不同火花塞电极朝向对发动机缸内点火燃烧过程作用研究

[27]。因此本文湍流模型选择RNGk-ε模型。（2）燃烧模型在燃烧模型中采用SACE模型，该模型具备精确的反应机理，可以用于模拟各种燃烧情况下的不同燃烧状态，如点火、预混合、混合等，同时将机理文件与燃烧动力学相结合，形成一套完整的燃烧过程模拟。SAGE模型与网格自适应加密具有一致性，可通过不同温度梯度对网格等级加密，用来观测燃烧过程中的点火、预混合和混合气的控制等。（3）点火模型点火位置设置在两个电极之间的近似中心，利用coverge自带的工具测量阳极中心和阳极圆柱直径，将点火模型定义为球形，与阳极圆柱的半径相当，点火能量规律如下图：图2.5点火能量释放规律2.4本章小结本章首先对使用的CFD仿真软件Converge进行了介绍，同时对计算流体力学做了简要概述，并详细介绍了三大守恒定律和相应的三大守恒方程。再根据试验参数构建燃烧室模型，对构建的模型进行网格划分、等级加密以及参数设定。

3火花塞电极朝向对点火初期火核形成的影响为了方便描述，本文把火花塞侧电极正对进气道的模型定义为0°，在后文中用方案一代替，火花塞侧电极水平转动90°的模型用方案二代替，火花塞侧电极水平转动180°的模型定义为方案三，如图3.1所示。在后文中对于不同火花塞朝向的描述分别用方案一、方案二、方案三代替。图3.1不同火花塞朝向的模型在燃烧过程中，燃烧初期火核的形成与缸内流速和湍动能密切相关。较高的流速将会促进燃料和空气的混合，增加相对运动速度，有利于形成均匀的混合气体。增加湍动能提高湍流强度，促进燃料蒸发、混合和燃烧区域的温度均匀性。适当的流速和湍动能可控制火核形成的位置和时间。综合考虑流速和湍动能对火核形成的影响，可优化内燃机设计和控制策略，实现更高效、更环保的燃烧过程。3.1缸内流场分析3.1.1缸内进气过程分析图3.2（a）1500rpm-wot工况进气量曲线和滚流比曲线图3.32000rpm-2bar工况进气量曲线和滚流比曲线图3.45000rpm-wot工况进气量曲线和滚流比曲线图3.2，图3.3，图3.4左侧为进气量曲线。由图可知，不同工况下，三种方案的进气量曲线重合在一起。图3.2，图3.3，图3.4右侧为滚流比曲线。在进气阶段，滚流比曲线出现峰值，方案一和方案二的峰值均大于方案三的峰值。进气过程结束后，三种方案的湍动能趋于重合。较高的滚流比通常会增加气缸内的湍动能，因为滚流的旋转运动会导致气体流动的剪切和混合，从而增加湍动能的生成，这种增加的湍动能有助于改善燃料和空气的混合程度，促进更充分的燃烧，提高燃烧效率和动力输出。由上述现象可推断，由于火花塞的体积很小，在活塞其他结构不变的情况下，火花塞朝向的改变对进气量几乎没有影响。在进气阶段，对缸内滚流有一定的影响。3.1.2缸内速度场分析图3.5过进气门中心切片示意图以图3.5为例展示出CA=-340deg、最大气门升程（CA=-230deg）、上止点（CA=0deg）、压缩一半（CA=-90deg）、下止点（CA=-180deg）五个时刻缸内速度云图沿进气门中心切面缸内速度流线图，分析缸内气体流动的情况如下。CA=-340deg时，进气门刚开启，高速进入的气体流过气门阀座与缸壁的间隙，在进气门下方形成小的漩涡。CA=-230deg时，进气门开度已经增大到一定程度，气缸内外压差大，进气射流速度高。气流以较大的速度撞击在气门杆上，气流沿气门四周呈发散状进入气缸，部分气体撞壁后运动方向变化，并在气门背面低压作用下，在进气门左下侧形成一个明显的进气涡流。另一部分靠近气缸中心的气流在气门背压和燃烧室结构的共同作用下，在进气门右下侧形成涡旋。同时速度矢量分离产生切向速度并在燃烧室结构的影响下，气缸中心形成涡团。随着活塞向下运动和气门升程减小的共同左右，缸内容积不断增大，缸内流速降低。当活塞运行到下止点（CA=-180deg）时，较大的漩涡分布在气缸中上部分。压缩行程后期，活塞上移，到达上止点（CA=0deg）。此时相对速度较大的位置出现在靠近排气门的位置。m/s（CA=-340deg）最大气门升程（CA=-230deg.）下止点（CA=-180deg.）压缩一半（CA=-90deg）上止点（CA=0deg.）方案一方案二方案三图3.61500rpm-wot工况下的速度场m/s（CA=-340deg）最大气门升程（CA=-230deg.）下止点（CA=-180deg.）压缩一半（CA=-90deg）上止点（CA=0deg.）方案一方案二方案三图3.72000rpm-2bar工况下的速度场m/s（CA=-340deg）最大气门升程（CA=-230deg.）下止点（CA=-180deg.）压缩一半（CA=-90deg）上止点（CA=0deg.）方案一方案二方案三图3.85000rpm-wot工况下的速度场对比图3.6，图3.7，图3.8可知：在1500rpm-wot时，方案一的平均速度大于其余方案；在2000rpm-2bar时，方案二的平均速度稍大于其余方案；5000rpm-wot时，方案二的平均速度最大，分析结果与前文分析的滚流比曲线吻合。在不同工况下，由于火花塞在气缸内占据的容积相对较小，因此三种方案中气流的运动和漩涡位置基本保持一致。3.1.2点火时刻湍动能分布图3.9(a）1500rpm-wot工况下缸内湍动能曲线图3.9（b）2000rpm-2bar工况下缸内湍动能曲线图3.9（c）5000rpm-wot工况下缸内湍动能曲线分析图3.9可知，不同工况时，方案一和方案二的湍动能曲线较为接近，且湍动能峰值都比方案三大。在1500rpm-wot时，方案二的湍动能峰值大于其余方案；在2000rpm-2bar时，方案一的湍动能峰值大于其余方案；5000rpm-wot时，方案二的湍动能峰值大于其余方案。在进气冲程后期，三种方案的湍动能趋于一致。根据观察，我们可以得出结论：火花塞的朝向对缸内湍动能的影响主要在进气初期。随着进气门的关闭，火花塞的朝向对湍动能的影响逐渐减弱，这与前文中对速度场分析结果的一致性。图3.11为点火时刻缸内速度云图和湍动能云图的对比，切片方向如图3.10所示。图3.10点火时刻切片示意图点火时刻（CA=-20deg.）速度云图(单位m/s)排气侧进气侧排气侧进气侧进气侧排气侧湍动能云图（单位m2/s2）排气侧进气侧排气侧进气侧排气侧进气侧方案一方案二方案三图3.11(a）1500rpm-wot工况下缸内湍动能云图点火时刻（CA=-25deg.）速度云图(单位m/s)排气侧进气侧排气侧进气侧排气侧进气侧湍动能云图（单位m2/s2）排气侧进气侧排气侧进气侧排气侧进气侧方案一方案二方案三图3.11(b）2000rpm-2bar工况下缸内湍动能云图点火时刻（CA=-20deg.）速度云图(单位m/s)排气侧进气侧排气侧进气侧排气侧进气侧湍动能云图（单位m2/s2）排气侧进气侧排气侧进气侧排气侧进气侧方案一方案二方案三图3.11(c）1500rpm-wot工况下缸内湍动能云图从图3.5点火时刻的湍动能云图可以看出，在挤流和缸壁摩擦的共同作用下，缸内气体的流动湍动能分布不均匀，气缸边缘的湍动能弱，气缸中部附近的湍动能强。这种湍动能分布特性对于点火有利，因为强烈的缸内湍流运动可增大点火初期火焰的传播速度且点火时刻的平均湍动能越大，燃烧速度越快，湍动能云图最大值越靠近火花塞，越利于燃烧。1500rpm-wot和5000rpm-wot时，点火时刻方案二的平均湍动能最大。2000rpm-2bar时，方案一的平均湍动能最大，但此时三种方案的湍动能差距不大。3.2火花塞电极朝向对火核形成的影响本文设置温度等值面的参考温度为1000k,分析不同工况下火花塞电极不同朝向对燃烧初期火核的形成及发展，图中的红色部分代表火焰前锋面，活塞的进排气侧如图3.6所示。图3.12进排气侧示意图火核首先在点火装置附近产生，这是因为点火源的能量集中。对比不同方案可知，燃烧初期火焰的传播不仅与火花塞朝向有关，还与缸内气体流速和缸内湍动能有关。方案一方案二方案三Crank=-19degCrank=-19degCrank=-19degCrank=-18degCrank=-18degCrank=-18degCrank=-17degCrank=-17degCrank=-17degCrank=-16degCrank=-16degCrank=-16degCrank=-15degCrank=-15degCrank=-15degCrank=-14degCrank=-14degCrank=-14degCrank=-13degCrank=-13degCrank=-13degCrank=-12degCrank=-12degCrank=-12deg3.13（a）1500rpm-wot工况下点火后8°时火焰等值面分析图3.13（a）可知，方案二的火焰半径明显大于其余方案，火焰向着进气侧发展。方案一和方案二由于火花塞电极对火焰基本无阻挡，且点火时刻的湍动能较大，所以火焰半径明显比方案三大。该工况下，方案二更利于燃烧初期火核的形成。方案一方案二方案三Crank=-25degCrank=-25degCrank=-25degCrank=-24degCrank=-24degCrank=-24degCrank=-23degCrank=-23degCrank=-23degCrank=-22degCrank=-22degCrank=-22degCrank=-21degCrank=-21degCrank=-21degCrank=-20degCrank=-20degCrank=-20degCrank=-19degCrank=-19degCrank=-19degCrank=-18degCrank=-18degCrank=-18deg3.13（b）2000rpm-2bar工况下点火后8°时火焰等值面分析图3.13（b）可知，该工况下三种方案的火焰半径基本一致，方案一的半径比其余方案稍大，火焰均向着进气侧发展。在2000rpm-2bar时，方案一更利于燃烧初期火焰的传播。方案一方案二方案三Crank=-24degCrank=-24degCrank=-24degCrank=-23degCrank=-23degCrank=-23degCrank=-22degCrank=-22degCrank=-22degCrank=-21degCrank=-21degCrank=-21degCrank=-20degCrank=-20degCrank=-20degCrank=-19degCrank=-19degCrank=-19degCrank=-18degCrank=-18degCrank=-18degCrank=-17degCrank=-17degCrank=-17deg3.13（c）5000rpm-wot工况下点火后8°时火焰等值面分析图3.13（c）可知，方案一和方案二的火焰半径明显大于方案三的火焰半径，方案二的火焰半径略大于方案一的火焰半径，从该工况可以很明显的看出火焰是向进气侧发展的，方案二由于火花塞电极对火焰的阻挡最少，所以火焰发展的最快，方案三的火焰发展由于受到侧电极的阻碍，所以火焰半径最小。3.3本章小结本章研究的内容为：在不同工况下，三种火花塞方案对燃烧初期火核形成的影响。（1）分析了缸内气体的流动情况，比较三种工况下的进气量和滚流比，发现火花塞朝向不同对进气量几乎没有影响。（2）对比不同工况缸内的速度场、湍动能曲线、点火时刻的湍动能云图、火焰等值面对比图，发现火花塞朝向对湍动的影响主要集中在进气阶段，随着进气门的关闭，火花塞朝向对湍动能的影响不再明显。在1500rpm-wot和5000rpm-wot工况时均方案二的湍动能较大，利于燃烧初期火焰传播。在2000rpm-2bar工况时，方案一的湍动能较大，更利于火焰传播较快。（3）不同工况下，燃烧初期火核均是向着进气侧发展，这与前文中点火时刻的速度矢量朝向一致，由于火花塞电极对火焰的发展有阻碍作用，方案二对火焰阻碍的影响最小，火花塞朝向为90°时更利于燃烧初期火核的形成和发展。

4火花塞电极朝向对火焰传播过程的影响分析缸内火焰传播可以优化内燃机的燃烧过程，提高燃烧效率并指导燃料选择和燃烧系统设计。本章通过分析火焰传播的影响因素，旨在找到最佳的火花塞朝向。4.1缸内燃烧特征分析（1）燃烧温度分析4.1(a)1500rpm-wot工况下燃烧温度曲线4.1(b)2000rpm-2bar工况下燃烧温度曲线4.1（c）5000rpm-wot工况下燃烧温度曲线图4.1(a)，图4.1（b）,图4.1（c）为缸内燃烧温度曲线，当活塞从下止点处上行时，缸内气体被压缩导致温度上升，点火时刻温度曲线出现一拐点；点火开始后，火焰烧遍整个燃烧室，缸内温度急剧上升并到达最高温度点，该点是燃烧急燃期终点；随着排气门开启，活塞下行，气缸容积增大，缸内温度下降。观察曲线可得，各工况下火花塞方案一缸内最高燃烧温度均为最高。一般而言，燃烧温度越高，燃烧的效率越高。图4.21(a)，图4.2（b）,图4.2（c）为缸内燃烧温度云图，可以看出，火花塞方案一的缸内燃烧温度相对较高。点火后20度（CA=0deg.）方案一方案二方案三4.2（a）1500rpm-wot工况下燃烧温度云图点火后20度（CA=-5deg.）方案一方案二方案三4.2（b）2000rpm-2bar工况下燃烧温度云图点火后20度（CA=-5deg.）方案一方案二方案三4.2（c）5000rpm-wot工况下燃烧温度云图（2）燃烧压力与放热率分析4.3工况下缸压曲线和放热率曲线4.42000rpm-2bar工况下缸压曲线和放热率曲线4.55000rpm-wot工况下缸压曲线和放热率曲线图4.3(a)、图4.4（a）、图4.5（a）为不同工况的缸压曲线。可以看出不同工况下方案一的缸压峰值均为最大。更高的峰值缸压通常表示更充分的燃烧，也就是更高的燃烧效率。高效的燃烧可以提供更多的能量转换，使发动机性能更好。图4.3(b)、图4.4（b）、图4.5（b）为不同工况的放热率曲线。在1500rpm-wot和2000rpm-2bar时，方案一的放热率峰值最大；在5000rpm-2bar时，方案二的放热率峰值最大。缸内放热率曲线上的峰值表示在燃烧过程中最大的热释放速率。峰值放热率通常与峰值缸压相关，因为更高的缸压意味着更多的燃料和氧化剂被压缩和点火，从而产生更大的放热率。（3）CA05和CA50分析表4.1各工况下的CA05方案一方案二方案三1500rpm-wot-5.0°-7.6°-4.1°2000rpm-2bar-5.6°-5.6°-5.4°5000rpm-wot-10.2°-10.7°-7.0°CA50指达到总放热量5%时的曲柄转角，CA05越提前，表示燃烧初期火核传播的越快。根据表4.1可知，2000rpm-2bar时，不同工况的CA05几乎一致，1500rpm-wot和5000rpm-wot时，方案二的CA05更提前，可得出方案二更利于燃烧初期火核形成的结论。表4.2各工况下的CA50uohe方案一方案二方案三1500rpm-wot3.6°2.4°8°2000rpm-2bar25°24.6°25.4°5000rpm-wot2.6°2.4°8.7°CA50指达到总放热量50%时的曲柄转角，CA50越提前，表示燃烧开始的时机越早，燃烧速率越快。根据表4.1可知，不同工况下，方案二的燃烧速率都更快。4.2火焰发展分析温度云图的切片方向如图4.5所示，通温度云图可以显示燃烧室内不同位置的温度情况。。在燃烧过程中，燃料和空气混合并点燃，产生火焰和高温燃烧气体，温度云图能够展示火焰和燃烧气体在燃烧室内的分布情况，帮助分析燃烧的效率和燃烧室的设计图4.5切片观察示意图-10°-5°0°15°方案一方案二方案三4.6（a）1500rpm-wot工况下曲柄转角0°和10°火焰温度云图对比-15°-10°-5°20°方案一方案二方案三4.7（b）2000rpm-2bar工况下曲柄转角-15°和-5°火焰温度云图对比-15°-10°-5°20°方案一方案二方案三4.8（c）5000rpm-wot工况下曲柄转角-15°和-5°火焰温度云图对比如图4.8所示，在不同工况下均选取点火后10°、15°、20°和35°的温度云图切片对比，可以明显的观察到：在1500rpm-wot时，火花塞朝向方案二的高温区域明显更大，证明此时火焰的扩散速度更快。在2000rpm-2bar时，火花塞方案一的高温区域比方案二的略大，证明该工况下方案一更适合火焰的扩散。在5000rpm-wot时，火花塞朝向方案二的高温区域明显大于其余方案，证明该工况下方案二火焰扩散的更快。4.3本章小结本章研究的内容为：在不同工况下，分析三种火花塞朝向对火焰传播过程的影响。同构分析缸内燃烧温度、缸压、燃烧放热率、CA50等影响燃烧火焰发展的因素，发现方案一的燃烧温度最高，最大缸压最大，瞬时放热率最大，方案二的燃烧传播速度更快。5结论与展望5.1全文总结本毕业设计运用CONVERGE仿真软件，基于某企业1.5L增压发动机在主要工况条件下,分析发动机火花塞朝向对缸内点火过程和火焰传播过程产生影响。通过对三种火花塞朝向的燃烧模型进行仿真计算，对比分析各方案缸内混合气的流动、燃烧温度、爆发压力以及火焰传播等仿真结果，主要研究内容及结论如下：（1）火花塞的朝向对进气量基本没有影响，对缸内流场有一定的影响，主要体现在进气阶段：火花塞朝向为90度时缸内流速较快，湍动能较大，这对点火初期火核的形成和火焰的发展更加有利。（2）火花塞朝向为0度时，缸内最大燃烧温度最高，最高燃烧压力最高，瞬时放热率更高，燃烧的效率最高，发动机输出的动力更高。火花塞朝向为90度时，燃烧的效果比火花塞朝向0°时稍低，但火焰传播的速度更快。综合来看，火花塞朝向为90度时，在三个工况下都有较好的燃烧状况，且90度时火焰传播的速度更快。缸内燃烧的传播速度越快，火焰越靠近上止点，将火焰靠近上止点可以使燃烧室内的燃烧气体更好地利用高压和高温的能量，从而实现更高的功率输出；可以实现更均匀和稳定的燃烧过程。这有助于减少燃料的浪费和不完全燃烧，从而降低燃料消耗；可以提供更高的燃烧温度和更长的燃烧持续时间，有助于催化转化器的正常工作和降低尾气排放。所以本文认为在本次仿真的预设中，火花塞朝向为90°为最佳的火花塞朝向。5.2本文展望本文针对气道喷射式发动机进行了仿真研究，重点关注火花塞朝向对燃烧过程的影响，未来的研究可以继续探索以下方面的内容；（1）本文主要依靠数值模拟进行研究，缺乏对发动机进行实际实验验证的环节。因此，未来的研究可以通过进行相关实验来验证所得结果的可靠性。（2）本文的研究在火花塞结构方面较为单一，未来的研究可以考虑采用不同的火花塞结构和不同的火花塞高度，以探究它们对着火核心形成的影响。（3）本文的研究在选用发动机工况方面相对有限，未来的研究可以扩展研究范围，涵盖更多的发动机工况，以更全面地理解和分析不同工况下的燃烧状况。且每个工况的点火提前角不一定为该工况的最佳点火提前角，可以在后期的实验中使用每个工况的最佳点火提前角以便更精准的找出最佳的火花塞朝向。参考文献王宏达,许俊峰;张鑫华;魏福祥;马天翔;李玉峰.基于CONVERGE的车用柴油机缸内燃烧及排放的仿真研究[J].机械制造与自动化,2022(02):[2022-04-19].荣兵,缪红燕,骆伟,胡恒分,左洪卫.PFI发动机性能提升探索[J].轻型汽车技术,2013(1):27-31俞雷,韩磊;张朋.汽车工程领域中CFD技术的应用研究[J].农家参谋,2019(19):.张树玲,张燕然,张波,朱学军.CFD技术进展及其在汽车设计中的应用【J】.教育教学论坛,2018,No.379(37):279-280.陈建宏.轿车火花塞的结构性能与选用维护[J].引进与咨询,2003(8):42-43杜德魁,杨辉睦;周志强.火花塞侧电极定向的要求和实现方案[J].汽车零件,2019(11):[2019-11-28].孙亚东,王明明;肖翔;刘玉铭;熊小建;王瑞平.定向火花塞侧电极角度对侧电极温度与耐久性及混合气燃烧延迟的影响研究[J].小型内燃机与车辆技术,2022(03):.张奇,赵又群,杨国权.基于CFD的汽车外流场数值模拟的发展概述【J】.农业装备与车辆工程,2005,(12):8-11.韩义勇.应用CFD评价和改进柴油机进气道.广西大学硕士学位论文.2005:1—10ChristianFyhr,OlofDahlberg.CompleteEngineModelingUsingCFD[C].SAEPaper2004-01-0109,2004.SurendraGaikwad,KunalArora,VamshiKorivi,etal,SteadyandTransientCFDApproachforPortOptimization[C],SAEPaper2008-01-1430,2008.王锦艳,许涛,滕建耐,阮仁宇.某型GDI汽油机缸内燃烧数值模拟[J].汽车制造业,2014(6):42-44王宏达,许俊峰;张鑫华;魏福祥;马天翔