Влияние формы камеры сгорания на газодинамические характеристики воздушного вихря

   Статья посвящена изучению влияния формы камеры сгорания поршневого двигателя внутреннего сгорания на газодинамические характеристики воздушного вихря, т. е. на среднюю и пульсационную скорость потока, интенсивность турбулентности и масштаб турбулентности Колмогорова. Проведенный обзор литературы показал, что газодинамические характеристики воздушного вихря оказывают значительное влияние на динамику процесса сгорания топлива и, следовательно, на экологические и энергетические характеристики двигателя.

   Отмечается, что улучшение газодинамических характеристик воздушного вихря является важным этапом конструирования новых двигателей.

   Изменение формы камеры сгорания осуществлялось с помощью поршней с разной формой днища: плоской, полусферической, «Гессельман» и «ЯМЗ» с усеченным конусом. Представлена методика численного моделирования поршневого двигателя. Проведенный анализ сеточной сходимости при расчете характеристик турбулентности воздушного вихря выявил целесообразность применения гексаэдрической формы ячеек размером 0,5–1 мм конечно-элементной сетки двигателя.

   На основании этого сделан вывод о том, что при расчете термодинамических характеристик допустимо использование грубых сеток с размером ячейки более 4 мм.

   Применение в ходе данного исследования методов численного моделирования, реализованных в программном комплексе Ansys Fluent, позволило детально изучить газодинамические характеристики потока и их зависимость от угла поворота коленчатого вала и формы камеры сгорания. Показано, что степень влияния формы камеры сгорания на газодинамические характеристики в значительной степени зависит от угла поворота коленчатого вала двигателя. Выявлено, что для всех форм камер сгорания при приближениипоршня к верхней мертвой точке  наблюдается пик интенсивности турбулентности и минимум масштаба Колмогорова, а следовательно, в верхней мертвой точке влияние турбулентности на процесс сгорания является максимальным. Материалы работы могут иметь практическое применение при исследовании рабочего процесса двигателя с использованием методов вычислительной гидродинамики.

1. Живлюк Г. Е. Особенности развития экологически безопасных современных дизельных энергетических установок / Г. Е. Живлюк, А. П. Петров // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2017. — Т. 9. — № 3. — С. 581–596. — EDN: YTXYEP. DOI: 10.21821/2309-5180-2017-9-3-581-596.

2. Heywood J. Internal combustion engine fundamentals / J. Heywood. — New-York: McGraw-Hill Education, 2018. — 1721 p.

3. Галиев И. Р. О влиянии характеристик турбулентности на скорость распространения и ширину пламени / И. Р. Галиев // Двигателестроение. — 2023. — № 4(294). — С. 32–41. — EDN: GTGVSB. DOI: 10.18698/jec.2023.4.32-41.

4. Гаврилов В. В. Согласование конструктивных и регулировочных параметров дизеля на основе анализа внутрицилиндровых процессов / В. В. Гаврилов, В. Ю. Мащенко, В. И. Захаров // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2017. — Т. 9. — № 6. — С. 1300–1309. — EDN: YLUFEN. DOI: 10.21821/2309-5180-2017-9-6-1300-1309.

5. Кавтарадзе Р. З. Развитие теории рабочих процессов ДВС в МГТУ им. Н. Э. Баумана: от метода Гриневецкого до современных 3D-моделей / Р. З. Кавтарадзе // Двигателестроение. — 2020. — № 1(279). — С. 3–9. — EDN: IWWMMN.

6. Ватолин Д. С. Оценка эффективности топливоподготовки на судах, использующих в качестве топлива сжиженный природный газ / Д. С. Ватолин // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2023. — Т. 15. — № 3. — С. 501–512. — EDN: RRSEXY. DOI: 10.21821/2309-5180-2023-15-3-501-512.

7. Kim D. Effects of spray pattern and piston shape on in-cylinder flow in a two-cylinder spray-guided gasoline direct-injection optical engine / D. Kim, J. Shin, J. Kim, J. Park, Y. Son, S. Park // Applied Thermal Engineering. — 2023. — Vol. 234. — Pp. 121272. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2023.121272.

8. Akar F. Numerical investigation of in-cylinder gas motion dynamics in a heavy-duty direct injection hydrogen internal combustion engine / F. Akar, O. Özener // International Journal of Hydrogen Energy. — 2024. — Vol. 86. — Pp. 730–741. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.08.338.

9. Иванченко А. А. Проблемы и опыт математического моделирования экологических и эксплуатационных показателей судового высокооборотного дизеля М482 / А. А. Иванченко, И. А. Щенников, А. А. Иванченко // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2016. — № 3(37). — С. 166–173. — EDN: WBKCEP. DOI: 10.21821/2309-5180-2016-7-3-166-173.

10. Кулешов И. И. Экспериментальное обоснование выбора размера конечного элемента при расчете головок поршней / И. И. Кулешов, В. М. Ходаковский // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2017. — Т. 9. — № 3. — С. 603–611. — EDN: YTXYFJ. DOI: 10.21821/2309-5180-2017-9-3-603-611.

11. Doppalapudi A. T. Analysis of Improved In-Cylinder Combustion Characteristics with Chamber Modifications of the Diesel Engine / A. T. Doppalapudi, A. K. Azad, M. M. K. Khan // Energies. — 2023. — Vol. 16. — Is. 6. DOI: 10.3390/en16062586.

12. Johansson B. Combustion Chambers for Natural Gas SI Engines Part I: Fluid Flow and Combustion / B. Johansson, K. Olsson // International Congress & Exposition — SAE International, 1995. DOI: 10.4271/950469.

13. Baccouch M. Computational Fluid Dynamics — Analysis, Simulations, and Applications / M. Baccouch. — IntechOpen, 2025. — 244 p. DOI: 10.5772/intechopen.1003390.

14. Harshavardhan B. Effect of piston shape on in-cylinder flows and air–fuel interaction in a direct injection spark ignition engine — A CFD analysis / B. Harshavardhan, JM. Mallikarjuna // Energy. — 2015. — Vol. 81. — Pp. 361–372. DOI: 10.1016/j.energy.2014.12.049.

15. Pham V. C. Effects of Piston Bowl Geometry on Combustion and Emissions of a Four-Stroke Heavy-Duty Diesel Marine Engine / V. C. Pham, J. K. Kim, W-J. Lee, S-J. Choe, V. V. Le, J-H. Choi // Applied Sciences. — 2022. — Vol. 12. — Is. 24. DOI: 10.3390/app122413012.

16. Danciu B. A. Analysis of in-cylinder flow structures and turbulence in a laboratory scale engine using direct numerical simulations / B. A. Danciu, G. K. Giannakopoulos, M. Bode, C. E. Frouzakis // Physics of Fluids. — 2025. — Vol. 37. — № 9. — P. 095191. DOI: 10.1063/5.0267238.

17. Doosje E. Limits of mixture dilution in gas engines: Phd Thesis; specialty: Mechanical Engineering / E. Doosje. — Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven, 2010. — 217 p. DOI: 10.6100/IR684884.

18. Yavuz I. Refined Turbulence Models for Simulation of IC-Engine Cylinder Flows Phd Thesis; specialty: Mechanical and Aerospace Engineering / Yavuz I. — West Virginia University. — 2000. — 312 p. DOI: 10.33915/etd.2309.