山西中北大學機械與動力工程學院　王慧　劉漢濤

柴油機缸內(nèi)燃燒過程仿真

山西中北大學機械與動力工程學院王慧劉漢濤

本文以某6缸柴油機為研究對象，建立燃燒過程計算模型，對從進氣門關閉到排氣門打開的過程進行數(shù)值模擬，通過計算出的缸內(nèi)壓力、放熱率和溫度場分布圖來預測其基本性能，并實現(xiàn)內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)參數(shù)與運行參數(shù)的優(yōu)化，從而實現(xiàn)減排節(jié)能。

柴油機；燃燒過程；數(shù)值模擬

引言

內(nèi)燃機自誕生以來，憑借其熱效率高、結(jié)構(gòu)簡單、比質(zhì)量小等優(yōu)點廣泛應用于交通運輸、農(nóng)業(yè)和工程機械，為人類社會的快速發(fā)展做出了巨大貢獻。柴油機給人類生活帶來便利的同時，也帶來了一系列環(huán)境問題，能源緊缺和環(huán)境污染己成為當今世界面臨的兩大難題。改善柴油機燃燒過程是平衡節(jié)能減排的主要手段。由于柴油機燃燒過程極其復雜，伴隨有物理和化學變化，因此國內(nèi)外專家很重視柴油機缸內(nèi)燃燒過程的模擬計算。

本文以某6缸柴油機為研究對象，建立燃燒過程的三維幾何模型，從進氣門關閉到排氣門打開進行模擬計算，通過計算缸內(nèi)壓力、放熱率和溫度場分布圖來預測其基本性能并實現(xiàn)內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)參數(shù)與運行參數(shù)的優(yōu)化，從而實現(xiàn)減排節(jié)能。

1　缸內(nèi)燃燒模型的建立

在改善燃料燃燒和提高性能方面，燃燒室形狀的選取很重要［1］。本文選W形直噴式燃燒室，由氣缸蓋底平面和活塞頂部的凹坑形成，直接噴射到凹坑內(nèi)的柴油主要靠霧化和空氣均勻混合形成可燃混合氣。本文柴油機的主要參數(shù)見表1。

表1　柴油機主要參數(shù)

將燃燒室按噴孔數(shù)看成是在活塞頂正中央處軸向?qū)ΨQ分布，因此根據(jù)噴孔數(shù)建立整體模型的1/8，這樣簡化燃燒計算模型可以節(jié)約成本，縮短計算時間。首先建立三維幾何模型，然后對燃燒室進行網(wǎng)格的劃分。

2　計算模型和邊界條件

柴油機缸內(nèi)燃燒過程十分復雜，包括進氣渦流、壓縮渦流、燃油燃燒、燃油噴射、霧化、蒸發(fā)、碰撞等。因此計算中選用的數(shù)學模型有湍流模型、湍流擴散模型、粒子相互作用模型、蒸發(fā)模型、碰壁模型、破碎模型和燃燒模型。

為了讓模擬更接近發(fā)動機實際工作狀態(tài)，邊界條件的取值參考了文獻［2］中的實驗數(shù)據(jù)，缸內(nèi)初始壓力為348kPa，初始溫度為241K，初始湍動能為30m2/s2，湍流長度為0.75cm。壁面溫度采用絕熱邊界條件，進氣道壁面和氣門座邊界均忽略壁面?zhèn)鳠?，氣缸蓋壁面溫度為553K，氣缸套壁面溫度為403K，活塞壁面為移動壁面，溫度為593K。

3　計算結(jié)果與分析

3.1缸內(nèi)壓力變化及分析

在柴油機燃燒工作過程中，缸內(nèi)壓力發(fā)生著復雜變化，圖1為缸內(nèi)壓力變化曲線，從圖中看出，從進氣門關閉時刻（曲軸轉(zhuǎn)角為220°CA）開始，由于燃燒室表面和殘余廢氣對新鮮充量的加熱，氣缸內(nèi)的平均壓力和壓力升高率不斷升高。隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增大，缸內(nèi)氣體壓縮，使得缸內(nèi)壓力不斷升高，在曲軸轉(zhuǎn)角到達353°CA時壓力曲線有一個陡增的趨勢，這是因為此時噴油器開始噴油，缸內(nèi)開始燃油，在壓縮和燃燒的共同作用下壓力到了最大，為17.3MPa，此時為367°CA。隨著燃燒氣體的壓力、溫度迅速升高，體積急劇膨脹對外界做功，使得壓力下降，所以缸內(nèi)壓力開始下降，并且下降速度越來越小。

圖1　缸內(nèi)壓力曲線

圖2　燃燒放熱率曲線

3.2缸內(nèi)燃燒放熱率分析

柴油機在燃燒過程中伴有燃燒放熱，而放熱率決定了缸內(nèi)壓力和溫度的變化。因此，柴油機的燃燒放熱率可以影響其主要性能指標。圖2為缸內(nèi)燃燒放熱率變化曲線，從圖中看出，燃燒放熱率曲線在燃燒開始前都是零，因為缸內(nèi)沒有燃燒過程就沒有產(chǎn)生熱量；隨著燃燒過程的開始，燃燒放熱率急劇增大，且在曲軸轉(zhuǎn)角為360°CA時，放熱率達到最大值，為48J/deg，因為此時壓力急劇上升，可燃混合氣幾乎一起燃燒，釋放熱量又多又快。最后進入后燃期，由于燃燒時候短，燃料燃燒接近尾聲所以放熱率下降。

3.3缸內(nèi)溫度場計算與分析

圖3為柴油機缸內(nèi)燃燒過程溫度場分布圖。從圖中看出，曲軸轉(zhuǎn)角為353°CA時，燃油噴入氣缸，缸內(nèi)溫度較低。燃料缸噴入氣缸時并不馬上著火，而是稍有滯后，這時處于滯燃期，噴入氣缸的燃料發(fā)生一系列物理、化學變化過程，包括燃料的霧化、加熱、蒸發(fā)、擴散與空氣混合等物理準備階段以及著火前的化學準備階段［3］。燃油在氣缸內(nèi)邊混合邊燃燒，曲軸轉(zhuǎn)角到358°CA時進入急燃期，溫度上升很快，這是因為已混合好的可燃混合氣幾乎一起燃燒，而且是在活塞上止點附近，氣缸容積較小的情況下燃燒，缸內(nèi)壓力升高率較大。隨著燃料的燃燒，氣缸容積不斷增大，缸內(nèi)溫度不斷升高，進入緩燃期和后燃期，燃油混合不均勻，燃燒強度降低，缸內(nèi)壓力減小，缸內(nèi)溫度逐漸降低。

圖3　缸內(nèi)溫度場分布圖

4　結(jié)論

（1）氣缸壓力變化特性主要由燃燒規(guī)律決定，因此，燃燒規(guī)律可以影響柴油機的主要性能指標。

（2）根據(jù)燃燒過程進行的特征可分為滯燃期、急燃期、緩燃期和后燃期，每個階段缸內(nèi)的壓力和溫度變化，都可以反映燃燒進行的情況。

［1］林學東，顧靜靜，李德剛等.柴油機燃燒室結(jié)構(gòu)對混合氣形成及燃燒特性的影響［J］.吉林大學學報，2014，（6）：2647-1654.

［2］周鵬.柴油機燃燒機理及缸內(nèi)燃燒過程仿真研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

［3］潘劍鋒，盧青波，王謙等.柴油機燃燒過程的數(shù)值模擬及燃燒室改進［J］.江蘇大學學報，2012，（4）：390-395.

王慧，1990出生，山西長治人，在讀研究生，研究方向：發(fā)動機仿真與計算。