如何評(píng)價(jià)柴油發(fā)電機(jī)燃燒室內(nèi)氣流特性
實(shí)際發(fā)電用柴油發(fā)電機(jī)，由于其使用條件及要求不同，燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)及形狀也有所不同。這種不同燃燒室的結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)，決定了燃燒室內(nèi)特有的氣流特性及其規(guī)律，也就決定了其所對(duì)應(yīng)的最佳噴霧條件和燃燒過(guò)程。因此，如何精確測(cè)量、分析和評(píng)價(jià)燃燒室內(nèi)的氣流特性，對(duì)正確把握燃燒室內(nèi)微觀的流場(chǎng)特性及其對(duì)混合氣形成和燃燒過(guò)程的影響，具有重要意義。
缸內(nèi)流場(chǎng)特性的分析方法有試驗(yàn)法和模擬計(jì)算分析法。前者為了測(cè)量實(shí)際流場(chǎng)特性，采用光學(xué)柴油發(fā)電機(jī)利用示蹤粒子的激光高速攝影法。其特點(diǎn)是可直觀地展示氣缸內(nèi)流場(chǎng)的瞬態(tài)分布特性和流動(dòng)特性。但是設(shè)備昂貴，且光學(xué)柴油發(fā)電機(jī)與實(shí)際柴油發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上很難實(shí)現(xiàn)完全一致。缸內(nèi)流場(chǎng)的模擬計(jì)算分析法是采用計(jì)算流體力學(xué)（cfd）專用軟件，基于一定的數(shù)學(xué)模型，對(duì)燃燒室空間的三維流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，由此計(jì)算氣缸內(nèi)流場(chǎng)的三維空間瞬態(tài)分布特性，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算出表示流場(chǎng)特性的各種物理量。典型的cfd軟件有kiva-ii、fire和star-cd等。需要指出的是，這些軟件雖然功能強(qiáng)大，但不是萬(wàn)能的，只不過(guò)是功能強(qiáng)大、計(jì)算信息量多和能控制一定計(jì)算精度的計(jì)算工具而已。因此，根據(jù)所研究的內(nèi)容不同，計(jì)算模型不同，計(jì)算側(cè)重點(diǎn)也不同，而且計(jì)算精度取決于模型和邊界條件的正確選擇和調(diào)試。
為了便于評(píng)價(jià)燃燒室內(nèi)的氣流特性，在如圖1所示的燃燒室縱斷面上以氣缸中心線為分截面取其1/2斷面，并以繞其1/2斷面形心旋轉(zhuǎn)的縱向氣流的平均值作為滾流；而將燃燒室某一橫截面上繞燃燒室中心（軸線）旋轉(zhuǎn)的氣流作為渦流進(jìn)行模擬計(jì)算分析。
圖1 燃燒室縱斷面示意圖
在實(shí)際壓縮和膨脹過(guò)程中，燃燒室內(nèi)的縱斷面和橫截面上的氣流特性并非為規(guī)整的壓縮滾流和渦流，是一種有宏觀趨勢(shì)的湍流狀態(tài)。cfd軟件根據(jù)有限網(wǎng)格，可計(jì)算出任一瞬間燃燒室空間任一點(diǎn)上的速度矢量和質(zhì)量。所以，根據(jù)任一瞬間（曲軸轉(zhuǎn)角位置）燃燒室計(jì)算斷面上的速度分布和質(zhì)量分布特性（即各網(wǎng)格點(diǎn)上的瞬態(tài)物理參數(shù)），由動(dòng)量矩守恒原理可計(jì)算出該瞬間圍繞該計(jì)算斷面形心的當(dāng)量角速度，由此求得當(dāng)量壓縮滾流強(qiáng)度，即單位時(shí)間內(nèi)繞燃燒室1/2縱斷面形心的氣流旋轉(zhuǎn)次數(shù)。這些氣流特性參數(shù)均由cfd軟件（如fire）直接計(jì)算求得。
為了定量地評(píng)價(jià)膨脹過(guò)程中燃燒室內(nèi)瞬態(tài)氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的變化特性，引入滾流（或擠流）強(qiáng)度保持性的概念。即如式（公式1）所示，從上止點(diǎn)附近壓縮滾流強(qiáng)度出現(xiàn)峰值點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角位置φ1開(kāi)始，到擴(kuò)散燃燒基本結(jié)束的曲軸轉(zhuǎn)角位置φ2的區(qū)間內(nèi)，壓縮滾流強(qiáng)度對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角的積分值與φ1處的壓縮滾流強(qiáng)度峰值和該區(qū)間的乘積之比。
(公式1)
式中，φ1為出現(xiàn)壓縮滾流強(qiáng)度峰值所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；φ2為上止點(diǎn)后擴(kuò)散燃燒基本結(jié)束點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，一般φ2＝45°（ca）；scgφ1為φ1點(diǎn)上的壓縮滾流強(qiáng)度峰值；scg（φ）為任意曲軸轉(zhuǎn)角φ時(shí)的壓縮滾流強(qiáng)度。
需要指出的是，cfd軟件（如fire）只提供各曲軸轉(zhuǎn)角位置上所計(jì)算的離散的滾流值。所以通過(guò)這些對(duì)應(yīng)于各曲軸轉(zhuǎn)角位置的離散的計(jì)算結(jié)果，可用曲線擬合等手段求出滾流強(qiáng)度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的函數(shù)scg（φ）。之后再根據(jù)式（公式1），求出滾流強(qiáng)度保持性sw。而當(dāng)量滾流強(qiáng)度，是根據(jù)該計(jì)算斷面上各網(wǎng)格點(diǎn)相對(duì)形心的動(dòng)量矩之和來(lái)計(jì)算求得的。所以，可以認(rèn)為滾流強(qiáng)度保持性，實(shí)際上就是在各瞬間計(jì)算斷面上微觀湍流動(dòng)能分布結(jié)果的宏觀當(dāng)量化評(píng)價(jià)。
為了求得擴(kuò)散燃燒過(guò)程中靜態(tài)滾流強(qiáng)度的衰減程度，將式（公式1）中的積分上限φ2取區(qū)間［φ1,φ2］中的任一值φ（φ1＜φ＜φ2），則可得任意曲軸轉(zhuǎn)角位置上的滾流強(qiáng)度保持性，即
(公式2)
圖2所示為用這種評(píng)價(jià)方法，對(duì)不同燃燒室結(jié)構(gòu)的滾流強(qiáng)度保持性進(jìn)行比較的結(jié)果。其中，i型燃燒室代表傳統(tǒng)的“ω”形直噴式燃燒室。可見(jiàn)傳統(tǒng)的直噴式燃燒室其混合氣形成和燃燒過(guò)程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的適應(yīng)性差的主要原因，是在擴(kuò)散燃燒階段燃燒室內(nèi)的氣流強(qiáng)度衰減很快，從而造成在擴(kuò)散燃燒過(guò)程中混合氣的形成和燃燒速度緩慢。
不同燃燒室結(jié)構(gòu)及其滾流強(qiáng)度保持性
而ii、皿型燃燒室表示不同縮口型燃燒室結(jié)構(gòu)形狀對(duì)氣流特性的影響，當(dāng)縮口比d2/d1一定時(shí)，燃燒室底部不同的凸起形狀直接影響燃燒室內(nèi)的滾流強(qiáng)度保持性。所以，如圖3所示，ii型燃燒室通過(guò)燃燒室底部凸起形狀對(duì)燃燒室內(nèi)氣流的節(jié)流作用，提高其壓縮滾流強(qiáng)度保持性，從而在1500r/min時(shí)改善膨脹過(guò)程中的擴(kuò)散燃燒過(guò)程，使得hc和煙度排放得到改善，而nox排放基本保持不變。
不同縮口型燃燒室底部凸起形狀對(duì)排放特性的影響

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