解方喜，王金港，竇慧莉，李佳星，王 斌，洪 偉

（1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022；2.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；3.一汽解放汽車有限公司商用車開發(fā)院，長(zhǎng)春 130000）

前言

點(diǎn)火系統(tǒng)是點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵核心部件之一，其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性等均有非常顯著的影響和作用。預(yù)燃室熱射流點(diǎn)火是當(dāng)前高性能點(diǎn)火系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要技術(shù)方向，相比常規(guī)火花塞點(diǎn)火系統(tǒng)，預(yù)燃室熱射流點(diǎn)火系統(tǒng)可顯著提高主燃室混合氣獲得的點(diǎn)火能量，并實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)點(diǎn)火，進(jìn)而使得主燃室混合氣燃燒速率與燃燒穩(wěn)定性提升、稀燃極限增大，具有大幅改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放性能的潛力［1-2］。

預(yù)燃室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是熱射流點(diǎn)火系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵，若預(yù)燃室結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配不當(dāng)，不僅無法達(dá)到高效應(yīng)用的目的，甚至?xí)率拱l(fā)動(dòng)機(jī)某些性能指標(biāo)惡化。文獻(xiàn)［3］中指出降低預(yù)燃室噴孔直徑能提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒速率，但當(dāng)噴孔的直徑降低到一定閾值以后，會(huì)使稀燃條件下的燃燒速度減緩，燃燒穩(wěn)定性惡化。文獻(xiàn)［4］中發(fā)現(xiàn)當(dāng)預(yù)燃室容積較小時(shí)理想的射流難于形成，在一定范圍內(nèi)增大預(yù)燃室容積可使主燃室獲得更高的點(diǎn)火能量；但當(dāng)預(yù)燃室容積過大，主燃室著火將早于射流噴射結(jié)束，燃燒效率降低。文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［6］中研究了預(yù)燃室若干結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)大缸徑天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的影響。結(jié)果表明，噴孔總截面積相同的情況下，噴孔數(shù)量較多、孔徑較小時(shí)會(huì)引發(fā)較高的節(jié)流損失，而噴孔數(shù)量較少時(shí)，射流火焰的強(qiáng)度和廣度難以得到保證。文獻(xiàn)［7］中同樣指出雖然噴孔數(shù)量、大小、夾角等方面的結(jié)論與他人研究工作在定性上基本一致，但在定量上仍存在顯著差異。此外，還有一些學(xué)者基于定容燃燒彈、光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)等針對(duì)不同預(yù)燃室結(jié)構(gòu)下的混合氣形成、熱射流引燃和燃燒特性進(jìn)行了探究，并獲得了很多有價(jià)值的結(jié)論［8-12］。

本質(zhì)上，預(yù)燃室熱射流點(diǎn)火系統(tǒng)主要依靠其形成的熱射流引燃和控制主燃燒室的燃燒過程，進(jìn)而熱射流自身高質(zhì)量形成和組織會(huì)對(duì)主燃燒室燃燒過程乃至整機(jī)性能都會(huì)起著決定性的影響和作用。然而，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外相關(guān)預(yù)燃室結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究主要集中于其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放等宏觀性能的影響方面，對(duì)于熱射流自身發(fā)展和演變過程缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)和了解。故而，本文基于一可視化定容燃燒彈利用Converge軟件建立了汽油熱射流發(fā)展和演變歷程仿真模擬平臺(tái)，同時(shí)，進(jìn)一步細(xì)致探討了預(yù)燃室上部結(jié)構(gòu)形式及下部面容比和截面比等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熱射流特性的影響，以期為熱射流高效組織與預(yù)燃室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 仿真平臺(tái)的搭建

1.1 研究對(duì)象與網(wǎng)格劃分

為聚焦對(duì)熱射流發(fā)展和演變歷程的研究，本研究開發(fā)了可視化定容燃燒彈系統(tǒng)。該定容燃燒彈主燃室內(nèi)部的空腔為兩個(gè)相交的圓柱體，在定容燃燒彈兩側(cè)以及底部裝有圓柱形石英玻璃，石英玻璃的直徑為132 mm，厚度為52 mm。因定容彈兩側(cè)面裝有透明玻璃，故可采用紋影系統(tǒng)對(duì)熱射流圖像進(jìn)行采集。圖1所示為預(yù)燃室高能點(diǎn)火系統(tǒng)熱射流特性試驗(yàn)臺(tái)架的實(shí)物圖，在預(yù)燃室頂部放置有獨(dú)立燃料供給和點(diǎn)火系統(tǒng)（見圖2）。同時(shí)，本文的試驗(yàn)研究使用95#汽油進(jìn)行。

圖1 可視化定容燃燒彈試驗(yàn)平臺(tái)

圖2 預(yù)燃室點(diǎn)火系統(tǒng)安裝實(shí)物圖

采用Proe軟件對(duì)定容燃燒彈幾何模型進(jìn)行了繪制，繪制完成后將其導(dǎo)入Workbench軟件中，生成表面網(wǎng)格。在進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，確定基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為4 mm×4 mm×4 mm，并根據(jù)溫度和速度梯度進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格加密，最高加密等級(jí)為3級(jí)。此外，在火花塞附近和整個(gè)預(yù)燃室分別進(jìn)行了5級(jí)和3級(jí)固定加密，相應(yīng)位置的最小網(wǎng)格尺寸分別為0.125和0.500 mm。所述網(wǎng)格加密策略可使計(jì)算結(jié)果收斂，采用更小的基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸和更高的加密等級(jí)后，缸內(nèi)壓力計(jì)算結(jié)果的差異小于3%。

1.2 數(shù)值模型

RNGk-ε模型適用于不同的雷諾數(shù)，計(jì)算精度高而且耗費(fèi)的時(shí)間少，本文計(jì)算過程中選用RNGkε模型進(jìn)行湍流的模擬。燃燒模型選取的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響到缸內(nèi)壓力和溫度的變化，本文選用SAGE模型對(duì)燃燒過程進(jìn)行模擬，利用異辛烷作為汽油模擬表征燃料，該機(jī)理通過對(duì)48種化學(xué)組分和152個(gè)基本化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行求解計(jì)算［13］。預(yù)燃室內(nèi)部的混合氣需要火花塞進(jìn)行點(diǎn)燃，Converge仿真軟件中采用Source∕Sink modeling模型來模擬火花塞點(diǎn)火的過程。本文在火花塞間隙處構(gòu)建了一個(gè)直徑為1.5 mm的球形區(qū)域，來建立能量堆積模型。

1.3 模型驗(yàn)證

圖3所示為噴射壓力5與7 MPa、環(huán)境背壓為0.1 MPa下的汽油噴霧特性試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比。從圖中可以看出，試驗(yàn)與仿真的噴霧貫穿距和形貌基本相同，所選用的噴霧模型較為合理，可以用于預(yù)燃室內(nèi)部混合氣形成的仿真計(jì)算研究。

圖3 試驗(yàn)噴霧圖像和仿真噴霧圖像的對(duì)比

同時(shí)，研究中針對(duì)353 K定容燃燒彈初始環(huán)境溫度、0.5 MPa初始環(huán)境壓力、5 MPa噴射壓力、1.5 ms噴射持續(xù)時(shí)間、55 ms油氣混合時(shí)間條件下的預(yù)燃室內(nèi)燃燒壓力和熱射流發(fā)展特性進(jìn)行了測(cè)試。仿真研究中設(shè)置點(diǎn)火時(shí)刻與試驗(yàn)的放電控制信號(hào)時(shí)刻相同。圖4所示為仿真的預(yù)燃室壓力與試驗(yàn)的預(yù)燃室壓力對(duì)比，在圖中給出了2組試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出，兩次試驗(yàn)曲線具有很好的重復(fù)性，且仿真曲線與試驗(yàn)曲線的趨勢(shì)基本一致。

圖4 試驗(yàn)與仿真的預(yù)燃室壓力對(duì)比圖

當(dāng)預(yù)燃室內(nèi)的混合氣被點(diǎn)燃后，會(huì)存在一部分未燃混合氣因預(yù)燃室內(nèi)部壓力的急劇升高而被壓入主燃室內(nèi)，研究者將這部分噴入主燃室內(nèi)的未燃混合氣稱之為冷流。當(dāng)冷流噴射階段結(jié)束后，射流火焰通過射流噴孔噴入主燃室內(nèi)，從而引起主燃室內(nèi)部密度發(fā)生劇烈變化。圖5所示為點(diǎn)火后不同時(shí)刻試驗(yàn)紋影圖像與仿真圖像的對(duì)比圖。從圖中可以看出，在冷流噴射階段與射流火焰噴射發(fā)展階段，試驗(yàn)圖像與模擬計(jì)算圖像均吻合較好。

圖5 試驗(yàn)圖像與仿真圖像的對(duì)比

綜合對(duì)比試驗(yàn)和仿真的預(yù)燃室內(nèi)部壓力曲線以及主燃室內(nèi)紋影圖像，可以看出仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，從而驗(yàn)證仿真所選用模型的準(zhǔn)確性較高，可用于本文的模擬仿真研究。

1.4 預(yù)燃室結(jié)構(gòu)研究方案

在本文研究中，定容燃燒彈的初始環(huán)境溫度設(shè)置為600 K，初始環(huán)境壓力為1 MPa，噴射壓力為15 MPa。圖6所示為熱射流計(jì)算的噴油和點(diǎn)火設(shè)置時(shí)序圖。在計(jì)算開始后即向預(yù)燃室內(nèi)噴入燃油，噴油開始后55 ms設(shè)置火花塞點(diǎn)火。

圖6 熱射流計(jì)算的時(shí)序示意圖

研究不同預(yù)燃室結(jié)構(gòu)參數(shù)影響時(shí)，預(yù)燃室總?cè)莘e保持不變。進(jìn)行預(yù)燃室下部結(jié)構(gòu)參數(shù)研究時(shí)，上部結(jié)構(gòu)形式和容積保持不變（見圖7形狀1）。下部結(jié)構(gòu)參數(shù)選取面容比和截面比兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行了探討。面容比定義為預(yù)燃室噴孔截面積與預(yù)燃室容積的比值，研究中預(yù)燃室整體結(jié)構(gòu)保持不變，通過調(diào)整噴孔直徑來改變預(yù)燃室面容比。截面比定義為預(yù)燃室噴孔截面積與預(yù)燃室下部圓柱截面積的比值，研究中噴孔直徑設(shè)定為4.46 mm，通過調(diào)整下部圓柱截面積改變截面比，并且通過下部圓柱長(zhǎng)度適應(yīng)性調(diào)控實(shí)現(xiàn)預(yù)燃室容積不變。

進(jìn)行預(yù)燃室上部結(jié)構(gòu)形式研究時(shí)，預(yù)燃室下部分結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，噴孔數(shù)量設(shè)置為1，噴孔直徑為2 mm，且上部分最大孔徑保持一致。圖7所示為研究中選取的4種不同上部結(jié)構(gòu)的預(yù)燃室示意圖。形狀1上部為圓臺(tái)結(jié)構(gòu)，形狀2上部為圓柱結(jié)構(gòu)，形狀3上部為圓柱+圓臺(tái)結(jié)構(gòu)，形狀4上部為圓柱+圓柱結(jié)構(gòu)。

圖7 不同上部結(jié)構(gòu)預(yù)燃室的形狀示意圖

為更加直觀地對(duì)比不同的預(yù)燃室形狀下，射流火焰的貫穿距和面積的大小，運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)溫度高于700 K主燃室內(nèi)射流火焰邊界進(jìn)行了提取，并計(jì)算出了相應(yīng)的貫穿距和面積。

為便于對(duì)比分析，在進(jìn)行預(yù)燃室燃燒過程研究中，選定點(diǎn)火時(shí)刻作為零點(diǎn)。對(duì)于熱射流特性研究，考慮到對(duì)于不同預(yù)燃室結(jié)構(gòu)其熱射流物質(zhì)從噴孔噴出時(shí)刻會(huì)存在差異，且在預(yù)燃室實(shí)際應(yīng)用中射流物質(zhì)從噴孔噴出時(shí)刻在一定程度可通過點(diǎn)火提前角進(jìn)行調(diào)控；同時(shí)，主燃室的引燃和燃燒情況可能受熱射流的貫穿距離和分布面積的影響更大，故而，選定射流火焰噴入主燃室時(shí)刻作為零點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 預(yù)燃室下部面容比對(duì)射流特性的影響

圖8為噴油后50 ms時(shí)不同面容比的預(yù)燃室內(nèi)當(dāng)量比分布圖。圖9進(jìn)一步給出了0.03 cm-1面容比下0.4-1.6 ms的當(dāng)量比分布圖。研究中燃油噴射量設(shè)置為1.8 mg。從圖9可見，由于預(yù)燃室容積狹窄，燃油從噴油器噴出后會(huì)很快碰撞到對(duì)側(cè)預(yù)燃室壁面，并在壁面導(dǎo)流和噴射動(dòng)能推動(dòng)下向預(yù)燃室底部運(yùn)動(dòng)。燃油運(yùn)動(dòng)到預(yù)燃室底部后，一部分燃油會(huì)從預(yù)燃室噴孔流出，進(jìn)入到定容燃燒彈內(nèi)；另一部分會(huì)在底部表面的引導(dǎo)下順著噴油器同側(cè)預(yù)燃室壁面向上移動(dòng)和擴(kuò)散。結(jié)合圖8可以發(fā)現(xiàn)，面容比對(duì)預(yù)燃室混合氣形成過程具有非常重要的影響，對(duì)于面容比為0.05和0.06 cm-1兩個(gè)工況，其預(yù)燃室內(nèi)燃油相較低面容比工況，混合氣濃度明顯降低，特別預(yù)燃室上部靠近火花塞位置。這主要是因?yàn)?，在本文研究中主要通過調(diào)整預(yù)燃室噴孔流通面積來改變面容比，面容比越大，則噴孔直徑越大，進(jìn)而會(huì)造成運(yùn)動(dòng)到預(yù)燃室底部的燃油更多地進(jìn)入到主燃室，使得預(yù)燃室內(nèi)剩余的燃油量和氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度降低。然而，從圖8中還可以看到，當(dāng)面容比較小時(shí)，在燃油噴射動(dòng)能的推動(dòng)下，燃油會(huì)更多地積聚于預(yù)燃室頂部，易造成預(yù)燃室頂部混合氣較濃，特別是在壁面交界處。例如，對(duì)于0.01和0.02 cm-1兩個(gè)面容比工況，點(diǎn)火時(shí)預(yù)燃室頂部仍存在當(dāng)量比大于1.5的過濃混合氣，其在一定程度也不利于預(yù)燃室燃油的充分燃燒和利用，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率和部分有害排放物惡化。

圖8 不同面容比預(yù)燃室內(nèi)當(dāng)量比分布圖

圖9 0.03 cm-1面容比下0.4-1.6 ms的當(dāng)量比分布圖

圖10為不同面容比下預(yù)燃室內(nèi)部壓力隨時(shí)間變化的曲線圖。從圖中可以看出，面容比在0.01～0.06 cm-1的范圍內(nèi)，面容比越小，預(yù)燃室內(nèi)壓力峰值越高。這是因?yàn)殡S著面容比的減小，即射流噴孔直徑的減小，射流噴孔處的節(jié)流作用增強(qiáng)，同時(shí)，預(yù)燃室內(nèi)的燃油量相對(duì)較多，所以在火花塞點(diǎn)火后，面容比小的預(yù)燃室內(nèi)部壓力峰值比面容比大的預(yù)燃室內(nèi)部壓力峰值要高。

圖10 不同面容比下預(yù)燃室內(nèi)壓力變化圖

圖11為不同面容比下主燃室與預(yù)燃室內(nèi)的溫度云圖。圖12為相應(yīng)射流火焰在主燃室內(nèi)發(fā)展與擴(kuò)散的貫穿距和面積。由圖可見，當(dāng)面容比過大或過小時(shí)熱射流在燃燒彈內(nèi)的貫穿距離和分布面積均顯著減??；當(dāng)面容比在0.02-0.036 cm-1范圍時(shí)，具有相對(duì)較高的貫穿距離和分布面積。這主要是因?yàn)?，?dāng)面容比較小時(shí)，射流噴孔較小，噴孔節(jié)流損失較大，使得貫穿距離和分布面積降低；當(dāng)面容比較大時(shí)，預(yù)燃室壓力難于有效建立，且噴入預(yù)燃室的燃油會(huì)更多地進(jìn)入主燃室內(nèi)，使得預(yù)燃室內(nèi)釋放的能量較少。

圖11 不同面容比下主、預(yù)燃室溫度云圖

圖12 不同面容比下射流火焰貫穿距和面積

對(duì)于射流點(diǎn)火系統(tǒng)，射流火焰的分布面積越大在一定程度上越能發(fā)揮其“多點(diǎn)點(diǎn)火”的優(yōu)勢(shì)，故很大程度上可以認(rèn)為面容比在0.02-0.036 cm-1范圍內(nèi)能使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得較好的性能改善效果。同時(shí)，結(jié)合圖12，對(duì)比0.02-0.036 cm-1面容比的各仿真工況點(diǎn)，還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)面容比較小時(shí)其射流發(fā)展前期具有相對(duì)較大的貫穿距離和較小的分布面積，然而，當(dāng)面容比較大時(shí)其具有相對(duì)較小的貫穿距離和較大的分布面積。這在一定程度上意味著選用相對(duì)較小的面容比更有利于熱射流在其軸向上的發(fā)展，進(jìn)而對(duì)于缸徑較大、缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)及主燃室混合氣稀釋度較高的燃燒系統(tǒng)可能會(huì)展現(xiàn)出更好的應(yīng)用效果；對(duì)于較大面容比預(yù)燃室，其熱射流在徑向上的擴(kuò)散范圍更大，可能對(duì)于缸徑較小、混合氣濃度較低的燃燒系統(tǒng)更為適用。

2.2 截面比對(duì)射流特性的影響

圖13所示為噴油后50 ms時(shí)不同截面比下的預(yù)燃室內(nèi)部當(dāng)量比分布圖。文中選取0.10、0.15、0.20、0.25和0.30 5個(gè)截面比進(jìn)行了探討，結(jié)合前文研究噴孔直徑設(shè)定為了4.46 mm，進(jìn)而其對(duì)應(yīng)的預(yù)燃室下部直徑分別為14.10、11.51、9.97、8.92和8.14 mm。同時(shí)，通過前文研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴孔直徑較大時(shí)，其預(yù)燃室內(nèi)部噴射的燃油會(huì)有一部分流入定容燃燒彈內(nèi)，故而，為保證此時(shí)預(yù)燃室內(nèi)的混合氣當(dāng)量比在1附近，在該部分研究中預(yù)燃室內(nèi)的燃油噴射量設(shè)定為2.0 mg。從圖13中可以看出，截面比的不同會(huì)造成燃油在預(yù)燃室內(nèi)的貫穿距、撞壁位置和燃油撞壁量不同，從而對(duì)預(yù)燃室內(nèi)混合氣的形成造成很大的影響。當(dāng)截面比較小時(shí)，由于預(yù)燃室底部與頂部的距離也較短，使得燃油在預(yù)燃室壁面引流的作用下更容易運(yùn)動(dòng)到預(yù)燃室頂部，有助于促進(jìn)預(yù)燃室內(nèi)混合氣的形成；然而，當(dāng)截面比較大時(shí)，由于燃油傳輸距離加長(zhǎng)，使得燃油難于運(yùn)動(dòng)到預(yù)燃室頂部，進(jìn)而會(huì)造成預(yù)燃室頂部的燃油濃度明顯下降?？傮w看來，對(duì)于0.10、0.15和0.20截面比的預(yù)燃室，在點(diǎn)火時(shí)刻其內(nèi)部整體基本可形成質(zhì)量較好的混合氣；對(duì)于0.25和0.30截面比的預(yù)燃室，大量燃油會(huì)聚集在預(yù)燃室中下部位置，預(yù)燃室上半部分位置混合氣濃度較稀，預(yù)燃室內(nèi)形成的混合氣均勻性較差。同時(shí)，也要注意到，當(dāng)預(yù)燃室截面比較小時(shí)，油束與預(yù)燃室壁面碰撞位置將會(huì)更加靠近預(yù)燃室噴孔位置，進(jìn)而可能會(huì)導(dǎo)致更多的燃油從噴孔流出，造成預(yù)燃室燃油量降低。

圖13 不同截面比預(yù)燃室內(nèi)當(dāng)量比分布圖

圖14所示為不同截面比下預(yù)燃室內(nèi)部壓力隨時(shí)間變化的曲線圖。從圖中可以看出，截面比為0.25和0.30的預(yù)燃室，其內(nèi)部的燃燒效果變差。這是由于預(yù)燃室長(zhǎng)度增加到一定值后，繼續(xù)增加預(yù)燃室的長(zhǎng)度，會(huì)造成預(yù)燃室內(nèi)混合氣形成的效果明顯變差，火焰在預(yù)燃室內(nèi)傳播的距離明顯變長(zhǎng)，故造成燃燒效果變差。對(duì)于0.10、0.15和0.20這3種截面比預(yù)燃室，均能獲得較高的缸內(nèi)壓力，但是相比而言，0.20截面比預(yù)燃室的燃燒壓力更高，其在一定程度上可以認(rèn)為0.20截面比預(yù)燃室內(nèi)部燃燒性能更好、燃燒釋放的能量更多。這可能是因?yàn)?，?duì)于0.10和0.15截面比預(yù)燃室，由于油束與預(yù)燃室壁面碰撞位置更加靠近預(yù)燃室噴孔位置，可能導(dǎo)致更多的未燃燃油從噴孔流出。

圖14 不同截面比下預(yù)燃室壓力對(duì)比圖

圖15為不同截面比下主燃室射流火焰的貫穿距和分布面積隨時(shí)間變化的曲線圖。從圖中可以看出，隨著截面比的增大，射流火焰的貫穿距和分布面積基本呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。0.15和0.20截面比預(yù)燃室能獲得相對(duì)較大的貫穿距離和分布面積，當(dāng)截面比降至0.10或增大至0.25和0.30時(shí)貫穿距離和分布面積均顯著減小。其主要是因?yàn)?，?dāng)截面比較高時(shí)會(huì)造成預(yù)燃室內(nèi)混合氣形成質(zhì)量惡化，而當(dāng)截面比較小時(shí)更多的未燃燃油會(huì)從預(yù)燃室噴孔進(jìn)入主燃室內(nèi)，使得預(yù)燃室的可燃燃油量降低。

圖15 不同截面比下射流火焰貫穿距和分布面積

2.3 預(yù)燃室形狀對(duì)射流特性的影響

圖16所示為噴油后50 ms時(shí)不同形狀的預(yù)燃室內(nèi)部當(dāng)量比分布圖。圖17為不同形狀下預(yù)燃室內(nèi)部壓力隨時(shí)間變化的曲線圖。研究中燃油噴射量設(shè)置為1.8 mg。由圖17可見，形狀1和形狀3的預(yù)燃室燃燒壓力相對(duì)較高，而形狀2與形狀4的相對(duì)較低。結(jié)合圖16，對(duì)于形狀4，其預(yù)燃室內(nèi)部混合氣形成質(zhì)量較差，不利于預(yù)燃室內(nèi)火焰的發(fā)展和傳播，進(jìn)而燃燒壓力相對(duì)較低。對(duì)于形狀2，雖然其預(yù)燃室內(nèi)也具有較好的混合氣形成質(zhì)量，但是對(duì)比形狀1和形狀3，其上部和下部之間的過度角相對(duì)較小，基本成直角過渡，進(jìn)而會(huì)造成其內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)流線會(huì)發(fā)生突變，可能會(huì)對(duì)預(yù)燃室上部火焰向下部傳播起到了一定的阻礙和抑制作用，使得預(yù)燃室內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟?/p>

圖16 不同形狀下預(yù)燃室內(nèi)當(dāng)量比分布圖

圖17 不同形狀下預(yù)燃室壓力對(duì)比圖

圖18所示為不同預(yù)燃室上部結(jié)構(gòu)形式對(duì)射流火焰貫穿距離和分布面積的影響。從圖中可以看出，與預(yù)燃室內(nèi)燃燒壓力變化相類似，形狀1和形狀3的射流火焰的貫穿距和分布面積要明顯大于形狀2和形狀4，其中形狀四的貫穿距離和分布面積相對(duì)最小，在0.12 ms時(shí)間點(diǎn)處，形狀4的分布面積分別較其他3種形狀降低了32%、20%和22%，這主要是由于形狀4的混合氣形成和燃燒過程較為惡化。同時(shí)，相比形狀2和形狀3，形狀1的射流火焰貫穿距離和分布面積相對(duì)較高，這可能是因?yàn)椋螤?和形狀3預(yù)燃室頂面降低，會(huì)造成更多的燃油從噴孔處流入到主燃室內(nèi)，進(jìn)而使得預(yù)燃室內(nèi)的燃油量降低。此外，結(jié)合混合氣形成和燃燒過程結(jié)果，在一定程度上可以推測(cè)出，盡量減少預(yù)燃室內(nèi)部壁面的小角度劇烈突變，提升內(nèi)部壁面的圓滑度與平順性對(duì)預(yù)燃室點(diǎn)火系統(tǒng)性能提升具有積極的作用。

圖18 不同預(yù)燃室形狀下射流火焰貫穿距和面積

3 結(jié)論

本文中基于一可視化定容燃燒彈，利用Converge軟件建立了汽油預(yù)燃室點(diǎn)火系統(tǒng)仿真模擬平臺(tái)，并研究了預(yù)燃室整體面容比、下部結(jié)構(gòu)截面比和上部結(jié)構(gòu)形式等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)預(yù)燃室混合氣形成與熱射流特性的影響，主要研究結(jié)論如下：

（1）隨著面容比的增大，即射流噴孔直徑的增大，射流火焰的貫穿距和分布面積均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。面容比過小時(shí)，噴孔節(jié)流損失較大，不利于射流火焰在定容燃燒彈內(nèi)的發(fā)展和傳播；面容比過大時(shí)，預(yù)燃室內(nèi)混合氣形成質(zhì)量惡化，且預(yù)燃室燃燒壓力較低，致使貫穿距和分布面積較小。當(dāng)預(yù)燃室面容比為0.02-0.036 cm-1時(shí)，能獲得相對(duì)較大的射流火焰貫穿距和分布面積；同時(shí)，較小的面容比更有利于熱射流在其軸向上的發(fā)展，較大面容比預(yù)燃室，其熱射流在徑向上的擴(kuò)散范圍更大。

（2）隨著截面比的增大，射流火焰的貫穿距和分布面積基本呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。0.15和0.20截面比預(yù)燃室能獲得相對(duì)較大的貫穿距離和分布面積。當(dāng)截面比較高時(shí)預(yù)燃室內(nèi)混合形成質(zhì)量惡化、燃燒壓力降低；當(dāng)截面比較小時(shí)燃燒壓力也有所下降。

（3）預(yù)燃室上部采用階梯結(jié)構(gòu)，其預(yù)燃室內(nèi)混合氣形成質(zhì)量、燃燒過程及射流火焰的形成和發(fā)展均較將惡化；采用圓臺(tái)結(jié)構(gòu)能獲得相對(duì)較好的燃燒壓力和射流火焰貫穿距離與分布面積。進(jìn)而，減少預(yù)燃室內(nèi)部壁面的小角度劇烈突變，提升內(nèi)部壁面的圓滑度對(duì)預(yù)燃室點(diǎn)火系統(tǒng)性能提升具有重要的積極作用。