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基于数值仿真分析的高强化柴油机燃烧室参数化设计

2018-12-03 23:37:10·  来源:文明 工作过程研究室  
 
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摘要:基于三维数值模拟的方法,研究了型燃烧室结构参数对高强化柴油机缸内燃烧过程的影响规律,通过对燃烧室结构参数中的口径比、出口角度、凹坑半径、凸台高度
摘要: 基于三维数值模拟的方法,研究了ω型燃烧室结构参数对高强化柴油机缸内燃烧过程的影响规律,通过对燃烧室结构参数中的口径比、出口角度、凹坑半径、凸台高度、凸台半径对缸内燃烧过程的规律研究,得出结论: 1 )指示功率随着口径的增加,先增加后减小,即存在一个最优的口径比使得指示功率最高,燃烧过程最优。 2 )指示功率随着出口角度的增加,先增加后减小,即存在一个最优的出口角度使得功率最高,燃烧过程最优。 3 )指示功率随着凹坑半径的增加几乎线性减小。 4 )凸台高度和凸台半径对指示功率和燃烧过程的影响较小。

0. 引言
高强化柴油机是目前柴油机发展的主要趋势。该类型柴油机具有功率密度高,体积功率大等特点。燃烧系统是高强化系数柴油机的关键,而燃烧室是燃烧系统的核心,目前高强化柴油机燃烧室对燃烧过程的影响规律研究比较缺乏。
本文研究的高强化柴油机采用ω型燃烧室,由于燃烧室的具体结构形状不同,使得燃烧室内气流特性的差别很大,这直接影响着喷雾与燃烧室内气流特性的匹配和混合情况。因此,研究燃烧室结构对燃烧过程的影响显得非常重要。ω型燃烧室设计5个独立设计参数,每个设计参数间往往存在着耦合关系,这种耦合关系非常复杂,本文通过对这5个独立设计参数的研究,找到其对燃烧过程的影响规律。

1. 仿真方案设计
1.1 研究对象及计算模型
研究对象为某高速柴油机,压缩比13,喷孔数10,孔径0.24mm,燃烧室计算网格如图1所示。
利用AVL公司的CFD模拟软件FIRE进行仿真计算,燃烧模型选用EBU燃烧模型,喷雾模型选用WAVE模型,燃油蒸发模型采用Dukowicz模型,液滴碰壁模型为Walljet模型。
图1  燃烧室仿真网格
1.2 计算模型标定
缸内压力曲线仿真标定见图2。从图2可以看出仿真结果和实验得到的缸内压力曲线走势相同,两条曲线基本吻合。且计算值与试验值之间最大误差不超过3%,这进一步验证了所建立仿真模型的准确性。
图2  缸内压力曲线仿真结果与实验结果对比
1.3 燃烧室的变参数设计
传统ω形燃烧室的形状由五个独立变量唯一决定,这五个变量分别为:喉口直径d,出口角度∠2,凹坑半径R2,凸台高度h和凸台半径R1。分别选取这五个独立变量作为下一步参数化设计的基础,燃烧室各主要参数见表1。
表1 ω形燃烧室参数列表
d(mm)
喉口直径
R2(mm)
凹坑半径
∠2(°)
出口角度
R1(mm)
凸台半径
∠1(°)
凸台倾角
h(mm)
凸台高度
H(mm)
燃烧室最大深度

ω型燃烧室主要利用进气涡流和压缩挤流来促进混合气形成和燃烧过程的进行。根据出口形式可将ω形燃烧室分成扩口燃烧室(出口角度>90º)、直口燃烧室(出口角度=90º)及缩口燃烧室(出口角度<90º)。本文针对三种燃烧室分别研究不同口径比、出口角度、凹坑半径、凸台高度、凸台半径下对燃烧过程的影响规律。燃烧室参数如表2所示,燃烧室网格如图3所示。
1.3.1燃烧室口径的变化
保持燃烧室体积固定、喉口直径变化,凸台半径和燃烧室深度随之变化。口径比的变化见图4。
图4 ω形燃烧室口径变化
     保持燃烧室体积固定,出口角度变化,凸台半径和燃烧室深度 H 随之变化。出口角度的变化系列见图 5 。
1.3.2 燃烧室出口角度的变化
图5ω形燃烧室出口角度变化
1.3.3凹坑半径的变化
保持燃烧室体积固定,凹坑半径变化,凸台半径和燃烧室深度H随之变化。凹坑半径的变化系列见图6。
图6ω形燃烧室凹坑半径变化
1.3.4凸台高度的变化
保持燃烧室体积固定,凸台高度变化,凸台半径和燃烧室最大深度随之变化。凸台高度的变化系列见图7。