山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院　王慧　劉漢濤

柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程仿真

山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院王慧劉漢濤

本文以某6缸柴油機(jī)為研究對(duì)象，建立燃燒過程計(jì)算模型，對(duì)從進(jìn)氣門關(guān)閉到排氣門打開的過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過計(jì)算出的缸內(nèi)壓力、放熱率和溫度場(chǎng)分布圖來預(yù)測(cè)其基本性能，并實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)減排節(jié)能。

柴油機(jī)；燃燒過程；數(shù)值模擬

引言

內(nèi)燃機(jī)自誕生以來，憑借其熱效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、比質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)和工程機(jī)械，為人類社會(huì)的快速發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。柴油機(jī)給人類生活帶來便利的同時(shí)，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(dāng)今世界面臨的兩大難題。改善柴油機(jī)燃燒過程是平衡節(jié)能減排的主要手段。由于柴油機(jī)燃燒過程極其復(fù)雜，伴隨有物理和化學(xué)變化，因此國(guó)內(nèi)外專家很重視柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程的模擬計(jì)算。

本文以某6缸柴油機(jī)為研究對(duì)象，建立燃燒過程的三維幾何模型，從進(jìn)氣門關(guān)閉到排氣門打開進(jìn)行模擬計(jì)算，通過計(jì)算缸內(nèi)壓力、放熱率和溫度場(chǎng)分布圖來預(yù)測(cè)其基本性能并實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化，從而實(shí)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(jī)的主要參數(shù)見表1。

表1　柴油機(jī)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(jiǎn)化燃燒計(jì)算模型可以節(jié)約成本，縮短計(jì)算時(shí)間。首先建立三維幾何模型，然后對(duì)燃燒室進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。

2　計(jì)算模型和邊界條件

柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程十分復(fù)雜，包括進(jìn)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(jì)算中選用的數(shù)學(xué)模型有湍流模型、湍流擴(kuò)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(dòng)機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)，邊界條件的取值參考了文獻(xiàn)［2］中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，缸內(nèi)初始?jí)毫?48kPa，初始溫度為241K，初始湍動(dòng)能為30m2/s2，湍流長(zhǎng)度為0.75cm。壁面溫度采用絕熱邊界條件，進(jìn)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(dòng)壁面，溫度為593K。

3　計(jì)算結(jié)果與分析

3.1缸內(nèi)壓力變化及分析

在柴油機(jī)燃燒工作過程中，缸內(nèi)壓力發(fā)生著復(fù)雜變化，圖1為缸內(nèi)壓力變化曲線，從圖中看出，從進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻（曲軸轉(zhuǎn)角為220°CA）開始，由于燃燒室表面和殘余廢氣對(duì)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(dá)353°CA時(shí)壓力曲線有一個(gè)陡增的趨勢(shì)，這是因?yàn)榇藭r(shí)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(shí)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(duì)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(jī)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(jī)的燃燒放熱率可以影響其主要性能指標(biāo)。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?yàn)楦變?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(shí)，放熱率達(dá)到最大值，為48J/deg，因?yàn)榇藭r(shí)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(jìn)入后燃期，由于燃燒時(shí)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(chǎng)計(jì)算與分析

圖3為柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程溫度場(chǎng)分布圖。從圖中看出，曲軸轉(zhuǎn)角為353°CA時(shí)，燃油噴入氣缸，缸內(nèi)溫度較低。燃料缸噴入氣缸時(shí)并不馬上著火，而是稍有滯后，這時(shí)處于滯燃期，噴入氣缸的燃料發(fā)生一系列物理、化學(xué)變化過程，包括燃料的霧化、加熱、蒸發(fā)、擴(kuò)散與空氣混合等物理準(zhǔn)備階段以及著火前的化學(xué)準(zhǔn)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(shí)進(jìn)入急燃期，溫度上升很快，這是因?yàn)橐鸦旌虾玫目扇蓟旌蠚鈳缀跻黄鹑紵?，而且是在活塞上止點(diǎn)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(jìn)入緩燃期和后燃期，燃油混合不均勻，燃燒強(qiáng)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(chǎng)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(jī)的主要性能指標(biāo)。

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

［1］林學(xué)東，顧靜靜，李德剛等.柴油機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)混合氣形成及燃燒特性的影響［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，（6）：2647-1654.

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

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

王慧，1990出生，山西長(zhǎng)治人，在讀研究生，研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)仿真與計(jì)算。