涡流室式紊流燃烧柴油机中涡流室的流场特性

袁文华，隆武强，伏军，刘玉梅

(1. 邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳，422004；2. 大连理工大学 内燃机研究所，辽宁 大连，116024)

柴油机的燃烧过程一直是人们研究柴油机缸内的一个重点环节，而混合气的形成和燃烧与燃烧室的结构和其中空气的运动有紧密联系[1]，适当强度的涡流运动可以有效提高燃料的蒸发，促进燃料与空气的混合进程[2-4]，从而改善燃烧室内的燃烧状况。近年来，人们开始意识到空气的紊流运动在混合气的形成和燃烧过程中同样起着重要作用[5-7]，并逐渐对涡流室式燃烧柴油机进行研究。在对涡流室的研究中，Komatsu等[8]对涡流室内流场进行了仿真分析；Okazaki 等[9-10]研究了涡流室内流场及燃油喷雾随着曲轴转角的变化规律；朱广胜等[11-12]使用高速摄影和数值模拟法研究了不同连接通道对涡流室内流场的影响；唐智等[13]通过Fluent 软件模拟了不同倾斜角度的连接通道对涡流室内流场的影响；安西方[14]对涡流室内压缩、喷雾过程进行了模拟分析等。紊流燃烧在直喷式柴油机上已开始得到应用，但由于涡流室式柴油机具有强涡流的优点，所以，人们对引入紊流燃烧尚未引起足够重视。在涡流式柴油机机压缩行程中，油束随着活塞上行进入涡流室，由于扰流的存在及壁面的引导，又产生了各向空气运动，使涡流室内的空气运动十分复杂，并直接影响了高温区的混合气浓度：所以，涡流室内的流场分布和燃烧状况对发动机冷启动性能和排放性能至关重要。为此，本文作者主要通过流体仿真软件研究某种涡流室式紊流燃烧柴油机涡流室内的流场特性，给出活塞从下止点运动到燃油喷射前2°内涡流室内部的空气流动情况及涡流室与燃烧室内部压强和温度的变化情况。

1 模型建立与网格划分

1.1 物理模型

设计某4 冲程涡流室式柴油机作为研究对象，具体结构参数及运行条件见表1。

表1 柴油机模拟参数Table 1 Simulation parameters of diesel engine

图1 所示为活塞行程至上止点时刻涡流室式紊流燃烧室的剖面几何图形，其中，压缩容积Vc可分为2部分：(1) 涡流室，该部分在气缸盖上，上半部形状呈半球形，下半部形状呈圆柱形，容积为Vk；(2) 主燃室，该部分在气缸盖和活塞顶之间。这两者通过多空通道a 和b 连接。工作时，燃油从涡流室中的喷油嘴顺着涡流方向喷出。在压缩过程中，活塞将空气经多空通道推入涡流室，形成强烈的涡流运动，促使喷入涡流室的燃油喷雾与空气混合。当压力上升到一定程度时，涡流室中的混合气初步燃烧，使得室内压力和温度急剧上升，将未燃烧的混合气、燃油和空气以多股交叉流形式经多孔通道推入主燃室中形成二次涡流，进一步混合燃烧。

图1 多通道涡流燃烧系统及镶块图Fig.1 Sketch map of swirl chamber with variable cross-section multi-channels

1.2 数学模型

本文中控制方程可表示为如下形式。

(1) 连续方程：

式中：ρ 为流体密度(kg·m-3)；u 为流速(m·s-1)。

(2) 动量方程：

式中：p 为气体压力(Pa)；A 在层流计算中为0，湍流计算中为1；α 为无量纲参数，随时间变化；k 为湍流脉动动能(kJ)；g 为比体积力，常数；σ 为表面张力(N/m)。

(3) 湍动能方程：

式中：T 为气体热力学温度(K)；hm为组分m 的焓(kJ)；cp为比定压热容(kJ·(kg·K)-1)；J 为热通量矢量，为热传导和焓扩散作用之和；K 为导热系数；Prt为Prandtl常数。

1.3 仿真计算

图2 所示为使用Gambit 软件绘制的计算网格，全部网格分为5 种类型：三角形网格、四边形网格、楔形网格、四棱锥网格和六面体网格。网格总数为214 777 个。

图2 计算网格Fig.2 Computed grids

由于考虑使用动网格，并且在动网格计算过程中使用“网格重构”法，所以，本文使用铺层的六面体网格。因为在实际缸内网格中，若在上止点位置时，则压扁的容积变得非常小，若使用四棱锥网格，则过渡到四面体网格十分困难。铺层的楔形网格可以取代六面体网格。

仿真时，使用Fluent 自带“气缸活塞运动”模块，定义启动时下止点曲轴角度为180°，活塞达到上止点曲轴角度为360°，再次回到下止点时曲轴角为540°，再次达到上止点完成1 个周期时曲轴转角为720°。

计算采用的湍流模型为标准k-ε 湍流模型，求解控制使用PISO 算法[15]，流体为理想状况下的空气。固体边界条件分别是：自由滑移(活塞及活塞壁)；无滑移(气缸壁、涡流室、连接通道及起动孔)；绝热壁面(全部)。

2 仿真结果与分析

模拟活塞从下止点运动到燃油喷射时间段缸内变化的过程，从速度、湍流、压强和温度分布研究喷油前涡流室与气缸内气体的变化。

图3 涡流室截面速度矢量图Fig.3 Vector diagram of velocity at center section of swirl chamber

图3 所示为喷油前4 个曲轴角度下涡流室截面的速度场矢量图。从图3 可见：当曲轴转角为98°时，涡流室内大部分空气处于低速状态，然而，受活塞压缩影响，空气通过连接通道和起动孔涌入涡流室中，使得连接通道和起动孔附近气体流速较高；在曲轴转角为68°时，此时涌入的空气受涡流室壁面和内部低速气流的影响，形成一定程度的紊流运动；在曲轴转角为38°时，紊流现象依然存在，但逐渐向涡流形式变化；在曲轴转角为8°时，喷油时刻空气只从连接通道流入涡流室中，从起动孔离开涡流室，并且在涡流室两侧壁面处的流速最大，在涡流室中形成明显的涡流现象，中心流速低，外围流速大。经分析认为：空气进入涡流室内由紊流逐渐形成规则涡流，在喷油时刻空气流速在涡流室中心处最小，靠近壁面处较大。

图4所示为4种曲轴转角下涡流室内湍流变化图。从图4 可见：在曲轴转角为98°时，空气从连接通道和起动孔进入涡流室内，无法形成明显的涡流，涡流室内湍动能水平很低，最大湍动能出现在连接通道和起动孔处，在涡流室中心偏上区域出现小型涡流；随着曲轴的运动，流入涡流室内的空气增多，在涡流室内部逐渐形成有规则的涡流，并且涡流中心逐渐向涡流室中心移动；随着流入涡流室内的空气逐渐增多，涡流室内压强逐渐升高，连接通道和起动孔处的湍动能也将逐渐减少；当曲轴转到8°时，涡流室中段壁面处湍动能最最大。分析表明：涡流室内空气流的湍动能变化情况与室内的涡流变化情况相似，并且在涡流室中心处由于流体流速较低，湍动能较小，而再涡流室壁面附近流体流速较高，湍动能较大。

图4 涡流室中心截面湍流变化图Fig.4 Turbulence variation on center cross-section of swirl chamber

图5 所示为喷油前4 个曲轴角度下的压力场特性变化图。从图5(a)发现：气缸内大于涡流室内部压强，使得空气逐渐被推入涡流室中。从图5(b)和图5(c)可见：气缸内气压虽然增加，但分布情况几乎完全相等，涡流室内的压强分布有较小变化，又由于在涡流室中心区域逐渐形成紊流和涡流，使得涡流室内压强依旧较小。从图5(d)可见：随着压入涡流室内气体增多，在涡流室中心已形成较大的涡流区域，使得涡流室中心处的压强最低，燃油喷射孔附近压强较大。经分析认为：随着曲轴转角的不断变化，起初气缸内压力较大，空气逐渐进入涡流室内，涡流使内部压力逐渐增加；当达到喷油时刻时，涡流室中心区域压强较小，靠近壁面处压强较大。

图6 所示为喷油前4 个曲轴角度下的温度场特性变化图。从图6 可见：在曲轴转角为98°时，缸内气体温度差异不大，最低差值约为1 K；活塞附近温度略高(这主要是由于缸内空气是理想气体，在受到挤压的情况下温度上升，并且上升幅度随挤压程度的增加而增加)；在曲轴转角为68°和38°时，气缸内气体温度逐渐升高，但分布均匀，而涡流室内的气体温度有所差异(这主要是由于在涡流室中形成了一定程度的涡流或紊流，对气体温度分布产生了一定的影响)；在喷油时刻8°时，高温区集中在涡流室内，最大值为851 K，并且高温气体运动方向与燃油喷射方向一致。此涡流室内较高的原因主要与流体运动有关，流体从连接通道进入涡流室，从起动孔流出，使得涡流室内气体温度高于燃烧室内气体温度。经分析认为：随着被压入涡流室的空气逐渐增多，压强逐渐上升，涡流使内部温度也逐渐升高，最后在涡流室上壁面附近温度达到最大值。

图5 压力场特性变化图Fig.5 Characteristics variation of pressure field

图6 温度场特性变化图Fig.6 Characteristics variation of temperature field

3 结论

(1) 空气进入涡流室内由紊流逐渐形成规则涡流，且涡流中心靠近涡流室中心；在喷油时刻空气流速在涡流室中心处较小，靠近壁面处较大。

(2) 涡流室内空气流的湍动能变化情况与室内的涡流变化情况相似，并且在涡流室中心处由于流体流速较低，湍动能较小，而再涡流室壁面附近流体流速较高，湍动能较大。

(3) 随着曲轴转角的不断变化，起初气缸内压力较大，空气逐渐进入涡流室内，使得涡流使内部压力逐渐增加；当达到喷油时刻，涡流室中心区域压强较小，靠近壁面处压强较大。

(4) 随着被压入涡流室的空气逐渐增多，压强逐渐上升，涡流使内部温度也逐渐升高，最后在涡流室上壁面附近温度达到最大值。

(5) 喷油正时，喷油孔附近空气流速约为24.1 m/s，压强约为2.3 MPa，温度约为845 K，在此状态下，能较好地满足机内柴油的混合及燃烧需要。

[1] LI Detao. LDA Measurement and 3-D modeling of air motion in swirl chamber of diesel engines[J]. SAE Paper No.2002-02-0008.

[2] SHI Yu, Reitz R. D. Optimization of a heavy-duty compression-ignition engine fueled with diesel and gasoline-like fuels[J]. Fuel, 2010, 89(11): 3416-3430.

[3] WEI Shengli, DU Baoguo, FENG Liyan, et al. Simulation and experimental research of DI diesel engine swirl chamber combustion system[J]. Chin Int Combust Eng Engng, 2008,29(4): 19-22.

[4] WEI Shengli, WANG Zhong, NI Peiyong, et al. An experimental research on external supercharging in DI diesel engine with swirl chamber combustion system[J]. Automot Eng, 2011, 39(8):649-652.

[5] 王夺, 纪威, 周庆辉, 等. 涡流室柴油机燃烧过程模拟[J]. 农业机械学报, 2007, 38(7): 49-52.WANG Duo, JI Wei, ZHOU Qinghui, et al. Simulation of combustion process in swirl chamber of diesel engine[J]. Journal of Agricultural Machinery, 2007, 38(7): 49-52.

[6] Cole J B, Swords M D. Laser doppler anemometry measurements in an engine[J]. Applied Optics, 1979, 18(10):1539-1545.

[7] 刘玉梅, 袁文华, 伏军, 等. 涡流室涡流比对涡流室式柴油机污染物生成影响的数值模拟[J]. 中南大学学报(自然科学版),2014, 45(7): 2473-2480.LIU Yumei, YUAN Wenhua, FU Jun, et al. Numerical simulation on pollutants generation influence from the swirl ratio of swirl chamber in diesel engine with swirl chamber[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2014,45(7): 2473-2480.

[8] Komatsu G, Uramachi H, HosoKawa Y, et al. Numberical simulation of air motion in the swirl chamber of a diesel engine(effect of connecting port in air motion)[J]. JSME Internation Journal, 1991, 34(3): 379-384.

[9] Okazaki T, Sugimoto M, Fujii S, et al. Development of small IDI diesel engine using numerical approaches[J]. SAE Paper No.2004-32-0054.

[10] Montorsi L, Magusson A, Anderson S. A numerical and experimental study of diesel fuel sprays impinging on a temperature controlled wall[J]. SAE Paper No.2006-01-3333.

[11] 朱广胜, 林钧毅, 王谦, 等. 柴油机涡流室结构参数对涡流室内空气流动特性影响的研究[J]. 燃烧科学与技术, 1996, 2(4):322-328.ZHU Guangsheng, LIN Junyi, WANG Qian, et al. Effect of swirl chamber structural parameters on air motion in the swirl chamber of diesel engines[J]. Combustion Science and Technology, 1996, 2(4): 322-328.

[12] 朱广圣, 林钧毅, 张月林, 等. 柴油机涡流室连接通道结构参数对其空气流动特性影响的研究[J]. 内燃机工程, 1998, 19(1):52-57.ZHU Guangsheng, LIN Junyi, ZHANG Yuelin, et al. Effect of the connecting passage structural parameters of the swirl chamber on air motion in diesel engine[J]. Chinese Internal Combustion Engineering, 1998, 19(1): 52-57.

[13] 唐智, 熊锐, 刘芳, 等. 发动机涡流室连接通道对空气流场影响的模拟研究[J]. 广东工业大学学报, 2009, 26(3): 42-45.TANG Zhi, XIONG Rui, LIU Fang, et al. Effect of the connecting passage of the engine swirl chamber on air motion[J].Journal of Guangdong University of Technology, 2009, 26(3):42-45.

[14] 安西方. 涡流燃烧室碰撞喷雾模拟分析[J]. 柴油机, 2011,33(3): 8-13.AN Xifang. Numerical simulation of the spray impingement in a swirl chamber[J]. Diesel Engine, 2011, 33(3): 8-13.

[15] 范维澄, 万跃鹏. 流动及燃烧的模型与计算[M]. 合肥: 中国科学技术大学出版社, 1992: 265-297.FANG Weicheng, WAN Yuepeng. Model and calculation of flow and combustion[M]. Hefei: Chinese Science and Technology University Press, 1992: 265-297.