气门热负荷对发动机燃烧和排放特性的影响

气门热负荷对发动机燃烧和排放特性的影响
陈晖
【期刊名称】《《柳州职业技术学院学报》》
【年(卷),期】2019(019)005
【总页数】4页(P117-120)
【关键词】发动机; 气门热负荷; 燃烧特性; 排放特性
【作者】陈晖
【作者单位】柳州职业技术学院广西柳州 545000
【正文语种】中文
【中图分类】TK421
0 引言
气门是发动机中重要的零件，在四冲程发动机的工作循环中，气门的作用是向发动机内输入空气并排出燃烧后的废气。

从作用上，可分为进气门和排气门。

在工作过程中，气门头部的温度很高，进气门头部温度通常在200℃-450℃，而排气门头部温度可以达到700℃-900℃[1]。

气门在承受高温的同时，还要频繁的打开和关闭，热负荷和机械负荷过大是导致气门失效的主要原因[2-3]。

已有研究表明，防止气门失效，一方面可以改变气门的材料，另一方面可以改变气门的结构，如采用空心充纳气门和空头充纳气门[4]。

无论改变气门材料还是气门结构，都会导致气门的传热系数的改变，从而使气门热负荷发生变化。

目前对气门的模拟研究主要集
中在气门失效及气门传热模型的研究[5-7]，降低气门热负荷有助于防止气门失效，但是气门热负荷过低，会使发动机燃烧过程中在气门处的传热损失增加，从而影响发动机的性能，气门热负荷的改变对发动机性能影响的研究还较少，因此，本文在一台三缸发动机上开展气门热负荷对发动机性能影响的模拟研究，为发动机的气门设计及性能标定提供参考。

1 试验装置及试验方法
1.1 反应机理的选择
为了更准确的模拟发动机的燃烧和排放物生成过程，本文采用化学动力学反应机理耦合三维CFD软件的方法进行模拟研究，其中采用Liu等人提出的PRF机理模拟汽油在缸内的燃烧反应，该机理包含41种物质和124个基元反应，并经过了激波管、定容燃烧弹和发动机试验的验证[8]。

1.2 发动机模型的建立
采用Converge2.2软件建立发动机模型，发动机模型的几何参数基于在一台3缸缸内直喷增压汽油机，发动机的主要参数如表1所示。

湍流模型选用RNG K-ε模型，燃烧模型选用SAGE模型，采用自适应网格，最大网格数小于100万，图1
是发动机模型示意图。

表1 发动机的主要技术参数项目缸数排量/L压缩比缸径/mm行程/mm数值3 1.2 10.5 75 90.5
图1 发动机模型示意图
1.3 模型验证
图2是发动机缸内压力曲线模拟计算结果与试验结果的对比图。

发动机的运行工况：转速为5500r/min（额定转速），循环喷油量为75.5mg/cycle，点火时刻：6°ATDC，喷油压力为20MPa。

从图2可以看出，缸内压力曲线模拟技术值和试
验值基本吻合，模型能较好的预测发动机的燃烧过程。

图2 发动机缸内压力曲线图
2 模拟结果与讨论
Converge2.2软件在进行发动机缸内燃烧模拟计算前，需要将燃烧室边界的平均
温度作为边界值进行输入，用于计算燃烧过程中燃烧室的壁面换热，燃烧室边界包括了气缸壁，活塞顶部，进、排气门底部等区域。

为了研究气门热负荷对发动机燃烧和排放的影响，将排气门底部平均温度分别设置为600K、650K、700K、750K，排气门底部平均温度数值越大，表明气门热负荷越大，燃烧室其他边界区域的平均温度值不变，并且发动机的转速、循环喷油量、点火时刻、喷油压力等其他边界条件输入值保持不变。

2.1 排气门传热效率对发动机燃烧的影响
图3（a）是不同排气门底面平均温度对缸内压力的影响，从图中可以看出，随着
排气门底部平均温度的升高，发动机气门热负荷增大，缸内最大最高压力升高率由0.27MPa/CAD升高到0.4MPa/CAD，升高幅度达到32.5%，同时，从图3（b）和图3（c）中可以看出，缸内最高压力和最高温度也有小幅增加。

这是因为排气
门底部平均温度升高，缸内燃烧过程中气门传热损失降低，燃烧效率提高。

因此，减小气门头部的热负荷，一方面可以有效防止气门失效，使发动机工作平顺，但另一方面也会使发动机动力下降。

图3 排气门底面平均温度对发动机燃烧特性的影响
2.2 排气门热负荷对发动机排放的影响
汽油机的主要排放污染物有CO、HC和NOX。

图4（a）是不同排气门底面平均
温度对NOx排放的影响，缸内燃烧温度对NOx的生成有重要影响，如图3（c）所示，缸内最高温度随着排气门底面平均温度的升高而升高，因此气门热负荷的增加，会使NOx排放大幅增加。

HC是由燃料在缸内过浓或过稀区域未完全燃烧而
产生，气门热负荷增加，减小了燃烧室局部传热损失，促进缸内燃烧，从图4（b）中可以知，随着排气门底面平均温度升高，HC排放不断降低。

CO是烃燃料燃烧
的中间产物，主要由于汽油在缸内燃烧过程中高温缺氧或温度过低产生，可燃混合气的过量空气系数是影响CO生成的主要因素，因此，在发动机转速和循环喷油量不变的条件下，从图4（c）中可以看出，发动机气门热负荷的变化对CO的排放
影响很小。

图4 排气门底面平均温度对发动机燃烧特性的影响
5 结论
降低气门热负荷是防止气门失效的有效方法，同时，气门热负荷的改变对发动机燃烧特性和排放特性有着重要的影响，随着排气门热负荷的降低，发动机最大压力升高率明显下降，缸内最高压力和最高温度小幅下降，NOX排放降低，HC排放增加，CO排放没有明显变化，降低排气门热负荷会使发动机动力下降并使HC排放增加。

参考文献：
【相关文献】
[1]周廷美，吕俊成，莫易敏.发动机气门的动力学及温度场三维数值模拟[J].内燃机，2004（6）：
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[2]刘兢生．高温对发动机气门磨损特性的试验研究[J].内燃机工程，1994，15（4）：39-44.
[3]Zhao R，Barber G C，Wang Y S，et.al.Wear Mechanism Analysis of Engine Exhaust Valve Seats with a Laboratory Simulator[J].Tribology Transactions，1997，40（2）：209-218.
[4]程绍桐，王致钊，程淑颖.柴油机气门失效分析及改造(一)[J].内燃机，2004（2）：8-9.
[5]白敏丽，沈胜强，陈家骅.燃烧室部件耦合系统循环瞬态模型的研究[J].内燃机学报，2000，18（1）：100-103.
[6]白敏丽，沈胜强，陈家骅.燃烧室部件耦合系统过渡工况传热全仿真模拟研究[J].内燃机学报，
2001，19（3）：229-234.
[7]王琳，刘佐民，裴新.发动机气门三维有限元分析及变形规律研究[J].武汉理工大学学报，2002（3）：33-36.
[8]Yao-Dong Liu，Ming Jia，Mao-Zhao Xie，Bin Pang.Enhancement on a Skeletal Kinetic Model for Primary Reference Fuel Oxidation by Using a Semidecoupling Methodology[J].Energy Fuels，2012（26）：7069-7083.。