柴油機燃燒室內氣流特性
發布時間：2024-04-05 點擊：164
如何評價柴油發電機燃燒室內氣流特性
實際發電用柴油發電機，由于其使用條件及要求不同，燃燒室結構參數及形狀也有所不同。這種不同燃燒室的結構形狀和參數，決定了燃燒室內特有的氣流特性及其規律，也就決定了其所對應的最佳噴霧條件和燃燒過程。因此，如何精確測量、分析和評價燃燒室內的氣流特性，對正確把握燃燒室內微觀的流場特性及其對混合氣形成和燃燒過程的影響，具有重要意義。
缸內流場特性的分析方法有試驗法和模擬計算分析法。前者為了測量實際流場特性，采用光學柴油發電機利用示蹤粒子的激光高速攝影法。其特點是可直觀地展示氣缸內流場的瞬態分布特性和流動特性。但是設備昂貴，且光學柴油發電機與實際柴油發電機在結構上很難實現完全一致。缸內流場的模擬計算分析法是采用計算流體力學（cfd）專用軟件，基于一定的數學模型，對燃燒室空間的三維流場進行模擬計算，由此計算氣缸內流場的三維空間瞬態分布特性，并以此為基礎計算出表示流場特性的各種物理量。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大，但不是萬能的，只不過是功能強大、計算信息量多和能控制一定計算精度的計算工具而已。因此，根據所研究的內容不同，計算模型不同，計算側重點也不同，而且計算精度取決于模型和邊界條件的正確選擇和調試。
為了便于評價燃燒室內的氣流特性，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）旋轉的氣流作為渦流進行模擬計算分析。
圖1 燃燒室縱斷面示意圖
在實際壓縮和膨脹過程中，燃燒室內的縱斷面和橫截面上的氣流特性并非為規整的壓縮滾流和渦流，是一種有宏觀趨勢的湍流狀態。cfd軟件根據有限網格，可計算出任一瞬間燃燒室空間任一點上的速度矢量和質量。所以，根據任一瞬間（曲軸轉角位置）燃燒室計算斷面上的速度分布和質量分布特性（即各網格點上的瞬態物理參數），由動量矩守恒原理可計算出該瞬間圍繞該計算斷面形心的當量角速度，由此求得當量壓縮滾流強度，即單位時間內繞燃燒室1/2縱斷面形心的氣流旋轉次數。這些氣流特性參數均由cfd軟件（如fire）直接計算求得。
為了定量地評價膨脹過程中燃燒室內瞬態氣流運動強度的變化特性，引入滾流（或擠流）強度保持性的概念。即如式（公式1）所示，從上止點附近壓縮滾流強度出現峰值點的曲軸轉角位置φ1開始，到擴散燃燒基本結束的曲軸轉角位置φ2的區間內，壓縮滾流強度對曲軸轉角的積分值與φ1處的壓縮滾流強度峰值和該區間的乘積之比。
(公式1)
式中，φ1為出現壓縮滾流強度峰值所對應的曲軸轉角；φ2為上止點后擴散燃燒基本結束點所對應的曲軸轉角，一般φ2＝45°（ca）；scgφ1為φ1點上的壓縮滾流強度峰值；scg（φ）為任意曲軸轉角φ時的壓縮滾流強度。
需要指出的是，cfd軟件（如fire）只提供各曲軸轉角位置上所計算的離散的滾流值。所以通過這些對應于各曲軸轉角位置的離散的計算結果，可用曲線擬合等手段求出滾流強度隨曲軸轉角變化的函數scg（φ）。之后再根據式（公式1），求出滾流強度保持性sw。而當量滾流強度，是根據該計算斷面上各網格點相對形心的動量矩之和來計算求得的。所以，可以認為滾流強度保持性，實際上就是在各瞬間計算斷面上微觀湍流動能分布結果的宏觀當量化評價。
為了求得擴散燃燒過程中靜態滾流強度的衰減程度，將式（公式1）中的積分上限φ2取區間［φ1,φ2］中的任一值φ（φ1＜φ＜φ2），則可得任意曲軸轉角位置上的滾流強度保持性，即
(公式2)
圖2所示為用這種評價方法，對不同燃燒室結構的滾流強度保持性進行比較的結果。其中，i型燃燒室代表傳統的“ω”形直噴式燃燒室?？梢妭鹘y的直噴式燃燒室其混合氣形成和燃燒過程對發動機轉速的適應性差的主要原因，是在擴散燃燒階段燃燒室內的氣流強度衰減很快，從而造成在擴散燃燒過程中混合氣的形成和燃燒速度緩慢。
不同燃燒室結構及其滾流強度保持性
而ii、皿型燃燒室表示不同縮口型燃燒室結構形狀對氣流特性的影響，當縮口比d2/d1一定時，燃燒室底部不同的凸起形狀直接影響燃燒室內的滾流強度保持性。所以，如圖3所示，ii型燃燒室通過燃燒室底部凸起形狀對燃燒室內氣流的節流作用，提高其壓縮滾流強度保持性，從而在1500r/min時改善膨脹過程中的擴散燃燒過程，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排放特性的影響
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實際發電用柴油發電機，由于其使用條件及要求不同，燃燒室結構參數及形狀也有所不同。這種不同燃燒室的結構形狀和參數，決定了燃燒室內特有的氣流特性及其規律，也就決定了其所對應的最佳噴霧條件和燃燒過程。因此，如何精確測量、分析和評價燃燒室內的氣流特性，對正確把握燃燒室內微觀的流場特性及其對混合氣形成和燃燒過程的影響，具有重要意義。
缸內流場特性的分析方法有試驗法和模擬計算分析法。前者為了測量實際流場特性，采用光學柴油發電機利用示蹤粒子的激光高速攝影法。其特點是可直觀地展示氣缸內流場的瞬態分布特性和流動特性。但是設備昂貴，且光學柴油發電機與實際柴油發電機在結構上很難實現完全一致。缸內流場的模擬計算分析法是采用計算流體力學（cfd）專用軟件，基于一定的數學模型，對燃燒室空間的三維流場進行模擬計算，由此計算氣缸內流場的三維空間瞬態分布特性，并以此為基礎計算出表示流場特性的各種物理量。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大，但不是萬能的，只不過是功能強大、計算信息量多和能控制一定計算精度的計算工具而已。因此，根據所研究的內容不同，計算模型不同，計算側重點也不同，而且計算精度取決于模型和邊界條件的正確選擇和調試。
為了便于評價燃燒室內的氣流特性，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）旋轉的氣流作為渦流進行模擬計算分析。
圖1 燃燒室縱斷面示意圖
在實際壓縮和膨脹過程中，燃燒室內的縱斷面和橫截面上的氣流特性并非為規整的壓縮滾流和渦流，是一種有宏觀趨勢的湍流狀態。cfd軟件根據有限網格，可計算出任一瞬間燃燒室空間任一點上的速度矢量和質量。所以，根據任一瞬間（曲軸轉角位置）燃燒室計算斷面上的速度分布和質量分布特性（即各網格點上的瞬態物理參數），由動量矩守恒原理可計算出該瞬間圍繞該計算斷面形心的當量角速度，由此求得當量壓縮滾流強度，即單位時間內繞燃燒室1/2縱斷面形心的氣流旋轉次數。這些氣流特性參數均由cfd軟件（如fire）直接計算求得。
為了定量地評價膨脹過程中燃燒室內瞬態氣流運動強度的變化特性，引入滾流（或擠流）強度保持性的概念。即如式（公式1）所示，從上止點附近壓縮滾流強度出現峰值點的曲軸轉角位置φ1開始，到擴散燃燒基本結束的曲軸轉角位置φ2的區間內，壓縮滾流強度對曲軸轉角的積分值與φ1處的壓縮滾流強度峰值和該區間的乘積之比。
(公式1)
式中，φ1為出現壓縮滾流強度峰值所對應的曲軸轉角；φ2為上止點后擴散燃燒基本結束點所對應的曲軸轉角，一般φ2＝45°（ca）；scgφ1為φ1點上的壓縮滾流強度峰值；scg（φ）為任意曲軸轉角φ時的壓縮滾流強度。
需要指出的是，cfd軟件（如fire）只提供各曲軸轉角位置上所計算的離散的滾流值。所以通過這些對應于各曲軸轉角位置的離散的計算結果，可用曲線擬合等手段求出滾流強度隨曲軸轉角變化的函數scg（φ）。之后再根據式（公式1），求出滾流強度保持性sw。而當量滾流強度，是根據該計算斷面上各網格點相對形心的動量矩之和來計算求得的。所以，可以認為滾流強度保持性，實際上就是在各瞬間計算斷面上微觀湍流動能分布結果的宏觀當量化評價。
為了求得擴散燃燒過程中靜態滾流強度的衰減程度，將式（公式1）中的積分上限φ2取區間［φ1,φ2］中的任一值φ（φ1＜φ＜φ2），則可得任意曲軸轉角位置上的滾流強度保持性，即
(公式2)
圖2所示為用這種評價方法，對不同燃燒室結構的滾流強度保持性進行比較的結果。其中，i型燃燒室代表傳統的“ω”形直噴式燃燒室?？梢妭鹘y的直噴式燃燒室其混合氣形成和燃燒過程對發動機轉速的適應性差的主要原因，是在擴散燃燒階段燃燒室內的氣流強度衰減很快，從而造成在擴散燃燒過程中混合氣的形成和燃燒速度緩慢。
不同燃燒室結構及其滾流強度保持性
而ii、皿型燃燒室表示不同縮口型燃燒室結構形狀對氣流特性的影響，當縮口比d2/d1一定時，燃燒室底部不同的凸起形狀直接影響燃燒室內的滾流強度保持性。所以，如圖3所示，ii型燃燒室通過燃燒室底部凸起形狀對燃燒室內氣流的節流作用，提高其壓縮滾流強度保持性，從而在1500r/min時改善膨脹過程中的擴散燃燒過程，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排放特性的影響
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