某型柴油機(jī)的燃燒分析

楊志輝 張金花 付艷萍

摘要：本文應(yīng)用AVL- FIRE軟件對(duì)某型柴油機(jī)的燃燒過程進(jìn)行模擬計(jì)算，比較了兩種結(jié)構(gòu)燃燒室在全工況時(shí)的燃燒及排放性能，為該型柴油機(jī)的燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

Abstract： This article use AVL- FIRE software to simulate the combustion process of a diesel engine，and the combustion and emission performance of two kinds of combustion chambers under full working conditions is compared， which provides guidance for the optimization of the combustion chamber structure of this diesel engine.

關(guān)鍵詞：燃燒室;模擬計(jì)算;排放性能

Key words： combustion box;simulation calculation;exhaust performance

中圖分類號(hào)：U464.172? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0065-02

0? 引言

柴油機(jī)的性能指標(biāo)與柴油機(jī)的燃燒過程密切相關(guān)。缸內(nèi)燃燒過程的好壞，直接影響柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放及噪聲等性能。作為柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)重要組成部分的燃燒室的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴射燃油的霧化及油氣混合過程有重要影響。優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)，使噴射燃油在燃燒室內(nèi)霧化充分，油氣混合均勻，可以改善燃燒過程，優(yōu)化柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等性能指標(biāo)。本文運(yùn)用AVL-FIRE軟件對(duì)某型柴油機(jī)的兩種燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，比較兩種燃燒室結(jié)構(gòu)在全工況時(shí)燃燒及排放性能，為該型柴油機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)提供指導(dǎo)。

1? 數(shù)學(xué)模型

控制一切流體運(yùn)動(dòng)的基本定律是質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，這些方程共同組成納維爾-斯托克斯控制方程?？刂品匠叹褪菍?duì)這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述，各控制方程可以表示為式（1）的通用形式。

（1）

2? 幾何模型的建立與網(wǎng)格劃分

應(yīng)用AVL- FIRE軟件的柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒專用分析模塊ESE-DIESEL，能夠方便快捷地建立燃燒室的動(dòng)網(wǎng)格。在ESE-DIESEL分析模塊中輸入柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)、兩種活塞燃燒室的剖面參數(shù)及噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)，形成柴油機(jī)的燃燒室的網(wǎng)格劃分。

該型柴油機(jī)氣缸軸線和燃燒室軸線及噴油器軸線完全重合，故為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，計(jì)算區(qū)域只取中心角為360°/8的扇形體。為了簡化計(jì)算，本文只分析該型柴油機(jī)整個(gè)循環(huán)的高壓循環(huán)過程。

3? 初始邊界條件及計(jì)算模型的選取

3.1 初始條件和邊界條件

缸內(nèi)燃燒過程仿真是瞬態(tài)計(jì)算，初始條件的設(shè)置至關(guān)重要。在本文中只計(jì)算柴油機(jī)的高壓循環(huán)，故初始參數(shù)決定了氣缸內(nèi)流體的初始狀態(tài)。本文設(shè)定計(jì)算開始時(shí)，缸內(nèi)氣體壓力、溫度處處相等。在本文中，溫度和壓力的數(shù)值采用一維BOOST軟件計(jì)算后對(duì)應(yīng)時(shí)刻（即進(jìn)氣門關(guān)閉）的數(shù)值，初始溫度為100℃，初始?jí)毫?.84Bar，定義了壓力和溫度后，軟件會(huì)根據(jù)氣體狀態(tài)方程自動(dòng)更新密度，初始渦流比為0.8，渦流軸線與燃燒室軸線重合，缸內(nèi)工質(zhì)與缸壁間存在熱量交換。

溫度邊界采用恒溫邊界，取氣缸蓋底部溫度、氣缸壁溫度、活塞頂部溫度分別為330℃、290℃、330℃。

補(bǔ)償容積為建立有限元模型時(shí)補(bǔ)償柴油機(jī)的實(shí)際壓縮比而增加的容積，實(shí)際中不存在，所以在分析中設(shè)置為熱流邊界，熱流量為零。

速度邊界條件設(shè)定為：氣缸蓋和氣缸壁靜止壁面的速度為零，活塞頂?shù)乃俣鹊扔诨钊\(yùn)動(dòng)速度。

3.2 計(jì)算模型的選取

本文采用FIRE軟件進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，選取的模型參數(shù)見表1。

4? 燃燒過程多維數(shù)值模擬結(jié)果分析

在循環(huán)供油量和噴油規(guī)律不變的情況下，對(duì)兩種不同的燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行噴霧燃燒仿真分析，對(duì)比其對(duì)燃燒和排放的影響。

FIRE軟件后處理可以提供任意燃燒時(shí)刻缸內(nèi)絕對(duì)壓力、溫度的三維彩色云圖，通過對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)燃燒室的壓力和溫度云圖，可形象的反映不同結(jié)構(gòu)燃燒室內(nèi)壓力和溫度的差異，為燃燒系統(tǒng)的改進(jìn)和加強(qiáng)提供理論依據(jù)。

FIRE軟件除了可以提供三維彩色云圖外，還可以提供表示具體數(shù)值的二維曲線結(jié)果。

圖1至圖6為兩種不同燃燒室在燃燒及排放等性能方面的二維曲線對(duì)比。

由圖中測量數(shù)據(jù)可知，采用Ⅰ型燃燒室比Ⅱ型燃燒室，瞬時(shí)放熱率最大值提高2.4%，平均值提高3.3%;累計(jì)燃燒放熱量最大值提高3.3%，平均值提高2%;缸壓比最大值提高1.9%，平均值提高0.26%;缸溫最大值提高0.58%，缸溫平均值提高0.74%;NO排放降低5%;soot排放最大值降低15.8%，平均值降低40%。

5? 結(jié)論

通過對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果的分析，可得出以下結(jié)論：

①從柴油機(jī)燃燒性能來看，Ⅰ型燃燒室無論瞬時(shí)放熱率和累計(jì)放熱量均大于Ⅱ型燃燒室，Ⅰ型燃燒室缸內(nèi)平均壓力和缸內(nèi)平均溫度也略高于Ⅱ型燃燒室，故可知Ⅰ型燃燒室燃燒性能優(yōu)于Ⅱ型燃燒室。

②從排放水平來看，采用Ⅰ型燃燒室NO排放和soot排放均低于Ⅱ型燃燒室，故Ⅰ型燃燒室排放性能優(yōu)于Ⅱ型燃燒室。

參考文獻(xiàn)：

[1]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]AVL FIRE General Gas Phase Reactions Module Manual. AVL LIST GmbH. 2018.

[3]AVL FIRE BOOST Aftertreatment guide.