于文妍，尹成明

(内蒙古科技大学 机械工程学院，内蒙古 包头 014010)

柴油机燃烧室不同结构对缸内流场的影响分析*

于文妍，尹成明

(内蒙古科技大学 机械工程学院，内蒙古 包头 014010)

运用三维建模软件Pro/E、有限元分析软件ANSYS Workbench和流体分析软件CFX三种软件进行联合仿真，研究燃烧室结构对柴油机缸内的速度场及压力场影响。先运用Pro/E进行三维建模，再通过ANSYS Workbench对其划分网格，最后通过ANSYS Workbench中的CFX模块对其不同燃烧室形状进行速度场及压力场分析，所得结果对分析提高燃油利用率和燃烧效率，为燃烧室的形状优化提供了依据。

有限元；流体；速度场；压力场

1 引 言

柴油机燃烧过程的好坏对发动机的动力性、经济性和排放起非常重要的影响。燃油与空气的合理混合是影响柴油机燃烧过程的重要因素,燃油与空气混合良好,不仅可缩短燃烧持续期,提高经济性和动力性,而且对发动机某些排放指标的改善也起较重要作用。对直喷式柴油机而言,燃油与空气的混合速率主要取决于燃油动能及空气运动能量[1]。目前国际上柴油机有采用高喷油压力、低进气涡流的趋势，而且喷油压力最高可达180 MPa以上[2]。由于我国供油系统与国外有一定的差距,只靠供油系统不能得到满意的混合效果,还需合理组织燃烧室内的气体运动以弥补喷射能量的不足。

发动机试验研究表明,燃烧室形状对于缸内的气流运动有非常明显的影响。随着计算机技术的发展,现在已可对缸内的三维流动进行模拟计算,不仅节省试验费用,缩短试验周期,还可获得试验难以测量或不能测量的数据,从而对缸内流动进行定性定量分析成为可能。通过利用计算内燃机缸内气体流动、计算不同形状的燃烧室内的气体流动,并结合试验结果,分析燃烧室形状对缸内气体流动和发动机性能的影响[3]。

2 计算方案

2.1 柴油机参数

1台直喷式六缸柴油机,气缸直径为106 mm；行程为125 mm；标定转速为2 300 r/min；标定功率为155 kW；压缩比为17.5；进气涡流比为2.3。

2.2 柴油机燃烧室构成

如图1所示，此柴油机进气口高、出气口低，便于尽可能多排出一些废气，使其燃烧充分。

图1 柴油机燃烧构成

3 模型的建立及网格的划分

3.1 模型的建立

为了考察不同燃烧室形状对其速度流场和压力流场的影响，设计了四种燃烧室形状，燃烧室主要结构参数如图2所示。

图2(a)是w型半开式燃烧室，该燃烧室通过燃烧室内壁的曲率的变化，使进来的空气产生一个径向旋流，由此使喷雾更加理想。(b)是由(a)中局部修改而来，改变了斜率的变化率，增加流动的复杂性。(c)也是(a)的一个变形，(c)的缩脖长于(a)，主要是探讨燃烧室上部高度和压缩比对于流动的影响。(d)是一个燃烧室凹坑曲率比较平缓的情况，来验证对流动的影响。

图2 四种燃烧室形状

3.2 网格的划分

在Pro/E中建立计算区域几何模型,将几何模型导入ANSYS Workbench中的CFX mesh模块进行网格划分。在划分网格之前应对导入的计算区域几何模型进行修复,采用四面体非结构化网格对燃烧室几何模型进行区域离散,计算区域网格，上述四种燃烧室划分后的单元数基本都在15万左右。

4 气缸和燃料的初始边界条件

计算模拟的对象为柴油机处于上止点时，假设缸内气体均匀分布,在发动机机缸内仿真过程中,模拟的基本计算方程组由质量守恒方程、能量守恒方程、组分守恒方程、动量守恒方程、及湍流模型方程组成[1]。经实验测量，气缸和燃料的初始边界条件如表1所列。

表1 初始边界条件

5 计算结果和分析

随着活塞向上运动,运动到上止点时，活塞顶面与缸盖底面间的间隙逐渐减为最小,缸内气体受到压缩作用,气流从挤压区逐渐流向燃烧室[4]。

5.1 不同燃烧室的速度场变化分析

如图3所示为缸内气流运动的速度矢量图，由于燃烧室形状的差异,图3中(b)型燃烧室的流动最高速度最高为57.2 m/s，(a)型次之，其后是(c)型，(d)型最小为54.05 m/s。根据气体运动速度越快，气体之间的碰撞越激烈，从而使燃料燃烧越充分。由此可见(d)型燃烧室比其他三种燃烧室更加有利于燃料燃烧，从而提高燃料的利用率，节省燃料。

图3 燃烧室内速度场分析

5.2 不同燃烧室的压力场变化分析

如图4所示为缸内气体产生的压力场分布情况，(a)型燃烧室压力值为6.177 MPa，(b)型燃烧室压力值为5.214 MPa，(c)型燃烧室压力值为4.284 MPa，(d)型燃烧室压力值为11.29 MPa。在材料允许的情况下，压力值越高，对柴油机的输出动力越好；在材料不允许的情况下，缸内承受的压力越大，对气缸壁、缸盖、活塞的失效、破坏越严重[5]。

图4 燃烧室内压力场分析

6 结 论

在计算参数设置完全一样的条件下,只改变燃烧室的形状,对某柴油机燃烧室流场情况进行了计算,由计算结果可得出如下结论。

(1) 燃烧室低部光滑会适当减少燃烧室内部气体的流动，燃烧室低部斜率的变化率对内部气体的流动有一些影响。

(2) 燃烧室体积的增大即凸台增高，会减少气体的流动和缸内的压力。

(3) 燃烧室凹坑曲率较平缓对于缸内的压力有相对较大的影响。

[1] 郜 冶. 湍流场特性对燃烧室温度场的作用[J].空气动力学学报,2000(3):81-85.

[2] Xui J S L, Xiong Z, Zhang Y Q. 3D Embedded Subband Coding with Optimal Truncation(3D-ESCOT)[J].Applied and Computa-tional Harmonic Analysis, 2001(10):589.

[3] 王锡斌,马志豪,蒋德明. 燃烧室几何形状对缸内气体流动和发动机性能的影响[J].内燃机工程,2002(2):6-11.

[4] Kim B J, Xiong Z, Pearlman W A. Very Low bit-rate Em-bedded VideoCodingwith 3-D SetPartitioning inHierarchicalTrees(3D-SPIHT)[J].IEEE Trans on Circ. and Syst. for Video Tech., 2000(8):1365-1374.

[5] 谢 琰,席明智,刘晓丽. 柴油机缩口四角 ω 燃烧室活塞温度场试验研究[J].内燃机,2010(2):37-40.

Impact Analysis of Cylinder Flow Field of Diesel Engine Combustion Chamber with Different Structure

YU Wen-yan, YIN Cheng-ming

(DepartmentofMechanicalEngineering,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,BaotouInnerMongolia014010,China)

Co-simulation with 3D modeling software Pro/E， ANSYS Workbench and fluid analysis software CFX are made. The effect of speed field and pressure field of the structure of combustion chamber of diesel engine are researched. Three-dimensional model is established by using Pro/E, then grid is divided by using ANSYS Workbench. Finally,the pressure field and velocity field of different combustion chamber shapes are analyzed based on CFX module of ANSYS Workbench. These results of analysis can be used to improve the utilization rate of fuel and combustion efficiency，which can also provide the basis for the shape optimization of the combustion chamber.

finite element; fluid; velocity field; pressure field

2013-11-08

于文妍(1962-)，女，内蒙古包头人，教授，主要从事机电液一体化系统研究与应用方面的工作。

U664

A

1007-4414(2014)01-0065-02