稀薄燃燒發(fā)動機改型設計及燃燒特性仿真

栗 波

（重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，重慶 400120）

引言

目前，能源危機問題引起了全球的強烈關(guān)注，而汽油發(fā)動機作為能源消耗的主要源頭之一，人們對發(fā)動機節(jié)能的要求越來越高，稀薄燃燒發(fā)動機應運而生。由于稀薄燃燒發(fā)動機的過量空氣系數(shù)較大、對燃燒過程要求高等特點[1]，提升其燃燒性能變得尤為重要。由于火花塞的布置不在燃燒室的中心，原始火核傳播到兩邊燃燒室的距離不同，會造成兩側(cè)油氣燃燒的時間點不同，使得做功分散，造成燃燒效率的降低[2-3]。燃燒室形狀對燃燒過程的火焰?zhèn)鞑ァ⑷紵俣?、散熱損失等都有較大影響， 在一定程度上決定了汽油機工作過程的好壞[4]。發(fā)動機的噴射過程、氣流組織和燃氣特性等直接影響混合氣的形成與燃燒過程，從而影響發(fā)動機的性能[5-7]。本文主要針對燃燒室進行優(yōu)化設計，同時將單火花塞點火（single spark ignition，SSI）改造成雙火花塞點火（dual spark ignition，DSI），運用三維仿真軟件CONVERGE軟件對燃燒室的燃燒過程進行模擬分析，為改進設計提供參考。

1 試驗模型

為了實現(xiàn)快速燃燒，對燃燒系統(tǒng)進行了較大的改動，如圖1所示，將原燃燒室的形狀改為浴盆形燃燒室，使燃燒室結(jié)構(gòu)更緊湊，將壓縮比由9.5 提高到10.3。并在原火花塞一側(cè)增設一副火花塞，采用雙火花塞結(jié)構(gòu)布置，如圖2所示，減少散熱損失，使得燃燒迅速，進一步縮短燃燒持續(xù)期。

圖1 原機與優(yōu)化后燃燒室對比

圖2 雙火花塞布置

表1 單雙火花塞燃燒室參數(shù)

2 仿真模擬

通過CONVERGE軟件對發(fā)動機的燃燒狀況進行三維仿真分析，對比優(yōu)化前后發(fā)動機的燃燒特性。由于單火花塞和雙火花塞模擬計算方法相似，本文中僅列出雙火花塞燃燒模型的計算步驟。圖3為發(fā)動機燃燒室模型。

圖3 缸內(nèi)燃燒室模型

運用流體力學計算軟件CONVERGE建立燃燒過程六面體動網(wǎng)格，并利用網(wǎng)格自適應技術(shù)增加網(wǎng)格密度，獲得最佳計算效果。同時，為了提高計算精度，充分反映出幾何結(jié)構(gòu)對流動和燃燒的影響，計算模型中對氣門座圈、氣門和火花塞附件網(wǎng)格進行了網(wǎng)格加密處理。計算的面網(wǎng)格模型如圖 4所示。

圖4 燃燒室面網(wǎng)格模型

燃燒室計算模型進口采用壓力邊界條件，為更好地模擬真實的發(fā)動機工作環(huán)境，根據(jù)經(jīng)驗壁面邊界條件如表2所示。為更好地模擬發(fā)動機在高負荷情況下的燃燒情況，設置計算轉(zhuǎn)速為9 000 rpm。

表2 邊界條件設置

3 結(jié)果分析

3.1 缸內(nèi)燃燒壓力分析

由圖5與圖6對比可知，雙火花塞的最大燃燒爆發(fā)壓力大于單火花塞，并且雙火花塞燃燒壓力的變化速度更快且壓縮負功要略小于單花塞，所以雙火花塞的壓力變化更適合發(fā)動機的工作。雙火花塞發(fā)動機的最大爆發(fā)壓力約為43 bar，單火花塞發(fā)動機的最大爆發(fā)壓力約為 37 bar，單火花塞發(fā)動機最大爆發(fā)壓力整體偏低。在9 000 rpm 時，單火花塞最大爆發(fā)比雙火花塞低約6 bar。

圖5 缸壓曲線（雙火花塞）

圖6 缸壓曲線（單火花塞）

3.2 缸內(nèi)燃燒放熱率分析

由圖7和圖8對比可知，雙火花塞的缸內(nèi)溫度、放熱率上升比單火花塞快，且放熱率在0°CA時已經(jīng)達到最大值約10.3，而單火花塞的最大燃燒放熱率出現(xiàn)在5～10°CA。由圖9與圖10對比可知，單火花塞的累計燃燒放熱量較雙火花塞大，說明單火花塞發(fā)動機的散熱壓力更大。

圖7 燃燒放熱率曲線（雙火花塞）

圖8 燃燒放熱率曲線（單火花塞）

圖9 累計放熱率曲線（雙火花塞）

圖10 累計放熱率曲線（單火花塞）

4 結(jié)論

（1）計算可知，雙火花塞有更大的燃燒爆發(fā)壓力，能夠提供更大的輸出扭矩。

（2）結(jié)果顯示，雙火花塞發(fā)動機在點火后燃燒速度更快，可以減少曲軸到達上止點前發(fā)動機所做的負功。

（3）優(yōu)化后的雙活塞發(fā)動機的累計散熱量小于優(yōu)化前，降低了發(fā)動機的散熱壓力。