柴油机燃烧室内气流特性
发布时间：2024-04-05 点击：174
如何评价柴油发电机燃烧室内气流特性
实际发电用柴油发电机，由于其使用条件及要求不同，燃烧室结构参数及形状也有所不同。这种不同燃烧室的结构形状和参数，决定了燃烧室内特有的气流特性及其规律，也就决定了其所对应的最佳喷雾条件和燃烧过程。因此，如何精确测量、分析和评价燃烧室内的气流特性，对正确把握燃烧室内微观的流场特性及其对混合气形成和燃烧过程的影响，具有重要意义。
缸内流场特性的分析方法有试验法和模拟计算分析法。前者为了测量实际流场特性，采用光学柴油发电机利用示踪粒子的激光高速摄影法。其特点是可直观地展示气缸内流场的瞬态分布特性和流动特性。但是设备昂贵，且光学柴油发电机与实际柴油发电机在结构上很难实现完全一致。缸内流场的模拟计算分析法是采用计算流体力学（cfd）专用软件，基于一定的数学模型，对燃烧室空间的三维流场进行模拟计算，由此计算气缸内流场的三维空间瞬态分布特性，并以此为基础计算出表示流场特性的各种物理量。典型的cfd软件有kiva-ii、fire和star-cd等。需要指出的是，这些软件虽然功能强大，但不是万能的，只不过是功能强大、计算信息量多和能控制一定计算精度的计算工具而已。因此，根据所研究的内容不同，计算模型不同，计算侧重点也不同，而且计算精度取决于模型和边界条件的正确选择和调试。
为了便于评价燃烧室内的气流特性，在如图1所示的燃烧室纵断面上以气缸中心线为分截面取其1/2断面，并以绕其1/2断面形心旋转的纵向气流的平均值作为滚流；而将燃烧室某一横截面上绕燃烧室中心（轴线）旋转的气流作为涡流进行模拟计算分析。
图1 燃烧室纵断面示意图
在实际压缩和膨胀过程中，燃烧室内的纵断面和横截面上的气流特性并非为规整的压缩滚流和涡流，是一种有宏观趋势的湍流状态。cfd软件根据有限网格，可计算出任一瞬间燃烧室空间任一点上的速度矢量和质量。所以，根据任一瞬间（曲轴转角位置）燃烧室计算断面上的速度分布和质量分布特性（即各网格点上的瞬态物理参数），由动量矩守恒原理可计算出该瞬间围绕该计算断面形心的当量角速度，由此求得当量压缩滚流强度，即单位时间内绕燃烧室1/2纵断面形心的气流旋转次数。这些气流特性参数均由cfd软件（如fire）直接计算求得。
为了定量地评价膨胀过程中燃烧室内瞬态气流运动强度的变化特性，引入滚流（或挤流）强度保持性的概念。即如式（公式1）所示，从上止点附近压缩滚流强度出现峰值点的曲轴转角位置φ1开始，到扩散燃烧基本结束的曲轴转角位置φ2的区间内，压缩滚流强度对曲轴转角的积分值与φ1处的压缩滚流强度峰值和该区间的乘积之比。
(公式1)
式中，φ1为出现压缩滚流强度峰值所对应的曲轴转角；φ2为上止点后扩散燃烧基本结束点所对应的曲轴转角，一般φ2＝45°（ca）；scgφ1为φ1点上的压缩滚流强度峰值；scg（φ）为任意曲轴转角φ时的压缩滚流强度。
需要指出的是，cfd软件（如fire）只提供各曲轴转角位置上所计算的离散的滚流值。所以通过这些对应于各曲轴转角位置的离散的计算结果，可用曲线拟合等手段求出滚流强度随曲轴转角变化的函数scg（φ）。之后再根据式（公式1），求出滚流强度保持性sw。而当量滚流强度，是根据该计算断面上各网格点相对形心的动量矩之和来计算求得的。所以，可以认为滚流强度保持性，实际上就是在各瞬间计算断面上微观湍流动能分布结果的宏观当量化评价。
为了求得扩散燃烧过程中静态滚流强度的衰减程度，将式（公式1）中的积分上限φ2取区间［φ1,φ2］中的任一值φ（φ1＜φ＜φ2），则可得任意曲轴转角位置上的滚流强度保持性，即
(公式2)
图2所示为用这种评价方法，对不同燃烧室结构的滚流强度保持性进行比较的结果。其中，i型燃烧室代表传统的“ω”形直喷式燃烧室。可见传统的直喷式燃烧室其混合气形成和燃烧过程对发动机转速的适应性差的主要原因，是在扩散燃烧阶段燃烧室内的气流强度衰减很快，从而造成在扩散燃烧过程中混合气的形成和燃烧速度缓慢。
不同燃烧室结构及其滚流强度保持性
而ii、皿型燃烧室表示不同缩口型燃烧室结构形状对气流特性的影响，当缩口比d2/d1一定时，燃烧室底部不同的凸起形状直接影响燃烧室内的滚流强度保持性。所以，如图3所示，ii型燃烧室通过燃烧室底部凸起形状对燃烧室内气流的节流作用，提高其压缩滚流强度保持性，从而在1500r/min时改善膨胀过程中的扩散燃烧过程，使得hc和烟度排放得到改善，而nox排放基本保持不变。
不同缩口型燃烧室底部凸起形状对排放特性的影响
康明斯柴油发电机润滑油路的简介
带涡轮增压器的柴油发电机组有哪些突出优点？
柴油发电机组的双电源自动转换开关接线方式
柴油机转速不稳故障有什么排除案例
柴油机常见的一般故障及排除方法
康明斯的正弦交流电的含义是什么
如何做好柴油发电机组B级保养？
柴油发电机组的寿命有多长？质保期是多少？
实际发电用柴油发电机，由于其使用条件及要求不同，燃烧室结构参数及形状也有所不同。这种不同燃烧室的结构形状和参数，决定了燃烧室内特有的气流特性及其规律，也就决定了其所对应的最佳喷雾条件和燃烧过程。因此，如何精确测量、分析和评价燃烧室内的气流特性，对正确把握燃烧室内微观的流场特性及其对混合气形成和燃烧过程的影响，具有重要意义。
缸内流场特性的分析方法有试验法和模拟计算分析法。前者为了测量实际流场特性，采用光学柴油发电机利用示踪粒子的激光高速摄影法。其特点是可直观地展示气缸内流场的瞬态分布特性和流动特性。但是设备昂贵，且光学柴油发电机与实际柴油发电机在结构上很难实现完全一致。缸内流场的模拟计算分析法是采用计算流体力学（cfd）专用软件，基于一定的数学模型，对燃烧室空间的三维流场进行模拟计算，由此计算气缸内流场的三维空间瞬态分布特性，并以此为基础计算出表示流场特性的各种物理量。典型的cfd软件有kiva-ii、fire和star-cd等。需要指出的是，这些软件虽然功能强大，但不是万能的，只不过是功能强大、计算信息量多和能控制一定计算精度的计算工具而已。因此，根据所研究的内容不同，计算模型不同，计算侧重点也不同，而且计算精度取决于模型和边界条件的正确选择和调试。
为了便于评价燃烧室内的气流特性，在如图1所示的燃烧室纵断面上以气缸中心线为分截面取其1/2断面，并以绕其1/2断面形心旋转的纵向气流的平均值作为滚流；而将燃烧室某一横截面上绕燃烧室中心（轴线）旋转的气流作为涡流进行模拟计算分析。
图1 燃烧室纵断面示意图
在实际压缩和膨胀过程中，燃烧室内的纵断面和横截面上的气流特性并非为规整的压缩滚流和涡流，是一种有宏观趋势的湍流状态。cfd软件根据有限网格，可计算出任一瞬间燃烧室空间任一点上的速度矢量和质量。所以，根据任一瞬间（曲轴转角位置）燃烧室计算断面上的速度分布和质量分布特性（即各网格点上的瞬态物理参数），由动量矩守恒原理可计算出该瞬间围绕该计算断面形心的当量角速度，由此求得当量压缩滚流强度，即单位时间内绕燃烧室1/2纵断面形心的气流旋转次数。这些气流特性参数均由cfd软件（如fire）直接计算求得。
为了定量地评价膨胀过程中燃烧室内瞬态气流运动强度的变化特性，引入滚流（或挤流）强度保持性的概念。即如式（公式1）所示，从上止点附近压缩滚流强度出现峰值点的曲轴转角位置φ1开始，到扩散燃烧基本结束的曲轴转角位置φ2的区间内，压缩滚流强度对曲轴转角的积分值与φ1处的压缩滚流强度峰值和该区间的乘积之比。
(公式1)
式中，φ1为出现压缩滚流强度峰值所对应的曲轴转角；φ2为上止点后扩散燃烧基本结束点所对应的曲轴转角，一般φ2＝45°（ca）；scgφ1为φ1点上的压缩滚流强度峰值；scg（φ）为任意曲轴转角φ时的压缩滚流强度。
需要指出的是，cfd软件（如fire）只提供各曲轴转角位置上所计算的离散的滚流值。所以通过这些对应于各曲轴转角位置的离散的计算结果，可用曲线拟合等手段求出滚流强度随曲轴转角变化的函数scg（φ）。之后再根据式（公式1），求出滚流强度保持性sw。而当量滚流强度，是根据该计算断面上各网格点相对形心的动量矩之和来计算求得的。所以，可以认为滚流强度保持性，实际上就是在各瞬间计算断面上微观湍流动能分布结果的宏观当量化评价。
为了求得扩散燃烧过程中静态滚流强度的衰减程度，将式（公式1）中的积分上限φ2取区间［φ1,φ2］中的任一值φ（φ1＜φ＜φ2），则可得任意曲轴转角位置上的滚流强度保持性，即
(公式2)
图2所示为用这种评价方法，对不同燃烧室结构的滚流强度保持性进行比较的结果。其中，i型燃烧室代表传统的“ω”形直喷式燃烧室。可见传统的直喷式燃烧室其混合气形成和燃烧过程对发动机转速的适应性差的主要原因，是在扩散燃烧阶段燃烧室内的气流强度衰减很快，从而造成在扩散燃烧过程中混合气的形成和燃烧速度缓慢。
不同燃烧室结构及其滚流强度保持性
而ii、皿型燃烧室表示不同缩口型燃烧室结构形状对气流特性的影响，当缩口比d2/d1一定时，燃烧室底部不同的凸起形状直接影响燃烧室内的滚流强度保持性。所以，如图3所示，ii型燃烧室通过燃烧室底部凸起形状对燃烧室内气流的节流作用，提高其压缩滚流强度保持性，从而在1500r/min时改善膨胀过程中的扩散燃烧过程，使得hc和烟度排放得到改善，而nox排放基本保持不变。
不同缩口型燃烧室底部凸起形状对排放特性的影响
康明斯柴油发电机润滑油路的简介
带涡轮增压器的柴油发电机组有哪些突出优点？
柴油发电机组的双电源自动转换开关接线方式
柴油机转速不稳故障有什么排除案例
柴油机常见的一般故障及排除方法
康明斯的正弦交流电的含义是什么
如何做好柴油发电机组B级保养？
柴油发电机组的寿命有多长？质保期是多少？