新聞主題	如何評價柴油機燃燒室內氣流特性

 

摘要：實際發電用柴油機，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。同時康明斯公司在本文中綜述了燃燒室形狀的發展歷程，并分析它們的優劣點，為今后提高功率和改善熱強度提供了理論基礎。

 

一、燃燒室的定義與作用

 

      內燃機是目前應用最廣泛，熱效率最高的熱動力源機械，在國民經濟和國防的各個領域，都占據重要的地位。如今，能源問題日益嚴峻，對內燃機的性能要求越來越苛刻，特別是在交通運輸方面。隨著人類愈加清楚能源形勢的變化，如何提高柴油機的效率、改善柴油機的熱強度已經越來越受到人們的關注。經研究，改變活塞的燃燒室形狀可以提高柴油機的效率，但是對活塞熱強度有相當大的影響。

      活塞作為柴油機最重要的零件之一，工作環境惡劣，不僅承受周期往返的沖擊力，同時高溫對其帶來的熱負荷也是需要重視的。當活塞位于上止點時，活塞頂面以上、汽缸蓋底面以下所形成的空間稱為燃燒室，它不僅為燃氣的混合和燃燒提供了空間，而且為得到良好的燃燒組織了合理的氣流，其結構與燃油系統元件的匹配效果會直接影響柴油機的性能和工作效率，所以為滿足高效率、高強度活塞的市場要求，燃燒室形狀的優化對內燃機的發展是有相當大的促進作用。

 

二、燃燒室的分類與發展

 

      柴油機按不同特征可以有不同的分類，如果按燃燒室的型式可分為直接噴射式、渦流室式和預燃室式柴油機等，而燃燒室的型式按組織燃燒過程的特點和結構不同又分為開式、半開式、渦流式和預燃室式。

1、開式燃燒室

      開式和半開式燃燒室是屬于直接噴射式柴油機的，其中開式燃燒室是由活塞頂面與汽缸蓋平面組成一個淺而寬的凹坑，這個凹坑有很多形狀，但主要采用的是平頂形和半球形。在20世紀50年代初，平頂形燃燒室還是絕大多數機型首選的柴油機燃燒室形狀。它主要優勢體現在結構簡單，制造成本低，汽缸蓋結構也比較簡單，不易發生熱變形。它的缺點就是噴油壓力要求比較高，最大噴油壓力達到100 MPa，為滿足燃油在燃燒室內的充分混合，它的燃燒壓力比較大，產生較大的噪聲，容易發生爆燃。

      半球形英文表達為"hemispherical"，因此半球型燃燒室發動機又稱為Hemi發動機，它的特點是進排氣門均采用與活塞頂面不平行的角度布置，利用氣體的流動提升氣缸的進排氣效率，從而提高發動機的燃燒效率，增加其產生的功率。而這種傾斜式缸蓋結構一直沿用至今，它使柴油機進入了高速高動力時代。

2、半開式燃燒室

      半開式燃燒室是在活塞頂部有一個較深而窄的凹坑，并且缸蓋頂部安裝有多個噴孔的噴油器。燃燒室里面混合氣的形成不再是像開式燃燒室一樣，只依賴于噴射能量，而是由進氣渦流、噴射能量以及凹坑的進氣擠壓3種氣流相互作用而成的。半開式燃燒室按照其具體形狀主要分為深ω型、四角型和球型燃燒室3種。

（1）深ω型燃燒室

      深ω型燃燒室就是表示燃燒室為ω形狀，它的空氣利用率較開式燃燒室提高了不少，主要是由于凹坑中心的凸起修正了中心區域氣流運動很弱的缺陷，并且使進來的燃油在燃燒室中形成了渦流，空氣運動以進氣渦流為主，擠壓渦流為輔，確使燃燒室更容易形成均勻的混合氣，故起動性能比較好，然而由于它對噴油器的要求比較高，噴孔比較容易堵塞，導致工作粗暴，排氣污染比較嚴重。這種燃燒室廣泛應用在中小型高速柴油機上。結構與形狀如圖1、圖2所示。

 

圖1  柴油機深ω型燃燒室結構位置圖

圖2  柴油機深ω型燃燒室形狀剖面圖

 

 

（2）四角型燃燒室

      四角型燃燒室是ω型燃燒室的變形和改進，其活塞頂凹坑的上部為四邊形，下部為回轉體，而連接處都是圓滑過渡。這一形狀的設計，主要是利用了特殊的邊角會對空氣渦流有破碎、聚合、重組這一原理，例如上部的四邊形的幾個邊就是為有利于產生微渦流而存在的，增強空氣的渦流，有助于提高柴油機的轉速適應性，相對于ω型燃燒室，它的排放得到相當大的改善。

（3）球型燃燒室

      球型燃燒室是位于活塞頂部的類似球形的凹坑，結構形狀如圖3所示。深ω型和四角型燃燒室都是采用空間式燃燒原理，而球型燃燒室運用的是以油膜蒸發混合為主的燃燒機制，此類燃燒過程平穩，燃燒完全，缺陷就是低溫起動比較困難。為解決這一問題，中國的史紹熙等在1964年發明了復合式燃燒室，它利用特殊形狀的進氣燃燒特點，在高速時具有油膜燃燒的特點，低速時則具有空間式燃燒的特點，于是徹底地改善了冷起動性能。

3、渦流燃燒室和預燃式燃燒室

      渦流式燃燒室由兩個部分組成，分別是渦流室和主燃燒室。渦流室位于氣缸蓋上，一般呈球形或倒鐘形，占總壓縮容積的70%左右，而主燃燒室在活塞頂部，兩者是通過一個或若干個切向通道連接。它的原理就是首先利用空氣的定向流動而產生渦流，而當渦流室的燃氣流入主燃室時就會形成二次渦流，這樣就能夠使空間內的燃氣充分燃燒，排氣質量也提高。這就使小型發動機擁有更高的轉速和轉矩。

      預燃室與渦流室有一點相似（如圖4所示），也分布在氣缸蓋上，只是占的壓縮容積就比較小，再者它的預燃室和主燃室不是相切連接，截面積也相對比較窄。它的燃燒特點是空氣在預燃燒室內形成強烈的無組織的紊流，燃料先在預燃室與紊流空氣混合部分燃燒，利用燃燒產生的能量把剩余的燃油噴入主燃燒室，同時形成了強烈的空氣運動，促使燃料與空氣混合均勻，燃燒充分。這種燃燒室適用于中小功率柴油機。

 

圖3  柴油機球形燃燒室結構位置圖

圖4  柴油機預燃式燃燒室結構位置圖

 

 

二、氣缸內流場特性的分析

 

      缸內流場特性的分析方法有試驗法和模擬計算分析法。

1、試驗法

       為了測量實際流場特性，采用光學柴油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，且光學柴油機與實際柴油機在結構上很難實現完全一致。

2、模擬計算分析法

      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5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。

      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。

 

 

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）；s_cgφ1為φ₁點上的壓縮滾流強度峰值；

s_cg（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s_cg（φ）。之后再根據式（公式1），求出滾流強度保持性S_w。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

 

 

      圖6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。可見傳統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。

 

圖5  燃燒室縱斷面示意圖

圖6  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7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。

 

圖7  不同縮口型燃燒室底部凸起形狀對排放特性的影響

 

總結：

      缸內空氣運動的宏觀流動以及湍流運動能顯著的影響燃油與空氣的混合，傳熱以及燃燒速度。現代內燃機的燃燒系統需要一個完善理想的經過校準了的渦流/滾流以便獲得優化的發動機性能，因此，出于對排氣污染以及發動機效率的考慮，缸內空氣運動的檢測變得越來越重要。對氣缸蓋，進氣管進行流動試驗可幫助發動機設計師們加深理解并優化流動性能和缸內氣流運動。

 

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