（中北大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，太原030051）

噴霧夾角對高功率密度柴油機(jī)快速燃燒特性的模擬分析

李樹宇，續(xù)彥芳，劉若凡，楊海濤

（中北大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，太原030051）

為了研究噴霧夾角對某高功率密度單缸機(jī)快速燃燒的影響，建立了三種噴霧夾角方案，采用AVL FIRE軟件對該單缸機(jī)燃燒過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了噴霧夾角對噴霧特性以及燃燒性能的影響，仿真結(jié)果表明，噴霧夾角主要影響燃油在燃燒室空間的位置及貫穿距，適當(dāng)增大噴霧夾角，提高了空氣利用率，溫度場分布均勻，燃油蒸汽分布較好；本機(jī)存在噴霧夾角最佳值為155°，使得做功能力接近上止點(diǎn)，燃油消耗率降低了10.7%，燃燒動力性和經(jīng)濟(jì)性提升明顯。

柴油機(jī)高功率噴霧夾角數(shù)值模擬

1 前言

高功率密度柴油機(jī)是一種新型的柴油機(jī)，具有高轉(zhuǎn)速、體積小、質(zhì)量輕、輸出功率大以及升功率高等特點(diǎn)[1,2]。由于柴油機(jī)是邊噴霧邊燃燒的動力機(jī)械，在極短的時間和空間尺度內(nèi)完成，且采用現(xiàn)代高壓共軌噴油技術(shù)[3,4]，使得缸內(nèi)噴霧特性變得更加復(fù)雜，因此研究噴霧夾角參數(shù)對深入研究燃油破碎、霧化、燃燒、碰壁等過程具有重要意義，是進(jìn)一步改善燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。

本文采用AVL Fire和Boost軟件針對三種噴霧夾角對HPD柴油機(jī)燃燒過程進(jìn)行聯(lián)合仿真研究，分析了從進(jìn)氣門關(guān)閉（245℃A）到排氣門打開（465℃A）的過程，為HPD柴油機(jī)改進(jìn)噴油系統(tǒng)參數(shù)，匹配氣、室提供了依據(jù)。

2 噴油參數(shù)設(shè)計(jì)及網(wǎng)格劃分

研究是基于一臺某單缸直噴式高功率密度柴油機(jī)進(jìn)行模擬的，該柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，設(shè)計(jì)燃燒室參數(shù)并保證壓縮比不變的前提下，設(shè)置了三組噴霧夾角方案，其中噴霧夾角示意圖見圖1。為了方便研究，采用的燃燒室模型是呈軸中心對稱，且噴油孔為10個，只需要分析計(jì)算域的1/10，減少計(jì)算工作量。采用Fire軟件對該發(fā)動機(jī)模型進(jìn)行自動、半自動網(wǎng)格劃分，分別得到上、下止點(diǎn)的網(wǎng)格模型，如圖2所示。在建立動網(wǎng)格過程中，為防止出現(xiàn)奇點(diǎn)，需要對網(wǎng)格重新構(gòu)造和細(xì)化處理。

表1 高功率密度柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 噴霧夾角示意圖

圖2 上下止點(diǎn)的網(wǎng)格模型

3 初始邊界條件及數(shù)理模型

以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用一維Boost軟件進(jìn)行驗(yàn)證，圖3是驗(yàn)證初始邊界條件的整機(jī)模型。得到的邊界條件與試驗(yàn)接近，誤差較小，采用一維仿真得到的邊界條件是：缸蓋底部的溫度為473K，活塞頭部的溫度為573K，氣缸壁面的溫度為453K，初始溫度為333K，初始壓力為2.5 MPa，增壓比為4，速度邊界條件采用湍流壁面函數(shù)邊界條件，氣缸蓋和氣缸壁作為固定壁面，設(shè)置速度為0，活塞頂面隨著活塞作往復(fù)運(yùn)動，作為移動邊界條件，其速度與活塞運(yùn)動速度相同。

圖3 單缸柴油機(jī)一維整機(jī)模型

選擇數(shù)理模型的好壞，對是否符合實(shí)際發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀況有著密切的關(guān)系。通過仿真驗(yàn)證采用k-zeta-f湍流流動模型，采用Dukowicz霧蒸發(fā)模型；采用WAVE液滴破碎模型，驗(yàn)證C2為23，采用Walljetl燃油撞壁模型，采用渦團(tuán)破碎燃燒模型，驗(yàn)證A為2，考慮了湍動能和耗散率[5,6]。

4 模型驗(yàn)證

基于全負(fù)荷、3 600 r/min工況，在循環(huán)噴油不變的前提下，得到了如圖4的壓力試驗(yàn)值與仿真值的對比曲線。可見，仿真壓力曲線與試驗(yàn)值趨勢規(guī)律大致相符合，仿真的最大爆發(fā)壓力為20.4 MPa，試驗(yàn)最大爆發(fā)壓力峰值為20 MPa，仿真值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角與試驗(yàn)大致吻合，相對誤差為2%；指示功率試驗(yàn)值為87.7 kW，仿真值為89.3 kW，誤差為1.6%。這表明，模型精確度高，所選擇的模型參數(shù)基本上合理。

圖4 缸內(nèi)壓力仿真值與試驗(yàn)值的對比結(jié)果

5 結(jié)果分析

5.1 速度場分析

圖5顯示了上止點(diǎn)及上止點(diǎn)10℃A的速度云場分布。在壓縮擠流的作用下，氣流運(yùn)動由擠流區(qū)域向燃燒室凹坑移動，加速了上止點(diǎn)時的氣流運(yùn)動，其中三種噴霧夾角對應(yīng)的油束核心的速度分別增大到148.05 m/s、152.47 m/s、142.04 m/s，可見噴霧夾角對前期速度場影響不大，因?yàn)椴煌膰婌F夾角影響空氣的阻力和影響氣流運(yùn)動，導(dǎo)致燃油油束貫穿距發(fā)生改變，從而對混合氣的形成和燃油空間位置的分布有直接的影響。在噴油中后期，由于逆擠流的作用，燃油不斷蒸發(fā)、霧化和燃燒，會在油束的上下兩側(cè)形成氣流渦團(tuán)。隨著噴霧夾角的增大，油束上移，使得上部渦流逐漸增大，下部渦流逐漸減少，整個燃燒室空間內(nèi)的渦流強(qiáng)度得到增強(qiáng)，因此噴霧夾角適當(dāng)增大有利于增強(qiáng)氣流運(yùn)動。

圖5 速度場分布

圖6 溫度場分布

圖7 當(dāng)量比分布

5.2 溫度場分析

從圖6可以看出，145°時燃油油束偏向于凸臺壁面，高溫區(qū)域主要在凹坑底部，最高溫度為2523.1 K，這也是形成NO的主要位置；165°時的高溫區(qū)域主要分布在擠流區(qū)域，最高溫度只有2490.8 K，凹坑底部溫度較低，使得soot排放較高；而155°的最高溫度為2536.3 K，油束落點(diǎn)位置幾乎在燃燒室的中心，有利于上下兩側(cè)空氣的卷吸率，高溫區(qū)域覆蓋整個燃燒室，溫度場分布均勻，說明混合氣混合充分，燃燒較好。三種噴霧夾角下的高溫區(qū)域在上止點(diǎn)之后分布有較大差異，最高溫度則相差不大。

5.3 當(dāng)量比的影響

圖7給出了上止點(diǎn)和390℃A時的濃度。在上止點(diǎn)時刻，燃油已經(jīng)開始燃燒，燃油噴霧本身攜帶的動能以及缸內(nèi)的渦流運(yùn)動使得油束向燃燒室壁面發(fā)展，當(dāng)量比不斷升高，由于噴霧夾角的不同，使得當(dāng)量比在燃燒室內(nèi)的空間分布呈現(xiàn)顯著差異。145°的燃油在噴射過程中偏向于凸臺壁面，使得燃油在凹坑底部濃度較高，而此區(qū)域也是高溫集中的位置，對NO排放形成了有利的條件，由于油束上方空氣的利用率較低，因此燃燒不充分，放熱量較少；而噴霧夾角的增大，使得燃油底部混合區(qū)濃度降低，有利于改善混合氣的形成，提高了燃料的利用率，放熱量增加，155°時燃油形成了橢圓形的油束核心，增強(qiáng)了與周圍氣流的交換，燃油蒸汽分布較好；但在390℃A時，過大的噴霧夾角會在燃燒后期在逆擠流的作用下進(jìn)入擠流區(qū)域，這對燃燒也會造成不良的現(xiàn)象。

5.4 噴霧夾角對性能的影響

圖8～圖11是不同噴霧夾角下的缸內(nèi)平均壓力和溫度、放熱率以及剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線圖。由圖中可見，隨著噴霧夾角的增大，溫度和壓力曲線呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，155°和165°對應(yīng)的放熱率曲線區(qū)別不大，只是145°在后期擴(kuò)散燃燒時發(fā)生了后燃現(xiàn)象，使得部分放熱曲線出現(xiàn)跳動，燃燒不完全，從剩余燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以看出，對應(yīng)的未燃燃油質(zhì)量較多。

圖8 平均溫度對比曲線

圖9 平均壓力對比曲線

圖10 放熱率對比曲線

圖11 剩余燃油對比曲線

圖12 噴霧夾角對功率和燃油消耗率的影響

圖12是在3 600 r/min轉(zhuǎn)速下，相同燃燒室參數(shù)下不同噴霧夾角對功率和燃油消耗的影響。得到的結(jié)果是：隨著噴霧夾角的增大，功率基本上呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，而燃油消耗率呈現(xiàn)出逐步降低再升高的趨勢。因此，縱觀排放情況，針對特定工況條件下存在的最佳的噴霧夾角，在155°能使動力性能不變的前提下，優(yōu)化方案能減少燃油消耗，達(dá)到了降低排放的要求。

6 總結(jié)

（1）噴霧夾角影響空氣阻力，從而影響噴霧貫穿距以及燃油在燃燒室空間的分布。

噴霧夾角過大時，油束向上偏移，燃油當(dāng)量比和高溫區(qū)域在燃燒室中央以及擠流區(qū)域，油束偏向凹坑壁面，凹坑底部燃油濃度較高，發(fā)生粘附現(xiàn)象嚴(yán)重，高溫區(qū)域在凹坑底部，這有利于NO排放。而155°時油束兩側(cè)氣流運(yùn)動強(qiáng)烈，形成了不同方向的渦團(tuán)流動，油束在燃燒室的中心位置，增大了油氣接觸面積，溫度場分布均勻，燃油蒸汽分布較好。

（2）隨著噴霧夾角的增大，功率和扭矩先升高后降低，而燃油消耗率先降低再升高，匹配燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)，存在一個最佳的噴霧夾角，使得HPD柴油機(jī)綜合性能得到提高。對于該型HPD柴油機(jī)而言，155°是匹配燃燒室參數(shù)的最佳噴霧夾角。

[1]張永鋒，張鄭，趙曉斌等.高功率密度柴油機(jī)研究綜述[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2011（7）：36-39.

[2]何兵，平濤.大功率柴油機(jī)的研究發(fā)展[J].柴油機(jī)，2003（1）：4-8.

[3]張玉申.高功率密度柴油機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].車用發(fā)動機(jī)，2004（3）：5-7，11.

[4]蔣德明.高等內(nèi)燃機(jī)原理[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2002.

[5]史春濤，秦德，唐琦等.內(nèi)燃機(jī)燃燒模型的發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（4）：181-186.

[6]尤國棟，蘇鐵熊，孫利魏等.柴油機(jī)高密度-快速燃燒過程數(shù)值模擬[J].兵工學(xué)報(bào)，2012（12）：1436-1441.

Simulation Analysis of Effects of Spray Angles on Rapid Combustion Characteristics in HPD Diesel Engines

Li Shuyu,Xu Yangfang,Liu Ruofan,Yang Haitao
（North University of China,Taiyuan 030051,China）

To look into effects of spray angles on rapid combustion characteristics in HPD diesel engines,3 spray angle scenarios were built,combustion processes within single-cylinder diesel engines were simulated through the AVL-FIRE software,and effects of different spray angles on both sprayed fuel distribution and combustion characteristics were analyzed.The simulation findings show that spray angles mainly affect positions and penetration distances of the sprayed fuel in the combustion chamber.As spray angle increases,air utilization rate and distributions of both temperature field and fuel vapor will be, correspondingly,improved.At the optimal spray angle of 155°,power capability is close to TDC,and fuel consumption dropped by 10.7%,resulting in considerable improvement in power performance and cost-efficiency.

diesel engine,high power,spray angle,numerical simulation

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.01.001

來稿日期：2016-03-07基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（51275489）

李樹宇（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)CFD數(shù)值模擬。