羅 珒　張 亮　姚 源

燃燒室優(yōu)化

羅 珒1,2張 亮1,2姚 源1

（1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

提升現(xiàn)有發(fā)動機(jī)性能，對不同頂面形狀的活塞燃燒室的進(jìn)氣及燃燒過程進(jìn)行多維數(shù)值模擬分析。通過對缸內(nèi)氣體當(dāng)量均勻性、湍動能場、氣體平均速度、燃燒持續(xù)期等缸內(nèi)燃燒特征參數(shù)的影響確定優(yōu)化方案。其結(jié)果證明，合理改善燃燒室形狀可以有效改善發(fā)動機(jī)燃燒性能。

燃燒室；擠流；模擬分析

1　引言

運(yùn)用新的增壓及直噴技術(shù)可以大幅度提升發(fā)動機(jī)性能及滿足日益嚴(yán)格的法規(guī)要求，但是存在開發(fā)周期長及成本巨大的不足。主機(jī)廠在需要不斷提升現(xiàn)有發(fā)動機(jī)性能，填補(bǔ)新機(jī)型開發(fā)完成前的空白期。某1.2L自然吸氣發(fā)動機(jī)，考慮在保持或降低原機(jī)成本的基礎(chǔ)上，提升發(fā)動機(jī)性能，其主要考慮提升發(fā)動機(jī)效率，改善發(fā)動機(jī)燃燒。其中影響燃燒最直接的因素之一是發(fā)動機(jī)燃燒室，保持發(fā)動機(jī)壓縮比不變，改變擠氣間隙、活塞頂形狀及擠氣間隙，提升燃燒性能。

2　建模與分析

2.1建模

本文以某市自然吸氣發(fā)動機(jī)為研究項(xiàng)目，選擇建立單缸模型，主要由進(jìn)排氣道、進(jìn)排氣門、氣門座圈、缸蓋燃燒室和活塞燃燒室組成。建立發(fā)動機(jī)燃燒模型的瞬態(tài)模型，其初始條件根據(jù)一維分析結(jié)構(gòu)分別對進(jìn)排氣道和缸內(nèi)賦值。其邊界分為四個區(qū)域：缸孔內(nèi)壁為固定壁面，設(shè)定溫度500K；進(jìn)氣門表面及缸蓋地面燃燒室為固定壁面，設(shè)計(jì)溫度為400K；排氣門表面為固定壁面，設(shè)定溫度為450K；活塞頂面為運(yùn)動面，設(shè)定溫度為525K。定義活塞銷孔方向?yàn)閄方向，裙部方向?yàn)閅方向。［1-3］

2.2方案設(shè)定

本文的主要目的是通過改善活塞頂部燃燒室進(jìn)而提升燃燒性能，即通過改善燃壓縮行程和火焰形成過程中的湍動能，使燃燒氣體更快更充分混合，同時提升燃燒速率。本文中涉及的方案更改也主要從提升湍動能出發(fā)，主要考慮增加擠流效果。

本文在原燃燒室的基礎(chǔ)上，改變?nèi)紵覕D氣間隙θ、燃燒室深度H、燃燒室底徑L和圓角R，其具體尺寸如表1所示：

方案1：加大擠流區(qū)域長度，保留原燃燒室擠氣間隙θ，加大燃燒室深度H，同時減小燃燒室底徑L及圓角R。

方案2：加大擠流區(qū)域面積，保留原燃燒室深度H及底徑R，加大擠氣間隙θ。

圖1　(X方向)燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖

表1　燃燒室方案參數(shù)

2.3分析結(jié)果

通過AVL-FIEE軟件建立燃燒室模型，選著1000RPM、2000RPM和5500RPM下的瞬時燃燒模型進(jìn)行分析，主要關(guān)注湍動能和空燃比均勻性。

圖2　湍動能對比圖

圖3　空燃比均勻性對比圖

表2　缸內(nèi)燃燒特征值

圖2湍動能對比圖顯示：

1000RPM轉(zhuǎn)速下，原方案的湍動能在整個燃燒室區(qū)域分布均勻；方案1在X方向上集中在進(jìn)氣區(qū)域，在Y方向上分布相對均勻；方案2的湍動能都集中在進(jìn)氣區(qū)域。

2000RPM轉(zhuǎn)速下，原方案相對于1000RPM轉(zhuǎn)速下僅中心區(qū)域湍動能能量增大，分布依然均勻；方案1則相對1000RPM轉(zhuǎn)速下的湍動能有明顯提升，X、Y方向上均布滿整個燃燒，能量也有明顯提升；方案2也有所提升，但是依然集中于進(jìn)氣區(qū)域。

5500RPM轉(zhuǎn)速下，原方案的湍動能相對于2000RPM轉(zhuǎn)速沒有明顯改變；方案1則變化明顯，中心區(qū)域湍動能能量增加明顯；方案2的湍動能分布趨于中心，能量無明顯提升。

通過圖2湍動能對比圖可以看出，方案1和方案2在低轉(zhuǎn)速下的湍動能相對與原方案較差。隨著轉(zhuǎn)速升高，方案1的湍動能更為有優(yōu)勢。

圖3空燃比均勻性對比圖顯示：

1000RPM轉(zhuǎn)速下，原方案在進(jìn)氣側(cè)邊緣擠氣區(qū)域的空燃比均勻性不是很好；方案1均勻性相對較好；方案2在X方向上均勻性略差。

2000RPM轉(zhuǎn)速下，原方案在進(jìn)氣側(cè)擠流區(qū)域和排氣門區(qū)域的空燃比均勻性較差；方案1同原方案情況類似，但在邊緣區(qū)域的空燃比均勻性更差；方案2在該轉(zhuǎn)速下的空燃比均勻性明顯優(yōu)于其他兩個方案。

5500RPM轉(zhuǎn)速下，原方案在邊緣擠氣區(qū)域的空燃比均勻性較差；方案1整體均勻性較好；方案2優(yōu)于原方案，略遜于方案1。

通過圖3空燃比均勻性對比可以看出放原方案在低轉(zhuǎn)速下優(yōu)于方案1和方案2，隨轉(zhuǎn)速升高，方案1和方案2的均勻性則有大幅度提升。

通過以上對比，再結(jié)合表2的缸內(nèi)燃燒特征值數(shù)據(jù)可知，方案1和方案2的擠流效果明顯改善，數(shù)據(jù)也顯示方案1和方案2的空燃比均勻性更好?？杖急染鶆蛐詫θ紵€(wěn)定性及爆震有較為重要影響。同時通過表2中的數(shù)據(jù)可以看出方案1在各個轉(zhuǎn)速下的平均燃燒速度較快，導(dǎo)致其方案的燃燒持續(xù)期比率較低。其中燃燒持續(xù)期比率直接體現(xiàn)發(fā)動機(jī)爆震傾向，因此，原燃燒室更趨向于爆震。

總體而言，方案1和方案2均對燃燒性能有一定的提升，其中方案1優(yōu)于方案2。

實(shí)際發(fā)動機(jī)項(xiàng)目最終采用方案1，并推廣其同一平臺項(xiàng)目，整機(jī)性能均有提升。

3　結(jié)論

本文在現(xiàn)有發(fā)動機(jī)項(xiàng)目上優(yōu)化燃燒性能，考慮通過更改活塞燃燒室形狀，分析其對燃燒的影響。通過在原燃燒室方案的結(jié)構(gòu)上，主要更改擠流區(qū)域的幾何尺寸，考慮增大擠流效果。其分析結(jié)果顯示改善是有效的，其中方案1中加深燃燒室深度的更改影響更為明顯。

因此改善燃燒室內(nèi)的擠流效果，可以較大提升發(fā)動機(jī)燃燒性能。通過加大燃燒室深度，也可以提升燃燒室內(nèi)湍流強(qiáng)度，提升燃燒速率，獲得更好的燃燒性能。［4，5］

［1］ 周寶龍.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［2］ 周磊，趙長祿，張付軍，等.利用燃燒模擬對柴油機(jī)燃燒室的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2004，（5）：465-470.

［3］ 劉志恩.內(nèi)燃機(jī)燃燒室多體耦合系統(tǒng)三位瞬態(tài)傳熱模擬及應(yīng)用研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2007.

［4］ 黃忠文，秦際宏，藍(lán)志寶，等.擠流對汽油機(jī)燃燒過程影響的數(shù)值模擬分析研究［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2015，（1）：31-35.

［5］ 宋賀.擠流燃燒室對通用小型汽油機(jī)排放性能影響及研究［D］.天津：天津大學(xué)，2010.

Optimizing for piston combustion crown

To promote the engine performance， there was used numerical simulation to study the engine combustion with different piston combustion crown. The optimized design was confirmed by the combustion characteristic parameters such as Eq ratio uniformity，turbulence kinetic Energy，mean velocity，burn duration ratio. The result confirmed that reasonable improved the geometry of piston crown could promote the combustion performance.

Combustion crown； squish flow； numerical simulation

Q813.11

A

1008-1151（2016）02-0074-03

2016-01-08

羅珒（1986－），女，湖北黃岡人，上海交通大學(xué)在職研究生，上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師，研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)零部件設(shè)計(jì)。