汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室熱性能分析

汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室熱性能分析

1汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)熱力過(guò)程模擬技術(shù)作為一種新型交通工具，電動(dòng)汽車(chē)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、行駛距離小等優(yōu)點(diǎn)。因此，它非常適合中小型無(wú)人機(jī)螺旋的動(dòng)力系統(tǒng)。美國(guó)國(guó)家航空航天局從上個(gè)世紀(jì)60年代以來(lái),開(kāi)展了一系列針對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的研究計(jì)劃。從70年代開(kāi)始利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)熱力過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,其中最具代表性的是麻省理工學(xué)院Sloan技術(shù)研究中心開(kāi)發(fā)的一套汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)熱力過(guò)程模擬程序。在此程序中,采用的是四沖程化油器式汽油機(jī)的零維熱力學(xué)模型;Roberts用直接噴射分層燃燒轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒放熱率曲線代替往復(fù)式汽油機(jī)的燃燒放熱率曲線,使其發(fā)展成可預(yù)測(cè)直接噴射分層燃燒轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)熱力過(guò)程的計(jì)算程序;Bartrand等在Roberts研究工作的基礎(chǔ)上又增加了一維傳熱、渦輪增壓器工作過(guò)程模擬子程序;Rachel等添加了預(yù)測(cè)端面和徑向密封片摩擦損失的子程序;上個(gè)世紀(jì)90年代中期推出迄今為止最為完善的直接噴射分層燃燒轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)熱力過(guò)程模擬程序。汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)熱力過(guò)程模擬技術(shù)還處于初期研究階段,缺乏完善的數(shù)值模擬技術(shù)及相關(guān)軟件。本文針對(duì)汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的特點(diǎn),利用多區(qū)燃燒模型和一維非定常管道流模型對(duì)汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究,為開(kāi)發(fā)研制轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)提供分析工具。2燃燒內(nèi)工質(zhì)的能量方程圖1為雙火花塞點(diǎn)火式汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)工質(zhì)與外界交換質(zhì)量與能量的示意圖。圖中1、2、3為一個(gè)轉(zhuǎn)子室中的三個(gè)不同燃燒室,一個(gè)燃燒室內(nèi)還包含不同的區(qū)域(如已燃區(qū)和未燃區(qū)),各區(qū)之間及與周?chē)h(huán)境之間有質(zhì)量、熱量和功的交換。每一個(gè)燃燒室都可用熱力學(xué)模型描述成一個(gè)獨(dú)立的開(kāi)式熱力學(xué)系統(tǒng)。在用熱力學(xué)模型對(duì)某一個(gè)燃燒室內(nèi)氣體熱力過(guò)程進(jìn)行描述時(shí),其它兩個(gè)燃燒室內(nèi)的氣體熱力學(xué)性質(zhì)作為該燃燒室熱力過(guò)程分析的邊界條件,在計(jì)算漏氣量和縫隙流時(shí)才需要考慮。若e、m、p、T、R分別為燃燒室1內(nèi)工質(zhì)的比內(nèi)能、質(zhì)量、壓力、溫度和氣體常數(shù),Qf為燃料燃燒放出的熱量,Qw為燃燒室內(nèi)工質(zhì)通過(guò)燃燒室周壁與外界交換的熱量,則可寫(xiě)出燃燒室1內(nèi)工質(zhì)的能量守恒、質(zhì)量守恒和氣體狀態(tài)方程∑d(m?e)idα=∑dQf,idα+∑dQw,idα+hindmindα+hexhdmexhdα?p∑dVidα+H(1)dmdα=dmindα+dmexhdα+dml12dα+dml13dα+dmC12dα+dmC13dα(2)p∑Vi=∑miRiTi(3)∑d(m?e)idα=∑dQf,idα+∑dQw,idα+hindmindα+hexhdmexhdα-p∑dVidα+Η(1)dmdα=dmindα+dmexhdα+dml12dα+dml13dα+dmC12dα+dmC13dα(2)p∑Vi=∑miRiΤi(3)其中,H=hl12dml12dα+hl13dml13dα+hC12dmC12dα+hC13dmC13dα(4)Η=hl12dml12dα+hl13dml13dα+hC12dmC12dα+hC13dmC13dα(4)式中,α為偏心軸轉(zhuǎn)角;hindmin、hexhdmexh為燃燒室內(nèi)工質(zhì)通過(guò)進(jìn)、排氣口與外界交換的焓;hl12dml12、hl13dml13為燃燒室內(nèi)工質(zhì)通過(guò)徑向密封片處漏氣通道與外界交換的焓;hC12dmC12、hC13dmC13為燃燒室內(nèi)工質(zhì)與徑向密封片縫隙體積之間交換的焓;下標(biāo)i表示第i個(gè)區(qū)域內(nèi)氣體的熱力學(xué)參數(shù)。方程式中正負(fù)號(hào)的規(guī)定為:加入系統(tǒng)的能量、質(zhì)量為正值,從系統(tǒng)取出的能量、質(zhì)量為負(fù)值。求解上述方程組時(shí),需給定一些計(jì)算子模型,其中燃燒室瞬時(shí)容積V利用文獻(xiàn)中的模型計(jì)算,dml12、dml13、dmC12、dmC13及dQw采用文獻(xiàn)中的模型計(jì)算。3微分方程組分段汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)一個(gè)熱力循環(huán)可分為進(jìn)氣、壓縮、燃燒膨脹和排氣等四個(gè)過(guò)程。針對(duì)四個(gè)過(guò)程的特點(diǎn),需要將上述描述汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)熱力過(guò)程的微分方程組分段求解。除燃燒膨脹過(guò)程外,其它三個(gè)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型和求解方法與直接噴射分層燃燒轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)一樣。3.1多區(qū)燃燒膨脹階段的分類(lèi)假設(shè)兩個(gè)火花塞同時(shí)跳火并同時(shí)形成火焰核心,則汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒膨脹過(guò)程可分為著火、多區(qū)燃燒膨脹和單區(qū)膨脹等三個(gè)階段。由于是兩個(gè)火花塞點(diǎn)火,則多區(qū)燃燒膨脹階段又可分為:三區(qū)燃燒膨脹(兩個(gè)已燃區(qū)和一個(gè)未燃區(qū)),對(duì)應(yīng)于火焰核心形成至兩個(gè)球形火焰剛剛接觸的這一時(shí)期;二區(qū)燃燒膨脹(一個(gè)已燃區(qū)和一個(gè)未燃區(qū)),對(duì)應(yīng)于兩個(gè)球形火焰開(kāi)始接觸至火焰前鋒面到達(dá)端蓋內(nèi)壁面的這一時(shí)期;三區(qū)燃燒膨脹(一個(gè)已燃區(qū)和二個(gè)未燃區(qū)),對(duì)應(yīng)于火焰前鋒面到達(dá)端蓋內(nèi)壁面至燃燒過(guò)程結(jié)束的這一時(shí)期。不同的燃燒膨脹階段需采用不同的處理方法。對(duì)于著火和單區(qū)膨脹過(guò)程,處理方法與往復(fù)式汽油機(jī)相同。3.2未燃區(qū)燃燒率計(jì)算假設(shè)火焰核心形成后兩個(gè)火焰分別以不同半徑且無(wú)限薄的火焰前鋒面在燃燒室中傳播;各區(qū)之間無(wú)熱量交換;燃燒室內(nèi)壓力均勻;流出各區(qū)氣體的成分與各區(qū)內(nèi)氣體的成分相同;未燃?xì)怏w由空氣、燃料蒸汽和殘余廢氣組成;已燃?xì)怏w為燃燒產(chǎn)物,其瞬時(shí)成分由化學(xué)平衡計(jì)算。基于這些假設(shè)及兩個(gè)未燃區(qū)和一個(gè)已燃區(qū)燃燒膨脹階段的特點(diǎn),可建立兩個(gè)未燃區(qū)和一個(gè)已燃區(qū)燃燒膨脹階段的數(shù)學(xué)模型∑d(m?e)ndα=dQf,uldα+dQf,utdα+∑dQw,ndα?p∑dVndα+H(n=ul,ut,b)(5)∑d(m?e)ndα=dQf,uldα+dQf,utdα+∑dQw,ndα-p∑dVndα+Η(n=ul,ut,b)(5)d(m?e)bdα=dQf,uldα+dQf,utdα+dQw,bdα+huldmb.uldα+hutdmb,utdα?pdVbdα(6)d(m?e)uldα=dQw,uldα?huldmb,uldα?pdVuldα+hl13dml13dα+hC13dmC13dα(7)d(m?e)utdα=dQw,utdα?hutdmb,utdα?pdVutdα+hl12dml12dα+hC12dmC12dα(8)d(m?e)bdα=dQf,uldα+dQf,utdα+dQw,bdα+huldmb.uldα+hutdmb,utdα-pdVbdα(6)d(m?e)uldα=dQw,uldα-huldmb,uldα-pdVuldα+hl13dml13dα+hC13dmC13dα(7)d(m?e)utdα=dQw,utdα-hutdmb,utdα-pdVutdα+hl12dml12dα+hC12dmC12dα(8)其中,dmb,ul/dt=ρulAf,ulST,ul(9)dmb,ut/dt=ρutAf,utST,ut(10)式中,dmb/dt為質(zhì)量燃燒率;ρ、Af和ST為氣體密度、火焰前鋒面積和湍流燃燒速率;下標(biāo)b、ul和ut分別表示已燃區(qū)及前、后未燃區(qū)。與上述方法類(lèi)似,同樣可建立其它兩個(gè)多區(qū)燃燒膨脹階段的數(shù)學(xué)模型。3.3多區(qū)域燃燒和擴(kuò)張過(guò)程的研究模型3.3.1湍流燃燒速率計(jì)算方法在汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中,火焰?zhèn)鞑ニ俣萐P與湍流燃燒速率ST和氣體遷移速度uh之間有SP=ST±uh(11)式中,當(dāng)火焰前鋒面的傳播方向與氣體遷移速度方向一致時(shí)取正號(hào),反之取負(fù)號(hào)。若燃燒室內(nèi)氣體質(zhì)量不變且密度均勻,用一維非定常流質(zhì)量連續(xù)方程可確定氣體遷移速度。湍流燃燒速率取決于湍流強(qiáng)度,至今仍無(wú)法用湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚撝苯佑?jì)算出來(lái),只能采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。在計(jì)算汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)湍流燃燒速率時(shí),考慮到轉(zhuǎn)子上有凹坑,需引入一個(gè)反應(yīng)擠流影響的參數(shù)即火焰強(qiáng)化因子Cf,并分段計(jì)算ST=fcSL(火焰未離開(kāi)轉(zhuǎn)子凹坑時(shí))ST=CffcSL(火焰離開(kāi)轉(zhuǎn)子凹坑時(shí))(12)式中,fc為火焰速度比,fc和Cf的數(shù)值由試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定;SL為層流火焰燃燒速率,用庫(kù)爾公式計(jì)算。3.3.2u3000dra的火焰面利用多區(qū)燃燒模型模擬汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)熱力過(guò)程時(shí),除需獲得燃燒室總?cè)莘e外,還需得出火焰前鋒面積、各區(qū)體積及各區(qū)傳熱面積等參數(shù)。為此,針對(duì)汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出了處理燃燒室?guī)缀涡螤畹姆椒?。該方法的基本思想?沿燃燒室寬度方向(Z軸)把燃燒室剖分成2N+1個(gè)平行截面(假設(shè)火花塞S安裝在寬度的1/2處,則兩平行截面間的距離ΔZ=W/(2N)),平行截面的外廓周線即為燃燒室在X-O-Y平面上的投影,如圖2所示。沿轉(zhuǎn)子室型面按等α劃分節(jié)點(diǎn)h1、h2、……、hm+1,沿轉(zhuǎn)子型面按等弧長(zhǎng)劃分節(jié)點(diǎn)R1、R2、……、Rn+1,把凹坑底部型面看作為轉(zhuǎn)子理論型面的平移面(平移距為凹坑深度),處理方法與轉(zhuǎn)子實(shí)際型面一樣。利用轉(zhuǎn)子室和轉(zhuǎn)子的型線方程,分別依次計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值和兩相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離及這些節(jié)點(diǎn)到火花塞的距離,并與該時(shí)刻的火焰半徑Rfi比較,判斷該節(jié)點(diǎn)是否被火焰區(qū)包圍。若α?xí)r刻形成了以火花塞S為中心、半徑為Rfi的球形火焰面(圖2b),燃燒室內(nèi)氣流在前、后兩個(gè)火焰鋒面處的遷移速度為uhli、uhti,湍流燃燒速率為STli、STti,按式(11)計(jì)算此時(shí)前、后火焰鋒面的傳播速度SPli、SPti,球狀火焰鋒面的平均傳播速度SˉˉPi=(SPli+SPti)/2(13)SˉΡi=(SΡli+SΡti)/2(13)在Δα增量?jī)?nèi),球狀火焰的傳播距離ΔRfi=SˉˉPi?Δα/ω(14)ΔRfi=SˉΡi?Δα/ω(14)在α+Δα?xí)r刻,火焰鋒面的半徑Rf(i+1)=Rfi+ΔRfi(15)半徑為Rfi的球形火焰鋒面在Z=0的X-Y平面上與轉(zhuǎn)子室實(shí)際型線、轉(zhuǎn)子實(shí)際型線的交點(diǎn)為Phli、Phti、Prli、Prti、Pcli。由圖2b可見(jiàn):交點(diǎn)Phti的坐標(biāo)XPti、YPti可由h3、h2節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值插值求出;利用同樣方法可求出Phli、Prli、Prti、Pcli點(diǎn)在X-Y坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。同時(shí),采用插值法求出轉(zhuǎn)子實(shí)際型線上Prli、Prti點(diǎn)至R1(后密封點(diǎn))的弧長(zhǎng)R1Pue150ue151ue154ue154ue154rliR1Ρ?rli、R1Pue150ue151ue154ue154ue154rtiR1Ρ?rti;同樣,求出C1Pue150ue151ue154ue154ue154cliC1Ρ?cli。半徑為Rfi的球形火焰鋒面在Z=ΔZ的X-Y平面上投影圓的半徑為(Rfi)2?(ΔZ)2????????????√(Rfi)2-(ΔΖ)2。與上述方法一樣,求出此圓與轉(zhuǎn)子室實(shí)際型線、轉(zhuǎn)子實(shí)際型線交點(diǎn)在X-Y坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值;轉(zhuǎn)子型線上各交點(diǎn)至后密封點(diǎn)的弧長(zhǎng)。如此不斷地求出半徑為Rfi的球形火焰鋒面在Z=2ΔZ、3ΔZ、……、Rfi的X-Y平面上投影圓的半徑及此圓與轉(zhuǎn)子室實(shí)際型線、轉(zhuǎn)子實(shí)際型線交點(diǎn)在X-Y坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值;轉(zhuǎn)子型線上各交點(diǎn)至后密封點(diǎn)的弧長(zhǎng)。至此已求出半徑為Rfi的球形火焰鋒面與轉(zhuǎn)子室實(shí)際型面、轉(zhuǎn)子實(shí)際型面上各交點(diǎn)在X-Y-Z坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。按上述步驟不斷地計(jì)算各個(gè)步長(zhǎng)后火焰鋒面的半徑增量,半徑及球形火焰鋒面與轉(zhuǎn)子室實(shí)際型面及轉(zhuǎn)子實(shí)際型面交點(diǎn)在X-Y-Z坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值,直到燃燒過(guò)程結(jié)束。最后用積分的方法確定火焰前鋒面面積、各區(qū)體積及各區(qū)傳熱面積。4節(jié)氣門(mén)開(kāi)度對(duì)汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響應(yīng)用上述建立的燃燒室內(nèi)熱力過(guò)程及一些邊界的數(shù)學(xué)模型對(duì)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示的雙火花塞點(diǎn)火式汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了模擬計(jì)算。圖3是節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為50%、n=3990r/min,倒拖汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)燃燒室內(nèi)氣體壓力隨偏心軸轉(zhuǎn)角的變化。圖4是節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為100%、n=5400r/min,著火工況下汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)氣體壓力和不同區(qū)域內(nèi)氣體溫度隨偏心軸轉(zhuǎn)角的變化。圖5是節(jié)氣門(mén)開(kāi)度分別為100%、75%、50%和25%時(shí),雙火花塞點(diǎn)火式汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化。從圖3和4a可以看出:倒拖和著火工況下預(yù)測(cè)和測(cè)量的燃燒室內(nèi)氣體壓力在一個(gè)循環(huán)中都能較好地吻合。從圖4b看出:對(duì)于雙火花塞點(diǎn)火式汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī),在兩個(gè)已燃區(qū)和一個(gè)未燃區(qū)的燃燒階段,前已燃區(qū)內(nèi)氣體溫度Tbl稍高于后已燃區(qū)內(nèi)氣體溫度Tbt。這有兩個(gè)方面的原因:一是前已燃區(qū)所在位置燃燒室空間較大,火焰前鋒面積大;二是前已燃區(qū)比后已燃區(qū)的散熱面積要小。而在一個(gè)已燃區(qū)和兩個(gè)未燃區(qū)的燃燒階段,雖然后未燃區(qū)內(nèi)氣體受到壓縮,前未燃區(qū)內(nèi)氣體膨脹,但后未燃區(qū)內(nèi)氣體的溫度Tut仍低于前未燃區(qū)內(nèi)氣體溫度Tul。這主要是因?yàn)楹笪慈紖^(qū)內(nèi)氣體是處在轉(zhuǎn)子室內(nèi)壁與轉(zhuǎn)子外壁間狹窄的空間內(nèi),散熱面積大所致。由圖5看出:汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為100%、75%和50%時(shí),預(yù)測(cè)和測(cè)量的各性能參數(shù)值基本一致;節(jié)氣門(mén)開(kāi)度