燃烧室通道设计，降低通 道的节流损失，提高流量系数，促进燃气在主燃 烧室中的扩散。2 、合理匹配主燃烧室的形状，配 合副燃烧室，加速燃气的扩散与穿透，强化二次 燃烧。3 、尽量增强主副燃烧室中的湍流运动，加 速混合气形成及燃烧。 日本三菱公司设计出由两段连接角度不同的 通道组成新型双通道涡流燃烧室，如图1 2 所示， 同时配以楔形主燃室，这样的设计能提高通道的 流量系数，又能提高放热等容度，有效促进燃气 在主燃烧室中的穿透与扩散，减少燃烧滞后，从 而有效降低柴油机的油耗、烟度及噪声。 我国在7 0 年代初开发出了一种新型涡流燃烧 室。结构如图1 3 所示，涡流燃烧室采用吊钟型 结构，喷油中心线与涡流中心偏移以利用涡流室 中心较高的湍流强度，合理布置涡流室镶块使部 分燃油能直接进入主燃烧室，并增强通道口附近 图1 2 新型双通道涡流燃烧室 f i g u r e1 - 2 n e wd u a l c h a n n e le d d y c o m b u s t i o nc h a m b e r 图1 3 新型涡流室结构 的湍流强度，这样的设计，使新结构的主燃烧室 f i g u r e1 - 3n e ws w i r lc h a m b e rs t r u c t u r e 放热提前，燃烧持续期得到缩短，最终有效地降 d f - 西大掌硕士掌位论文基于燃烧过程优化的小型农用柴油机燃烧室匹配研究 低了油耗，改善了冷起动性能【2 3 】。 1 2 2 2 直喷式燃烧室 当今，随着电子技术的飞速发展，如电控燃油喷射、电控多气门技术等更多的电控 技术被应用于柴油机，加上柴油机的转速越来越高，传统球形油膜分层蒸发型燃烧室发 展受到限制。新的直喷型燃烧室多转变成 以空间雾化为主，以壁面蒸发为辅助的燃 烧方式。在排放法规日益严格的背景下， 直喷型燃烧室的发展受到挑战，为了降低 柴油机排气污染物排放，设计合理的燃烧 室结构组织良好的缸内气体运动，加之燃 油喷射和燃烧室的匹配来达到良好动力 性、经济性、排放性的目的。 花瓣形燃烧室是上海内研所开发的一 种直喷型燃烧室，图l 一4 所示为四花瓣形 燃烧室，燃烧室中的梅花形结构对高速大 涡流的阻尼大，低速小涡流的阻尼小，确 磊 、 x lii，l l 。逝 瞍 h 一 、 _ 图1 4 花瓣形燃烧室 保了高低速范围内涡流相对稳定，同时梅 f i 黜l - 4p e t a l s h a p e dc 。m b u s t i 。nc h a m b e r 花的凹凸台与主涡流作用会产生微涡流， 对油气混合有促进作用，因而这种燃烧室 具有高低速性能差异小；该燃烧室配以4 孔喷油嘴，利用凸台尖后面的顺气流散射 作用，来加强油气的混合，该型燃烧室缸 内最大爆发压力较低，工作较柔和，适于 高速变工况车用发动机，但需要较高的气 道涡流比( 3 6 4 5 ) 【2 1 1 来取得良好的综合 指标。 哑铃型燃烧室是一种综合性能较好的 直喷式燃烧室，已应用在日本柴油机、莱 动4 3 0 5 b 柴油机上，同时a v l 、里卡多等 击凼 图l 一5 丰田1 4 b 哑铃型燃烧室 f i g u r e1 - 5t o y o t a14 bd u m b b e l l s h a p e d c o m b u s t i o nc h a m b e r 许多著名的内燃机公司对此均有研究报告。图1 5 为丰田1 4 b 哑铃型燃烧室，与传统 5 广西大学硕士掌位论文 基于燃烧过程优化的小型农用柴油机燃烧室匹配研究 u 形燃烧室相比，增大了中央凸台，改变了中央凸台形状，减少了缩口比。该型燃烧室 对进气涡流要求较低，对进气涡流具有加强和保持的作用；该燃烧室对缸内气体流动具 有很好的保持效果，特别是在上止点后的膨胀行程仍能保持很强的气流速度，能很好地 促进混合气的形成和燃烧，也能提供较宽广的供油提前角范围，减小最佳供油提前角， 从而降低振动和噪声，提高发动机的起动性，同时具有很好的低速扭矩特性。研究数据 表明，1 4 b 柴油机缸径1 0 2 m m ，额定功率8 4 6 k w ，与多孔喷油器合理匹配，具有十分优 越的动力性、经济性和烟度排放指标【2 1 j 。 近年来，为了使柴油机获得更好的动力性、经济性、排放性以及冷起动性，出现了 将直喷式与涡流式燃烧室融合的趋势。大连理工大学提出了一种新型的直喷涡流室燃 烧，该燃烧系统在缩口燃烧室中央设有较高的凸台，使燃烧室在入口处构成环状通道， 凸台与侧壁的配合设计形成了下部涡流室，在入口设有燃油喷雾碰撞导向面，能使燃油 在喷射过程中快速导入下部涡流室，使燃油预混合加快，扩散燃烧加快；将涡流室置于 在活塞项部设计，可减少涡流室散热损失，同时采用高压缩比及高空燃比，能够有效提 高燃烧热效率，改善起动性，降低燃油的消耗率，改善碳烟的排放 2 4 1 。 1 3 柴油机工作过程数值模拟 1 | 3 1 数值模拟概述 柴油机工作过程实质上是一个连续复杂的热力循环过程，大致可分为三个过程：燃 烧放热过程，缸内工质流动和热交换过程，进排气系统热力学以及气体动力学过程【”i 。 柴油机缸内燃烧放热过程是柴油机工作过程的核心组成部分，需要综合运用化学反应动 力学、传热学、热力学、流体力学和数值计算等学科的知识来揭示缸内工质流动、传热 等内在规律。 柴油机的燃烧过程相当复杂，通过实验很难获取到详尽的信息，但通过多维数值模 拟对喷雾燃烧过程进行数值计算，可以深入理解柴油机工作过程中混合气形成、燃烧的发 展，对于理解燃烧过程质量和排放物生成机理，并使其达到同益严格的排放法规要求有着 重要的意义【26 | 。柴油机数值模拟是在计算机技术及计算流体力学理论发展到一定的程度 后产生的。数值模拟是以计算机为手段，将实际存在的真实系统用数学模型来表示，通 过数值计算和图像显示的方法，来分析真实系统的本质特征。数值模拟具有获取数据迅 6 厂西大学硕士掌位论文基于燃烧过程优化的小型农用柴油机燃烧室匹配研究 速、操作简单、花费低的特点，且不受限环境及条件，同时能更深层次地揭示物理现象 本质，如缸内流场速度，温度及压力分布等等。 内燃机模拟的使用，最早可追溯到1 9 世纪未内燃机发展初期。英国的d u g a l dc l e r k 是内燃机工作过程模拟的先驱，1 9 8 8 年，他使用了空气标准循环方法分析内燃机的热效 率。德国的r u d o l p h d i e s e l 在不久后提出了一系列具有不同燃烧方式的内燃机循环模型。 在以后的8 0 年中，在内燃机模拟方面并没有重大突破。h c h o t t e l 等人【2 7 】使模拟工作取 得重大进步，他们假定各燃烧生成物处于热力学平衡状态，制定了己燃混合气的热力性 质表，为内燃机性能提供了极好的依据。 在最近的几十年中，数值模拟经历了飞速的发展。1 9 7 2 年，英国帝国理工大学教授 d b s p a l d i n g 和s vp a t a n k a r 提出了s i m p l e 算法( 半隐式控制容积法) ，为计算缸内化 学流控制方程组打下了基础。19 7 3 年a d g o s m a n 等开发了用于计算轴对称封闭气缸且 无燃烧的层流流动的r p m 程序。1 9 8 2 年g o s m a n 建立了用于模拟直喷柴油机缸内工作过 程的数学模型，又于1 9 8 4 年开发了模拟直喷柴油机缸内流动过程的三维数值模拟程序 【2 引。随之产生了各类商业c f d 软件，如由帝国理工大学计算流体力学专家教授最初开发 的并由各国优秀学者不断完善的s t a r c d 软件、奥地利a v l 公司开发的f i r e 软件；英国 c h a m 公司开发的p h o e n i c s 软件以及a n s y s 公司开发的f l u e n t 软件。这些软件的加入大大提 升了研究的效率。当前，数值模拟研究已成为内燃机研究的重要方法【2 9 1 ，广泛用于内燃 机缸内流场研究、喷雾研究、燃烧研究及排放预测【1 4 , 3 0 , 3 1 , 3 2 】。 1 3 2 内燃机燃烧模型 内燃机燃烧过程包含极其复杂的物理化学过程，难以用数学模型来详细描述，这就 需要建立各种物理化学模型来简化方程。自2 0 世纪6 0 年代出现了首批基于计算机的内燃 机模拟后，内燃机燃烧过程数学模型得到了飞速发展。最系统的内燃机燃烧模型分类是 f v b r a c c o ”】在1 9 7 4 年提出的零维模型、准维模型及多维模型。 零维模型是假设缸内为瞬态的均匀过程，即在某一时刻，各种物性参数和热力学参 数在燃烧室内处处相等，而与空间无关【3 4 1 。零维模型将燃烧系统内复杂的物理、化学燃 烧过程仅视为根据一定规律向燃烧系统注入热量的过程，再根据实验获得的参数，选取 适当的函数来贴近实际燃烧过程，这些模型能够提供燃烧过程的总体信息，预测燃烧过 程的的主要性能参数，从而得出燃烧过程中各参数随时间变化的关系。零维燃烧模型中 7 广西大学硕士掌位论文基于燃烧过程优化的小型农用柴油机燃烧室匹配研究 主要采用经验的放热率公式来拟合放热规律，基于此，发展出了常用的韦伯模型和威尔 逊模型【”】。韦伯模型采用了由化学反应动力学导出的半经验公式；威尔逊模型分别用一 个幂函数拟合预混合燃烧时，用韦伯函数模拟扩散燃烧，二者相应的质量百分比之和即 为燃烧放热规律。 零维模型主要应用在以下方面 3 6 ：根据示功图计算燃烧放热率；反过来，即通过经 验总结出的放热规律来预测示功图，找出影响内燃机性能的各种参数，并加以优化。零 维模型只用简单的数学方程来替代复杂的燃烧过程，无法描述喷雾、混合等对燃烧过程 的影响，对排放物的生成也无法预测，同时结果的准确性还依赖于各项经验参数的选取。 准维模型是在零维模型的基础上发展起来的，其考虑了燃烧过程中燃油喷雾及火焰 传播等物理过程长度尺度的变化 3 7 1 。根据火焰位置或燃油喷注空问分布的形态将燃烧室 分成两个以上的若干区域，分别考虑了燃油的喷雾扩散、油滴的蒸发、混合及卷吸、燃 烧火焰传播及已燃区域中燃烧产物变化等过程。将各种子模型组合成燃烧模型来预测缸 内不同区域燃烧温度，且面向不同机型着重应用不同的子过程，使最终放热率更加逼近 实际，同时预测有害排放物浓度【3 8 】。针对柴油机的准维模型中主要有以下三种 。e ：1 9 7 6 年日本广岛大学广安博之等人发表的喷注雾化模型；1 9 7 5 年美籍华人林慰梓提出的气态 射流模型以及1 9 7 8 年日本东京大学池上洵等人发表的关于容器内湍流非稳定扩散火焰 概率过程模型。 准维模型开辟了对缸内燃烧本质的探索之路，慢慢地考虑燃烧过程中的一些实际情 况，对于特定的某些机型，能较准确地预测燃烧过程中的一些主要性能参数，但与零维 模型相似，准维模型也善不能揭示有关燃烧现象的本质。 多维模型是缸内燃烧二维和三维空间分布模型，是基于质量守恒、动量守恒、能量 守恒及化学守恒定律，采用偏微分方程组来描述内燃机燃烧过程，辅以适当的初始、边 界条件，并通过数值方法求解。其结果能准确描述燃烧过程中化学组分、质量、动量、 能量变化情况。最早的多维模型可追溯到上世纪7 0 年代初期，a p w a t k i n s 在他的硕士毕 业论文中对一个二维的轴对称且无喷射、无燃烧层流流动的例子进行了计算，后来在他 的博士论文中又加了一个模拟湍流的模型【3 9 ；结合f l i r t 等人发展的任意拉格朗日一欧拉 法，b o n i 等采用考虑了燃烧和湍流的粘性流动方程( 4 ，模拟了一台轴对称发动机气缸压 缩及作功冲程 4 1 1 。1 9 8 4 年，c o s m a n 等人 4 2 1 首次发表了用于求解缸内三维湍流场的论文， 从此多维数值模拟进入了一个崭新的发展阶段。 多维燃烧模型全面考虑了内燃机的各种工作过程，包括缸内气体流动，混合气形成 r 厂西大掌硕士学位论文基于燃烧过程优化的小型农用柴油机燃烧室匹配研究 燃烧，排放产物的生成等。目前，多维模型己完善到到一定程度，可以对内燃机缸内气 体流动、燃油喷射、雾化及蒸发、混合气的形成与发展、预混合燃烧及扩散燃烧各过程 进行模拟【4 3 1 。 1 4 论文研究目的及主要内容 本课题选题来自广西自然科学基金项目低排放农用单缸直喷柴油机两级燃烧模式 实施研究。对于柴油机来说，优化其燃烧过程一直是提高柴油机性能的重要手段，控 制燃烧过程的关键在于混合气的形成，混合气形成需要良好的缸内气流并匹配以合理的 燃油喷射。随着电控燃油喷射技术及高压喷射技术的发展，燃油的雾化效果越来越好， 柴油机的性能得到了很大的提高，但针对小型农用柴油机而言，电控燃烧喷射系统及高 压喷射系统高昴的成本，使得在小型农用柴油机上的应用变得很不现实，因而通过改进 燃烧室形状，组织良好的缸内气流，提高混合气形成质量以达到提高发动机性能己成为 当前小型农用柴油机研究的重点。 借助于大型c f d 软件s t a r c d 对一台南机动力公司生产的z s l 9 5 d 、型农用柴油机 进行三维数值模拟，并查阅大量相关文献，对z s19 5 柴油机的燃烧室进行有针对性的改 进，获得有指导性的结论。主要的研究工作如下： ( 1 ) 建立z s l 9 5 原机模型，在z s l 9 5 柴油机试验台架上对原机进行试验，得出相关 数据，并与原机模拟数据进行对比分析，验证原机模型。 ( 2 ) 根据z s l 9 5 原机燃烧室的特点，改变燃烧室的缩口比，在不改变原机其他条件 的前提下进行模拟，将结果进行分析对比。 ( 3 ) 改变z s l 9 5 原机燃烧室的底部凸台高度及宽度，其他条件不变进行模拟分析。 ( 4 ) 参照最新形式的哑铃形燃烧室特点，将哑铃形燃烧室应用于z s 19 5 柴油机上， 并进行适当改进形成新的燃烧室结构，将新燃烧室进行模拟计算分析，同时对新燃烧室 进行变参数优化。 ( 5 ) 总结研究工作，提出展望。 基于燃烧过程优化的d 、型农用柴油机燃烧室匹配研究 第二章数学模型 帚一早鳅手俣型 c f d 数值模拟方法是在众多数学模型的基础上建立起来的。本节主要介绍了 s t a r c d 软件所集成的众多数学模型中的几个主要模型【删。 2 1 基本方程 柴油机的工作过程复杂多受，但其最终都遵行着三大物理定律，即：质量、能量及 动量守恒定律，这三大定律的数学表达即组成了流体力学中的n s 方程组。 对一般可压缩及不可压缩流体，质量守恒方程为： 詈去( 鹏冲。 ( 2 - 1 ) 动量守恒方程为： 百o p u j + 专c 鹏h 一勺，一考+ _ c 2 圳 式中t 为时间；西为笛卡儿坐标；“为玉方向的绝对速度分量；p 为压力计压力；p 为 流体密度；勺为应力张量分量；s 川为质量源；s f 为动量源分量。 对于牛顿流体及非牛顿流体的层流流动， r o = 2 s u - ；豢磊 3 ， 对于牛顿流体及非牛顿流体的湍流流动， 勺却旷争筹一万两 ( 2 - 4 ) 能量守恒定律，s t a r c d 采用流体的静态焓守恒方程来描述 百o p h + 专c 肋一+ ，= 詈+ 一考+ 乃警一 c 2 剐 这里h 是静态焓， h - c ，r c o r o + 匕h 。= 红+ l 以 ( 2 6 ) 广西大掌硕士掌位论文 基于燃烧过程优化的小型农用柴油机燃烧室匹配研究 式中为混合成分m 的质量分数，砜成分m 的生成热，c p 为温度t 下压力比热的 平均值，c 吕为温度下的比热，乞，为是t 方向上的热能扩散通量。 流体混合物每一种组分m ，其局部浓度用质量分数匕表示，其物质守恒方程可表示 为： 昙( 圳+ 昙( 鹏匕峨户 ( 2 - 7 ) 其中，l ，为扩散通量成分，s m 为物质生成或消耗率 2 2 湍流模型 在湍流模型中，发展最为成熟、应用最为广泛、积累经验最多的模型是尼一s 模型 4 5 ，4 6 ，4 7 1 ，在s t a r c d 中使用的湍流模型多是尼一占模型的变形，包括标准七一s 模型， 低雷诺数尼一占模型，r n gk 一占模型，c h e n 尼一s 模型等。标准尼- - 8 的输运力