蘇石川，厚 陽，雷洪濤，王 波，張 文

(江蘇科技大學能源與動力工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

渦流室柴油機由于其燃燒系統(tǒng)特有的高速性、低噪聲、工作柔和、低排放、可靠性好、適應惡劣環(huán)境等優(yōu)點［1］，可以有效滿足高速艇用柴油主機的技術(shù)要求，因此深入研究渦流室式柴油機的燃燒系統(tǒng)有著深刻的意義.以前對渦流室柴油機的研究主要是通過模擬臺架試驗方法［3］，但由于燃燒室的惡劣工況和試驗設(shè)備的限制，研究無法對缸內(nèi)工作狀況做一個全面了解，因此對缸內(nèi)燃燒機理研究不夠直觀深入.近年來三維流體分析軟件應用的日漸成熟，渦流室柴油機的三維仿真越來越多，但仿真主要都集中在噴油嘴的設(shè)計、噴油方向的優(yōu)化、噴霧方式的改進以及主燃室的優(yōu)化設(shè)計［2－3］等方面，對連接通道的優(yōu)化以及由其帶來的燃燒機理的分析不僅很少見而且還不夠全面.渦流室柴油機的連接通道控制著渦流室內(nèi)渦流的產(chǎn)生和變化，不同的連接通道角度是通過不同的渦流強度和氣流流出渦流室的難易程度來影響性能的［4］.因此，文中通過調(diào)整連接通道角度來改善高速艇用柴油主機的性能.

文中基于STAR－CD軟件平臺，在ES－ICE模塊中建立三維仿真模型，深入分析不同的連接通道傾斜角對柴油機缸內(nèi)燃燒過程以及主機性能的影響，從而達到優(yōu)化該節(jié)流通道角度的目的.

1 計算模型和初始條件的建立

1.1 柴油機基本參數(shù)柴油機的基本參數(shù)見表1.

表1 柴油機的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of diesel engine

1.2 模型的建立和邊界條件的設(shè)置

使用三維CAD軟件UG建立渦流燃燒室的幾何模型，然后將此模型導入仿真軟件STAR－CD中的ES－ICE模塊，建立用于計算的動網(wǎng)格模型(圖1)，并對模型進行參數(shù)設(shè)置、計算和分析.

為了簡化邊界條件，使渦流燃燒室的仿真計算更有針對性，文中只計算從進氣門關(guān)閉到排氣門開啟的缸內(nèi)燃燒過程，其邊界條件和初始條件設(shè)置如下:假設(shè)氣缸內(nèi)氣體均勻，各處溫度和壓力均相等，缸內(nèi)氣體初始溫度取330 K，缸內(nèi)初壓為1.1×105Pa，溫度邊界采用恒溫邊界，不考慮活塞運動和缸內(nèi)燃燒對溫度的影響［5］，分別取氣缸蓋、活塞頂部和渦流室壁的平均溫度作為邊界溫度［6］.缸蓋底部溫度、渦流室壁溫度、活塞頂部凹坑溫度分別為510，450，515 K［7］.

圖1 渦流燃燒室動網(wǎng)格模型Fig.1 Dynamic mesh model of swirl combustion chamber

1.3 氣體湍流擴散、噴霧及燃燒模型

選擇RNG湍流模型模擬缸內(nèi)的氣體流動過程，原因在于模型中不包括任何可以調(diào)節(jié)的參數(shù)和經(jīng)驗常數(shù)，精確性和通用性都比較高，并且適用于層流、過渡區(qū)及湍流等各種雷諾數(shù)范圍，同時它可以考慮固體壁面與界面對計算的影響［8］.在數(shù)值模擬計算中，RNG湍流模型具有較好的收斂性與穩(wěn)定性.

基于STAR－CD軟件平臺選用Reitz/Diwakar液滴破碎模型來模擬液滴在介質(zhì)中做相對運動的破碎過程;霧化模型采用Huh模型進行描述;復雜的液滴撞壁過程用Bai模型模擬，該模型采用拉格朗日統(tǒng)計方法［9］，遵循液滴的質(zhì)量、動量與能量控制方程，用隨機的方法來描述液滴與氣缸壁面的碰撞過程.

柴油機燃燒計算采用ECFM－3Z模型，該模型采用兩步化學反應機理來對燃油氧化過程進行描述［10］，這種新的反應機理更加精確地描述了CO在濃混合氣工況下的形成過程.

1.4 計算模型驗證

試驗的環(huán)境條件為大氣壓力101.2 kPa，機房溫度14℃，相對濕度60%.

試驗用渦流室柴油機技術(shù)條件為全速全負荷特性下的燃油消耗率263.4 g/(kW·h)，功率96.25 kW，扭矩255.3 N·m.最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速為(1000±30)r/min，渦前排溫低于453℃.

圖2為壓力曲線試驗值與模擬值對比，試驗測定缸內(nèi)最高燃燒壓力為9.45 MPa，而模擬所得最高燃燒壓力為9.63 MPa，誤差為1.87%.這說明所建計算模型合理有效，滿足工程實際要求.

圖2 缸內(nèi)平均壓力曲線對比Fig.2 Comparison of test data with simulation resultsfor the average pressure in cylinder

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 氣流運動分析

本節(jié)著重分析了在連接通道角度為35°、40°和45°條件下上止點前5°CA時刻渦流室內(nèi)氣流的運動情況和上止點后5°CA時刻主燃燒室內(nèi)氣流的運動情況.選取這兩個曲柄轉(zhuǎn)角時刻主要是由于在上止點前5°CA時刻，渦流室內(nèi)的空氣渦流運動實際上相當于勢渦且氣流速度趨近于最大，此時的空氣運動狀況對空燃比的分布、燃燒始點以及NOx的生成均有重要影響.對于吊鐘型渦流室來說，由于渦流室內(nèi)渦流相對較弱，混合氣形成較慢，因此燃燒主要在主燃室中進行.在上止點后5°CA時刻，可燃混合氣大部分已進入主燃室進行燃燒，此時主燃室內(nèi)氣流的運動情況直接決定柴油機的動力性、經(jīng)濟性以及排放物的多少.

圖3為上止點前5°CA時刻在連接通道傾斜角為35°，40°和45°下渦流室內(nèi)氣流的速度矢量分布狀況.從圖中可以看出，隨著連接通道角度的增大，渦流室內(nèi)可燃混合氣渦流的速度不斷減小，但速度分布趨于均勻，連接通道內(nèi)的氣流運動趨于平穩(wěn).這主要是因為隨著連接通道角度的增大，氣流從主燃室進入渦流室所要通過的連接通道的路徑變長，氣流流入渦流室的難度加大.在柴油機轉(zhuǎn)速不變的同時，活塞將要消耗更多的功來推動主燃室的空氣進入渦流室，這就使得連接通道的角度越小，流入渦流室的難度越大，活塞消耗的功越多，進入渦流室氣流的速度也就越大.同時由于連接通道的角度越小，流入渦流室的氣流越容易撞到壁面使氣流方向發(fā)生改變，從而帶動周圍氣體的速度和方向發(fā)生改變，造成渦流室內(nèi)的速度分布更加的不均勻.連接通道的角度越小，氣流的速度越高;連接通道的長度越長，通過連接通道時所導致的延程損失越多.

當渦流室的渦流運動適度時，室內(nèi)的混合氣形成也是適度的，不僅抑制了初級階段的工作粗暴，而且使渦流室到主燃室的燃燒過程變得平滑，從而獲得良好的性能.

圖3 上止點前5°CA時刻不同連接通道傾斜角下缸內(nèi)速度場分布Fig.3 Distribution of in-cylinder flow field under the different connection channel tilt angle at 5°CA before the TDC

圖4為上止點后5°CA時刻在連接通道角度為35°，40°和45°下主燃室內(nèi)氣流的速度矢量分布狀況.從圖中可以看出，隨著連接通道角度的增大，主燃室內(nèi)混合氣速度不斷變大，混合氣的速度分布更加均勻.這是因為隨著連接通道角度的增大，渦流室內(nèi)的混合氣經(jīng)連接通道流入到主燃室的節(jié)流損失越小，阻力降低，使得混合氣進入主燃室更加容易，燃料與空氣的二次混合更加均勻.從反應動力學的觀點來看，主燃室中的燃燒速度在很大程度上取決于火焰與氧氣相互擴散、混合的速度.主燃室的火焰與氧氣的混合速度越快，噴出的火焰在主燃燒室越能迅速燃燒，由此可縮短燃燒過程的總時間，從而可獲得比較高的循環(huán)效率.因此，選擇45°連接通道傾斜角對柴油機渦流燃燒室的性能更加有利.

圖4 上止點后5°CA時刻不同連接通道傾斜角下缸內(nèi)速度場分布Fig.4 Distribution of in-cylinder flow field under the different connection channel tilt angle at 5°CA after the TDC

2.2 連接通道角度對主燃室溫度分布的影響

圖5 為不同連接通道傾斜角度(35°，40°，45°)下375°CA時缸內(nèi)溫度分布剖面圖.375°CA(上止點后15°CA)時缸內(nèi)燃燒處于擴散燃燒階段，分析此時的缸內(nèi)溫度分布更容易得出缸內(nèi)燃油混合氣的燃燒狀況.

從圖5可以看出，隨著連接通道角度的增大，主燃室內(nèi)渦坑處的溫度分布趨于均勻.在35°和40°時，在兩個渦坑處均出現(xiàn)了高溫斑點且在35°時更集中.這主要是因為此時主燃室內(nèi)混合氣的渦流速度比較低，造成燃油與空氣不能充分混合導致局部高溫區(qū)的出現(xiàn)，同時還可能引發(fā)主燃室內(nèi)后燃現(xiàn)象比較嚴重，造成碳煙生成量的大量增加.

綜合以上分析可以看出在圖5c)中，渦流室內(nèi)的燃油混合氣已經(jīng)充分噴入主燃室內(nèi)并且在主燃室內(nèi)進行了二次充分混合燃燒，所以主燃室內(nèi)渦坑處的溫度分布均勻，空氣得到充分利用，不存在局部高溫區(qū)，這有利于保證柴油機的動力性，降低燃油消耗.

圖5 不同連接通道傾斜角下缸內(nèi)溫度分布Fig.5 Temperature distribution under the different connection channel tilt angle

2.3 連接通道角度對噴霧燃燒的影響

連接通道傾斜角度對柴油機性能的影響主要在于影響氣體的貫穿度以及壓縮渦流和燃燒渦流強度等方面.因此，可以比較在通道長度和截面積一定，傾斜角度分別為 35°，40°，45°時對柴油機性能以及燃燒的影響.圖6～9為不同傾斜角度對最高燃燒壓力、最高燃燒溫度以及NOx和SOOT生成量的影響.由圖6，7可知，隨著連接通道傾斜角度的增大，燃燒室內(nèi)的最高爆發(fā)壓力升高，分別由35°的9.64 MPa 上升到 40°的 9.89 MPa 和 45°的10.01MPa;并且燃燒室內(nèi)的最高溫度分別由35°的1706K上升到40°的1752K和45°的1771K.這主要是由于隨著連接通道傾斜角度的增大，氣體流入渦流室的流動損失減小，所需消耗的活塞功減小.

圖6 不同連接通道傾斜角對缸內(nèi)壓力的影響Fig.6 Changes of cylinder pressure under the different connection channel tilt angle

圖7 不同連接通道傾斜角對缸內(nèi)溫度的影響Fig.7 Changes of cylinder temperature under the different connection channel tilt angle

由圖3可知，在上止點前5°CA時刻，渦流室內(nèi)的混合氣速度矢量隨著連接通道傾斜角的增大而減小，這在某種程度上更有利于燃料與空氣的混合和燃燒.但在保證燃料與空氣充分混合所需的渦流強度的同時，過高的氣流速度和越小的連接通道傾斜角度，越容易造成氣流撞擊渦流室壁面，造成流動損失增加，速度分布不均勻.同時過高的渦流室氣流速度也會引起壁面的傳熱損失大量增加.如果渦流過強，較多的燃油附在室壁上，濃混合氣進入主燃室較慢，對燃燒不利，并且渦流室柴油機的主要燃燒過程還是在主燃室內(nèi)進行的.從圖3可以看出，當活塞向下運行，渦流室內(nèi)的燃油混合氣噴入主燃室的時刻，此時45°連接通道主燃室內(nèi)的氣流速度更高，分布也更加均勻，更有利于燃油與空氣的充分混合與燃燒，從而提高了柴油機的動力性與經(jīng)濟性.

從圖8，9也可以看出，隨著傾斜角度的增大，缸內(nèi)的平均壓力和溫度變大.致使NOx的生成不斷增加，達到最大值后其生成量便基本保持不變.高溫、富氧以及氮與氧在高溫中長時間的滯留是影響柴油機燃燒過程中NOx生成量的3個決定因素.由于活塞下行，缸內(nèi)溫度降低，當降低至NOx的凍結(jié)溫度時其生成量便保持不變;而相反，由曲線的變化趨勢可看出，SOOT的生成量達到最大值后逐漸減少，且最大值出現(xiàn)的時刻相對提前.

圖8 不同連接通道傾斜角對NOx生成量的影響Fig.8 Changes of NOxproduction under the differentconnection channel tilt angle

圖9 不同連接通道傾斜角對SOOT生成量的影響Fig.9 Changes of SOOT production under the different connection channel tilt angle

缺氧、高溫和高壓是決定碳煙生成的主要因素.柴油機的非均質(zhì)、異相燃燒，尤其是燃料分子被燃燒產(chǎn)物或高溫火焰包圍等都會產(chǎn)生局部缺氧、高溫環(huán)境而生成大量的碳煙顆粒.隨著活塞下行，部分SOOT被氧化，同時缸內(nèi)壓力、溫度逐漸降低，SOOT生成量逐漸減少.

文中在保證其他原有設(shè)計的基礎(chǔ)上，只對渦流室與主燃室之間的鑲塊進行優(yōu)化設(shè)計即可實現(xiàn)3種連接通道角度的變化，故而保證了盡可能少的對原有基礎(chǔ)設(shè)計的修改，使優(yōu)化連接通道角度的目標更加易于實現(xiàn).同時，因為主燃室導流槽的位置和尺寸保持不變，為了與導流槽相適應就要求連接通道在鑲塊底面的位置及橫截面不變，因此在連接通道角度發(fā)生變化的同時連接通道的長度也應發(fā)生變化，范圍在2mm左右.由于這從根本上是連接通道角度變化引起的，所以文中把這部分長度變化的影響也歸結(jié)于連接通道角度變化的作用.

以上結(jié)論是由數(shù)值結(jié)果所得，其準確性尚需通過實驗進一步證實.文中將所得45°連接通道傾斜角對柴油機比較有利的結(jié)果與文獻［4，11］進行了對比分析，證明結(jié)果良好，此結(jié)果為渦流室柴油機在高速艇上的應用提供了重要參考.

3 結(jié)論

1)在上止點前5°CA時刻，隨著連接通道角度的增大，渦流室內(nèi)可燃混合氣渦流的速度不斷減小，但速度分布趨于均勻，連接通道內(nèi)的氣流運動趨于平穩(wěn).在速度相差不太大即對渦流室內(nèi)燃油與空氣的混合無明顯影響的情況下，這可以降低渦流室內(nèi)的傳熱損失，更有利于燃油混合氣在渦流室內(nèi)的分布，使混合氣更容易噴入主燃室中.

2)上止點后5°CA時刻隨著連接通道角度的增大，主燃室內(nèi)混合氣速度不斷變大，混合氣的速度分布更加均勻.燃料與空氣的二次混合更加均勻，在連接通道傾斜角為45°時，渦流室內(nèi)的燃油混合氣能夠充分噴入主燃室內(nèi)并且在主燃室內(nèi)進行了二次充分混合燃燒，所以主燃室內(nèi)的溫度分布均勻，不存在局部高溫區(qū)，這有利于保證柴油機的動力性，降低燃油消耗.

3)隨著傾斜角度的增大，燃燒室內(nèi)的最高爆發(fā)壓力和最高溫度升高，分別升高0.37 MPa和65 K，NOx的生成量增加，SOOT的生成量減少，改善了柴油機的動力性，降低了碳煙的排放.雖然NOx的排放有所增高，但滿足艇用柴油機的排放標準，因此選擇45°連接通道傾斜角對噴水推進艇用柴油主機最為有利.

References)

［1］ 周龍保.內(nèi)燃機學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010:129－131.

［2］ 馮文奇.傘狀噴霧在渦流室式柴油機中的應用研究［D］.遼寧大連:大連理工大學，2010.

［3］ 安西方.渦流燃燒室碰撞噴霧模擬分析［J］.柴油機，2011，33(3):8－13.An Xifang.Numerical simulation of the spray impingement in a swirl chamber［J］.Diesel Engine，2011，33(3):8 －13.(in Chinese)

［4］ 唐智，熊銳，劉芳，等.發(fā)動機渦流室連接通道對空氣流場影響的模擬研究［J］.廣東工業(yè)大學學報，2009，26(3):42－46.Tang Zhi，Xiong Rui，Liu Fang，et al.Simulation of the effects of the connecting passage on air flow field in the swirl chamber［J］.Journal of Guangdong University of Technology，2009，26(3):42 －46.(in Chinese)

［5］ 張志穎.燃油系統(tǒng)對高速車用渦流室式柴油機性能影響的研究［D］.上海:同濟大學，2005.

［6］ 鄧名華，徐智，蔣勇，等.渦流室柴油機燃燒系統(tǒng)參數(shù)對性能作用規(guī)律的研究［J］.江蘇理工大學學報，2000，21(1):24－28.Deng Minghua，Xu Zhi，Jiang Yong，et al.Study on laws of combustion system parameters affecting performance in swirl chamber diesel engines［J］.Journal of Jiangsu University of Science and Technology，2000，21(1):24 －28.(in Chinese)

［7］ 陳志超.渦流室式增壓柴油機噴霧燃燒過程三維數(shù)值模擬研究［D］.湖北武漢:華中科技大學2012.

［8］ 魏勝利，王忠，倪培永，等.單缸直噴柴油機渦流室燃燒系統(tǒng)外部增壓的實驗研究［J］.汽車工程，2011，33(8):649－652.Wei Shengli，Wang Zhong，Ni Peiyong，et al.An experimental research on external supercharging in DI diesel engine with swirl chamber combustion system［J］.Automotive Engineering，2011，33(8):649 －652.(in Chinese)

［9］ 周國斌，王本亮.風冷柴油機冷啟動性能的研究［J］.車用發(fā)動機，2006(5):16－19.Zhou Guobin，Wang Benliang.Research on capability of cold starting for small farming［J］.Vehicle Engine，2006(5):16 －19.(in Chinese)

［10］ 劉宇.直噴式柴油機渦流室燃燒系統(tǒng)的燃燒模擬［D］.遼寧大連:大連理工大學2007.

［11］ 馬儀，袁文華，伏軍，等.小型風冷柴油機鑲塊雙通道傾角對渦流特性的影響［J］.邵陽學院學報，2013，10(4):74 －78.Ma Yi，Yuan Wenhua，F(xiàn)u Jun，et al.Influence on swirl feature by the obliquity angle of two-channel insert block of small-scale air-cooled diesel engine［J］.Journal of Shaoyang University，2013，10(4):74 －78.(in Chinese)