活塞形状对点燃式天然气发动机性能的影响

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1、第3期(总第206期)车用发动机No．3(SerialNo．206)2013年6月VEHICLEENGINEJun．2013活塞形状对点燃式天然气发动机性能的影响莫海俊，魏弟清。，冒晓健，卓斌(1．上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2．广西大学机械工程学院，广西南宁530004；3．广西玉柴机器股份有限公司，广西玉林637005)摘要：结合天然气发动机的性能优化，在一定压缩比下，设计了两种不同形状的燃烧室，对缸内气体流动及燃烧过程进行了数值模拟，并在台架上进行了试验验证。模拟得出了不同结构燃烧室的湍动能、火焰前锋面位置、燃烧放热率等，结果表明，中心凹陷燃烧室效

2、果较好，与中心凸起燃烧室相比，产生的湍流强度较大，燃烧速度更快，克服了天然气燃烧速度慢的缺点，因此动力性和经济性较好，然而N0排放量也较大。关键词：天然气发动机；燃烧室；湍动能；性能D0I：10．3969／i．issn．1001-2222．2O13．03．010中图分类号：TK433．33文献标志码：B文章编号：1001-2222(2013)03—0045-05天然气作为清洁能源具有资源丰富、污染小的件下，设计了如图1所示的两种燃烧室方案：活塞优势，但是由于其层流火焰速度较低，采用稀燃方式A——底部凸起；活塞B——底部凹陷。后更需要促进湍流火焰的传播，所以缸内的气流运表1发动

3、机主要性能参数动对燃烧过程尤为重要。而活塞形状对缸内气体的型式立式、直列、四行程流动有着至关重要的影响，研究表明l2。]：对于稀薄进气方式增压中冷燃烧的天然气发动机来说，敞口型、直口碗型、缩口气缸数／个4型燃烧室的湍动能顺次增大；湍动能高的燃烧室缸径／mm108NO生成量高、动力性和经济性好；尺寸对燃烧过程行程／mm115的影响远小于燃烧室形状对燃烧过程的影响。本研排量／L4．2究的重点是燃烧室底部形状的改变对气体流动、燃压缩比11．5：1烧过程和发动机性能的影响。标定功率／kW103通过数值计算可以获得燃烧过程的大量信息，标定功率转速／r·min2800这些信息能充分反映燃

4、烧室几何形状的变化对燃烧最大扭矩／N·ITI420过程的影响。本研究应用CFD软件对燃烧过程进最大扭矩转速／r·min1300～1500行了三维数值模拟计算，得出了2种不同结构燃烧全负荷最低燃油消耗率／g·(kW·h)-1200室的缸内温度场、湍动能分布、气缸压力示功图等结果，详细分析了不同燃烧室形状的缸内混合气湍动能分布和温度分布及湍动能对火焰传播的影响。1燃烧室设计方案研究机型为l台由柴油机改装成的涡轮增压火花点火4气门天然气发动机，发动机的基本参数见活塞A活塞B表1。由于前期的研究表明直口型燃烧室比较适用于天然气发动机，因而在保留直口形状的同时对燃图1不同形状燃烧室示意

5、烧室的底部进行了改动，在压缩比为11．5：1的条收稿日期：2013-01—06；修回日期：2013-04—28作者简介：莫海俊(1979一)，女，博士，研究方向为发动机性能优化；cherrymhj@163．com。车用发动机2013年第3期缸套正中央，凸出缸盖底面5mm，点火时刻为上止2燃烧过程的数值模拟点前2O。曲轴转角，火焰为直径3mm的球形，初始2．1计算模型火焰密度2000m～。通过计算，对缸内气体流动模拟计算所依据的守恒定律为质量守恒、动量过程中湍流参数的变化、压力分布、温度分布及燃烧守恒和能量守恒；给定壁面边界条件；湍流模型为经产物的浓度分布进行了分析和预测。过压

6、缩修正的e双方程湍流模型；燃烧模型采用相干火焰模型(coherentflamemode1)。相干火焰模型中火焰被假设为把反应物与生成物分开的无限薄的表面，燃烧过程变成了求解输运方程在火焰表面的传播过程。燃烧速度由火焰面积、层流火焰传播速度和未燃气体密度决定。该模型最大的优势是对化学反应尺度和湍流尺度进行解耦，其控制方程包括：1)火焰表面密度方程a∑．O(uj∑)a，Vta∑、图2缸压曲线对比r—一一2．3计算结果∑～卢阻∑。；图3示出两种燃烧室在1800r／min，100负—一●^‘—一荷下的计算结果。从图3所示的燃烧过程看，在相2)燃油物质分数方程同进气压力、转速及负荷下，

7、考虑到活塞在下止点附a+’a一3()一灿s；z‘“mvL近时缸内气流运动主要受气道结构参数的影响，因xjapf~3xj3)2步燃油消耗机理此假设不同活塞在进气门关闭时刻缸内的湍动能一致。直至排气门打开，缸内的湍动能经历了一个非CH+(+m)o2一CO2+mH2O，单调的递减过程，湍动能均先减小，然后增大，再减小。这说明缸内涡流运动所包含的湍动能在活塞上CH+昙o2一co+-~H。升过程中不断衰减，但在295。～315。区间缸内湍动式中：∑为湍流火焰表面密度；为湍流的运动黏能几乎保持不变，这是由于在活塞上