图1  柴油机燃烧室构成

柴油机混合气的形成和燃烧与燃烧室有密切关系，燃烧室的设计对气体流动特性影响很大。文章依据燃烧室设计一般原则，设计了某国Ⅳ柴油机的燃烧室，并运用CFD软件模拟分析气体在燃烧室内部的流动情况，验证燃烧室设计的合理性，通过模拟仿真大大减少发动机燃烧开发周期。

燃烧室是燃油和空气混合及混合气燃烧的场所，是发动机的重要部分，燃烧室参数设计是否合理直接关系到发动机的性能和排放。随着排放法规的日益严格，特别是排放标准提高至国Ⅳ以后，DOC、POC、DPF和SCR等各种后处理系统广泛应用，使得发动机成本大大增加，发动机原始排放的程度直接影响到各种后处理系统的应用，因此设计一款合理的柴油机燃烧室显得越来越重要。

图2   燃烧室形状

燃烧室设计

1. 燃烧室构成

如图1所示，直喷柴油机广义的燃烧室主要由活塞燃烧室和缸体、缸盖、缸垫及活塞环等部件这两大部分组成。

活塞燃烧室是对燃烧有用部分的容积，燃油喷射到活塞燃烧室中和空气混合进行燃烧。部分燃烧室容积是燃烧无法利用的容积，也称“死容积”，在发动机开发中要尽量减少死容积。①部分容积为Vc，②部分容积为Vd，则容积比VR为：

一般，VR=0.75～0.85

2. 燃烧室形状

如图2所示，燃烧室形状是由燃烧室口直径、燃烧室直径和燃烧室深度三要素决定。现在，直喷柴油机燃烧室一般都设计成ω形，以增强燃烧室的作用。

图3  燃烧室口部倒角对气体流动的影响

燃烧室直径φD可以根据喷射压力或油束的穿透力确定。如穿透力大，为了不让喷射的油束与燃烧室壁碰撞，导致过穿透，则需把燃烧室直径加大；燃烧室口直径φD与功率、排放及黑烟这些要素的特性都有密切关系，另外，喷射系统也对燃烧室口部直径产生较大的影响。d/D要合适，要与油束射程配合，一般d/H = 1.5～3.5，但根据Ricardo的经验和Benkmark分析，d/H＜3比较合理。

ω形燃烧室中心设计成凸起的山形状，喷射出的燃油粒子和空气在涡流中心，通过离心力带到外侧。燃烧本身是以燃烧室外周为主体，中心部分的空气利用很少，并且在中心部位不需要有空气存在，所以设计成山的形状，以提高燃烧室内空气的利用率。

图4   燃烧室模型

3. 燃烧室口部

如图3所示，燃烧室口的形状影响挤流的强度，如果燃烧室口部的倒角小，挤流的强度就会增强，发生的滚流强度也会增强。但是由于燃烧会使得活塞口部温度升高，增加了龟裂的危险性；如果燃烧室口部的倒角大，口部龟裂的危险性则得到降低，挤流的效果减少，燃烧功率会降低。

4. 燃烧室设计

根据直喷柴油机燃烧室设计的一般原则，进行某国Ⅳ发动机燃烧室设计（如图4所示），其中燃烧室的d/D为2.58，VR为0.782。

图5   压缩上止点前30°CA

缸内流动仿真

基于FIRE软件对燃烧室模型进行模拟仿真，分析在喷油时刻附近燃烧室内空气流动状况，通过查看各时刻缸内空气的流动状况来分析燃烧室设计的合理性。

1. 边界条件

本次计算选取的是额定工况点，计算从110°曲轴转角持续到810°，其中720°作为点火TDC，而360°是换气TDC，初始时刻气缸和排气道内的残余废气被设定为1.0（即100%），进气道内的EGR率被设定为0。在计算的初始时刻，气缸和气道内的压力、温度分布被认为是均匀的，CFD模拟计算中设定的壁面温度为进气道110 ℃/燃烧室顶部200 ℃/缸套180 ℃/活塞267 ℃/排气道280 ℃。

图6   压缩上止点前10°CA

2. 计算模型

本次计算用的四缸四冲程缸内直喷柴油机，额定功率为85 kW/3 600（r/min），缸径为93 mm。CFD计算气门正时如表所示。

结果分析

选取了压缩上止点附近的4个点，基本囊括开始喷油、油气混合及燃烧的主要过程中燃烧室内气体的流动状态，这4个点分别为压缩上止点前30°CA、压缩上止点前10°CA、压缩上止点和压缩上止点后10°CA。

图7  压缩上止点

图5为压缩上止点前30°CA的缸内气体流动速度云图，通过横截面的分布图可以看出，气体流动在圆周上分布比较均匀，气体流动速度由燃烧室的周边到中心，速度逐渐降低，到燃烧室的中心，气体流动速度几乎为零。从截面A和截面B看，在燃烧室的中低部气体流动速度较低，尤其在底部还存在部分气体流动速度几乎为零的区域，说明这时燃烧室的挤流效果还不明显。

图6为压缩上止点前10°CA接近于喷油时刻缸内气体流动云图，在这个时刻，通过A、B截面可以看出，由于活塞的上行对气体的挤压，燃烧室周边的气体向燃烧室内部流动，形成了少量的滚流，压缩上止点前10°CA正好是燃料开始喷射时刻，气体沿着滚流效果对于能使燃料和气体快速混合，改善燃烧，达到改善发动机性能和减少污染物排放的效果。

图8   压缩上止点后10°CA

图7为压缩上止点位置的燃烧室内的气体流动速度分布云图，通过A、B截面可以看出，在燃烧室内部形成了明显的滚流，滚流和涡流结合可以形成斜轴涡流，斜轴涡流充分利用进气涡流和滚流的优点，在上止点附近形成更强的湍流运动，提高混合气的燃烧速率。

图8为压缩上止点后10°CA的燃烧室内的气体流动状态，这个时刻活塞进行做功冲程，处于缓燃期阶段，这时滚流效果已经减弱，涡流效果还比较明显，对于剩余燃料的燃烧起着重要作用，对于减少碳烟的排放有较好的效果。

结论

柴油机混合气的形成和燃烧与燃烧室有密切关系，燃烧室的设计对气体流动特性影响很大，文章依据燃烧室设计一般原则设计了某款国Ⅳ发动机燃烧室，并运用CFD软件模拟分析气体在燃烧室内部的流动情况，验证设计的合理性，减少了发动机燃烧开发试验的工作量。结果显示，在燃料喷射、混合和燃烧各阶段气体流动效果理想，对于加强气体和燃料的混合、改善燃烧非常有利，从而提高了发动机的性能并减少了污染物的排放。