优化发动机性能的缸内流动规律分析

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：图6.5上止点前450℃A燃烧室内流线分布进气阶段初期，如图6.5所示，进气气流会与转子表面发生碰撞，碰撞后的气流向四周扩散，因此L、T、Q、H气流在进气口的前后左右均出现了明显的涡团，分别如图6.5中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ所示。

分别从进气过程和压缩过程来考虑流场的变化，为了理解整个演化过程，对转速15 000r/min下的流动过程进行分析。图6.5所示为排气门关闭、进气初期的流线图，图6.5（a）为燃烧室内三维流线图，图6.5（b）为燃烧室中心截面的流线图，图6.5（c）为与进气口平行的分段截面，图6.5（d）为距离前端面2mm 且与前端面平行的截面，图6.5（e）为与端面垂直的截面。在进气阶段，高速气流从进气口进入燃烧室后会与转子表面发生碰撞从而改变方向，改变方向后的气流向燃烧室的前后两侧流动。为了能够充分展示气流的变化规律，图6.5（f）为向前后两侧流动的气流的示意图。L表示向前侧流动的气流，T表示向后侧流动的气流，Q表示向前端面流动的气流，H表示向后端面流动的气流。参照往复式活塞发动机对涡流和滚流的定义，将旋转中心线与前后端面垂直的涡团定义为涡流，与前后端面平行的涡团定义为滚流。

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图6.5　上止点前450℃A燃烧室内流线分布

进气阶段初期，如图6.5（a）所示，进气气流会与转子表面发生碰撞，碰撞后的气流向四周扩散，因此L、T、Q、H气流在进气口的前后左右均出现了明显的涡团，分别如图6.5（a）中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ所示。从图6.5（b）中的截面图可以看出，Ⅲ、Ⅳ涡团的中心与前后端面平行，所以涡团Ⅲ和Ⅳ都是以滚流的形式存在。而从图6.5（c）燃烧室的中心截面上可以看出来，涡团Ⅰ和Ⅱ的中心与前后端面垂直，所以涡团Ⅰ和Ⅱ以涡流的形式存在。这与进气口是否完全与端面平行有直接的关系。也可以看到，在图6.5（b）中滚流Ⅲ和Ⅳ在左右两侧对称分布，这是因为进气口位于前后端面的中心位置。在图6.5（c）中涡流Ⅰ发生在离进气口较远的位置，且涡流半径较小，涡流Ⅱ发生在进气口附近，且涡流半径较大。这是因为高速气流撞击转子表面后发生偏转，同时与燃烧室后部的气流发生碰撞，且受到转子和燃烧室的挤压，从而形成涡流Ⅱ。但是前侧的空间逐渐增大，给了气流充分的流动空间，只有部分靠近气缸壁面的气流与气缸发生碰撞形成强度较小的涡流Ⅰ。

从图6.5（d）中可以知道在远离进气口靠近前后端面的地方涡流已经消失，中心圆形区域的流线是与前后端面发生碰撞后偏转的气流，后侧的气流受到阻隔会沿气缸壁面流动，两者气流会在图6.5（d）所示的区域汇集。从图6.5（e）可以看出，来自燃烧室后方的气流由于被进气口的气流阻断了前行的通路，在气流惯性的作用下绕过进气口向前流动，从而在截面中心上可以看到有类似“圆形“的流线图，并且绕过的气流会在图6.5（e）中标注的区域汇集。图6.5（f）表示L、T气流流线的示意图，从进气口流入燃烧室后侧的T气流会从与转子表面碰撞后的垂直方向转向气缸壁面，再次碰撞后又转向转子表面，重复多次形成多个不规则滚流，并在后侧气流和转子的推动下向前发展，能量不断耗散，直至气缸前侧附近滚流消失。

进气阶段中期，如图6.6（a）所示，随着转子的运动，涡团数量不断减少。这是因为燃烧室后部的空间被压缩，涡团Ⅱ的半径不断减小。从图6.6（b）的截面可以看出，除了在进气口附近两侧形成Ⅲ、Ⅳ两个滚流之外，在燃烧室前后侧也形成了新的涡团，并以滚流的形式存在。其原因在于，后侧气流空间被压缩，后侧气流来回撞击气缸壁面和转子表面从而形成滚流。随着进气口气流不断涌入燃烧室，燃烧室上部的空间已被之前流入的气体占据，新鲜的气流只能沿着燃烧室底部的空间向前流动，气流与前后端面和气缸壁面底部碰撞后，由于空间的限制和后部气流的推动都向气缸顶部汇集，如图6.6（b）中标出的所示。同时，燃烧室中间的截面有明显的分层，两侧的气流向气缸顶部流动，而中间的气流向转子的方向流动，这也说明了原有气流和新鲜气流的分层。通过图6.6（c）可以知道，燃烧室后侧的涡流明显减弱，燃烧室前侧的涡流逐渐增强，半径明显增大，这是由燃烧室前侧增加的新鲜充量而产生的涡流。由图6.6（d）可以看出，前后端面附近的涡流主要集中于燃烧室中部位置，这主要是因为涡团Ⅱ绕过进气口以滚流的形式向燃烧室前侧流动，与转子表面发生碰撞后向燃烧室后侧流动，但是由于进气口高速气体的流入，阻隔了涡团Ⅱ继续流动的通路，从而再次回转形成如图6.6（d）所示的涡流。从图6.6（e）可以看出，燃烧室内两侧的气流以滚流的形式持续向前流动，这也可以从图6.6（f）中的流线变化看出来，流线撞击转子表面后继续沿转子表面方向流动，随后发生偏转与气缸壁面碰撞后再次偏转，从而形成涡团。

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图6.6　上止点前350℃A燃烧室内流线分布

进气阶段后期，如图6.7（a）所示，随着转子的运转，位于燃烧室后部的涡团Ⅱ由于空间的压缩而逐渐消失，位于燃烧室前侧的涡团ⅠA 继续向前发展，随着燃烧室前部空间的增大，涡团ⅠA在燃烧室前部转向，因此ⅠA的回转半径进一步增大。涡团ⅠB随着前端气流密度的进一步增大，涡团趋势和强度也继续增加。在图6.7（b）中可以观察到，涡团Ⅲ和Ⅳ随着空间的增大回转半径也随之增大，前后端截面的涡团消失，中间截面出现了新的涡团，这主要由于燃烧室前后的空间被压缩，燃烧室中部空间逐渐增大，流线与壁面碰撞后有足够的回转空间从而形成滚流。如图6.7（c）所示，在燃烧室中间截面上出现了一个非常大的涡流，这是因为进气口前侧的空间增大，高速气流不断为涡流提供能量并阻断了回转的道路，使涡流的回转速度逐渐增加，从而在中前部形成强烈的涡流。由图6.7（d）中可以知道两侧气流向前发展，但是由于在燃烧室前部之前已聚集了大量的气体，随着前端空间的压缩，气流会发生偏转，偏转的气流与沿着转子壁面流动的气流相互碰撞，后侧气流的速度较快，碰撞后会发生剧烈的偏转，形成一条非常密的流线圈。从图6.7（e）和图6.7（f）看出，滚流发生在燃烧室的中部和中前部，滚流发生在多个方向并交织在一起，形成了非常复杂的流场。图6.7（f）也侧面反映了进气口流线的发展轨迹，进气口两侧的流线Q、H与前后端面碰撞后向相反方向运动，但在其运动的方向有进气流场的冲击且速度较快，因此流线又朝前后端面的方向运动直到与壁面发生碰撞，并且前方的空间被压缩，从而形成滚流。

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图6.7　上止点前305°偏心轴转角燃烧室内流线分布

在进气结束，压缩阶段即将开始的时刻，在图6.8（a）中可以明显看到在进气口处出现明显的回流，这主要是由于燃烧室内的压力增大且进气口的面积逐渐减小导致的。也可以看到涡团ⅠA的半径在减小，涡团ⅠB的半径在增大，并且有多层涡团的现象出现。其原因在于进入燃烧室中部的气流逐渐增加，形成的涡团越来越多且半径逐渐增大，且气流受制于后侧气流的冲击和空间的限制，一些涡流与气缸壁面碰撞方向发生偏转，形成新的涡流，堆积于之前前侧涡团的上方。从图6.8（b）也可以看到，接近转子表面的三层截面的下侧都有强烈的滚流，这也符合之前对多层涡团的描述。从图6.8（b）可以看出，涡团ⅠB主要是气流碰撞气缸壁面所产生的，并且在第一个截面上中间也出现了涡团，说明中间的部分涡流转换成了滚流。从图6.8（c）可以看出，燃烧室中心的旋转半径较前一阶段有所减小，这是由于回转的气流会流出进气口而不再受进气气流的冲击，从而造成涡流半径减小。从图6.8（d）可以看到，燃烧室两侧的涡流半径也减小了，并且气流碰撞的位置上移，这主要是由于燃烧室前侧的滚流的半径增大造成气流碰撞的位置上移，并且有回流的发生，造成涡流半径减小。

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图6.8　上止点前235°偏心轴转角燃烧室内流线分布

压缩阶段初期，如图6.9（a）所示，燃烧室内的涡团ⅠA和ⅠB都有减弱的趋势，随着燃烧室空间的压缩，燃烧室中部的涡流有向湍流转变的趋势，并且大的涡流开始逐渐地破碎为小涡流，其主要原因如图6.9（c）所示。由于涡流的能量不断减弱，燃烧室下方的层流不断增加，如图6.9（d）所示，后部的涡流被压入燃烧室前侧，后部涡流与前部的气流碰撞形成滚流。由图6.9（b）可以看出新涡团能量有减弱的趋势，也说明随着后侧的压缩，很多的流线被压入燃烧室前部。

在压缩阶段中期，如图6.10（a）所示，随着燃烧室空间的进一步压缩，燃烧室后侧的前侧涡团基本消失。从图6.10（b）也可以看出，在燃烧室前侧的涡团强度很小，从图6.10（c）看到燃烧室中部的滚流明显减弱，从图6.10（d）看到中部的涡流有向前部转化的趋势，并且涡流半径增大。

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