工况变化对柴油转子发动机性能的影响

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1、成都，2007年8月中国内燃机学会燃烧净化节能分会2007年学术年会论文集工况变化对柴油转子发动机性能的影响周乃君，裴海灵，高宏亮，陈秋亮（中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙，410083）摘要：以CFD软件FLUENT6.2为计算平台，结合自编程序，利用动网格技术建立了柴油转子发动机二维计算模型，并对负荷、转速对转子发动机性能的影响进行了数值模拟。结果显示：随负荷增大，转子发动机缸内的平均温度、平均压力以及NO生成量均会升高，本文所研究转子发动机在90%负荷工作时，可兼顾较高的工作压力和较低的NO排放；随着转速的提高，缸内最高温度呈下降趋势，燃烧区域也相应缩小，NO高浓度区离开转子工作

2、面一侧，向缸壁侧移动。研究结果可为柴油转子发动机的设计提供参考依据。关键词：转子发动机；工作性能；数值模拟转子发动机是一种以三角转子的旋转机工作参数的优化提供理论依据。[1]1物理模型及数学模型运动代替活塞往复运动的新型内燃机，由于其结构紧凑、体积小、重量轻、高速性能1.1物理模型好，被用作多种军用装备及中小型飞机、无本文所研究的转子发动机创成半径[2-6]人机的动力。目前，国内外研究者利用0.071m，偏心距为0.116m，气缸宽为3KIVA或自编程序对汽油转子发动机的燃烧0.682m，单转子，排量为294cm，额定功[7-10]过程进行了一些研究，为其研发提供了率为63.9kW，额定转

3、速为5000rpm。考虑有益的指导。但关于柴油转子发动机性能的到本文所研究的转子发动机采用周边进排优化研究尚未见报道。目前国内有单位对柴气方式，因此采用二维模型来进行计算。本油转子机进行研究，但存在燃烧不充分，冒文主要计算区域是由转子和壳体壁组成的黑烟严重等缺陷。为了深入研究影响柴油转三个工作室，考虑到这三个工作室的形状随子发动机性能的关键因素，以提高其性能指时间不断变化以及动网格模型使用的限制标，本文以大型商业软件FLUENT6.2为平条件，本文动态计算区域采用三角形网格划台，结合自编程序对变工况条件下转子发动分，如图1所示，网格的个数是754个。机的性能进行了数值模拟，为柴油转子发动5

4、0110%40100%M30T/A90%P2080%10-50050100150200CA/°图1转子机计算初始网格图2不同负荷时的缸内平均压力随偏心轴转角的变化1.2喷雾模型模型假定从喷口油滴半径分布符合概率论2中的χ规律：为了使喷雾过程更加接近柴油转子发1−r/rf(r)=e(1)动机的实际喷雾状况，本文采用油气两相模r[11]型中的DDM模型，具体控制方程见文献，作者简介：周乃君（1963－），男，教授，博士生导师。研究方向：热工过程和内燃机仿真与优化。E-mail:njzhou@mail.csu.edu.cn成都，2007年8月中国内燃机学会燃烧净化节能分会2007年学术年会论文集

5、2式中，r是按油滴数目平均的半径。对于χ分O2+N2<=>2O+2NO(9)布，r与Sauter平均半径r之关系为r/3，而3232O2+2N2<=>2N+2NO2(10)r是作为输入量人为规定的。32N2+2OH→2H+2NO(11)1.3湍流模型为了简化计算，本文不考虑碳烟模型。内燃机数值模拟中常用的湍流模型较仿真的开始角是-540°ATDC,结束角是多，但根据转子发动机缸内气体流动流线弯198°ATDC。缸壁温度采用固定壁面温度，曲较大的特点及RNGk-ε湍流模型可以计算壁面处流体速度与壁面速度相同；当喷雾液分离流、旋流等优势，本文采用RNGk-ε湍滴碰撞在固定壁面上时，则令其速度等

6、于壁[12]流模型，具体如下：面速度。∂(ρk)∂(ρku)∂⎡∂k⎤2计算结果与分析i+=⎢αkµeff⎥+Gk+ρε(2)∂t∂xi∂xj⎢⎣∂xj⎥⎦2.1负荷变化对转子发动机性能的影响∂(ρε)∂(ρεu)∂⎡∂ε⎤C*ε通过固定转速，改变负荷（喷油量）为iε+=⎢αεµeff⎥+Gk额定工况的110%、90%和80%，进行对比∂t∂xi∂xj⎢⎣∂xj⎥⎦k仿真来研究负荷变化对转子发动机性能的2ε−C2ερ(3)影响。k2.1.1负荷对缸内平均压力和温度的影响式中：1⎛⎜∂ui∂uj⎞⎟图2和图3分别给出了转子发动机在不µeff=µ+µtEij=⎜+⎟(4)2∂x∂xi⎝j⎠同负

7、荷时所对应的缸内平均压力和平均温2µ=ρCk1/2k(5)度随偏心轴转角变化的计算结果。可以看tµη=(2Eij⋅Eij)εε出，随负荷（喷油量）增大，缸内平均压力C*=C−η(1−η/η0)η0=4.377,β=0.012(6)和温度均会升高，但是当负荷大于额定负荷1εC1ε31+βη时，缸内最高温度随负荷增大而升高的幅度Cµ=0.0845,αk=αε=1.39C1ε=1.42,C2ε=1.68(7)开始减小。2.1.