噴油提前角對柴油機燃燒特性的影響

（哈爾濱工程大學，哈爾濱150001）

噴油提前角對柴油機燃燒特性的影響

陸瑤，王銀燕
（哈爾濱工程大學，哈爾濱150001）

為了研究柴油機在不同噴油提前角下的燃燒特性，采用三維流體數(shù)值分析軟件AVL FIRE建立了某型柴油機燃燒計算模型。在不同噴油提前角下，對燃燒滯燃期、油氣混合程度、溫度、燃空當量比、放熱率和壓力進行分析，得出：隨著噴油提前角的增大，滯燃期延長，著火時刻形成的可燃混合氣增多，缸內最高燃燒壓力和最高溫度也隨之升高同時放熱規(guī)律相對更加集中，燃燒初期的放熱速率和壓力升高比較高。

柴油機噴油提前角燃空當量比溫度蒸發(fā)率

1 引言

柴油機以其高效、經(jīng)濟、節(jié)能等優(yōu)點，廣泛應用于船舶，電站，工程機械中。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，人們對柴油機燃燒效率及排放性能的要求也越來越高，這就對柴油機研究方法提出了更精細的要求。隨著計算機技術的高速發(fā)展，仿真技術在柴油機的開發(fā)與性能預測方面應用越來越廣泛，采用計算流體動力學（CFD）技術預測缸內氣體流動，燃燒以及排放物生成[1]。

本文應用AVL FIRE軟件建立了某柴油機的仿真模型，對從進氣門關閉到排氣門開啟整個噴霧燃燒過程進行了三維仿真計算，分析了該型柴油機不同噴油提前角下的燃燒特性，得到了一些通過試驗無法直接觀測的信息，對優(yōu)化柴油機燃燒與排放性能有一定的指導作用。

2 數(shù)學模型

2.1 基本控制方程

內燃機缸內燃燒過程是包含化學反應的復雜流動過程，其遵循化學反應流體力學的基本控制方程，即質量、組分、動量和能量守恒方程。在直角坐標系下，方程形式如下（以i方向為例）：

（1）連續(xù)方程

（2）動量方程

式中，

ρ——流體混合物密度；

P——壓力；

ui——方向速度；

gi——重力；

fi——其他阻力；

τij——黏性應力張量。（3）能量方程

式中，

h0——總焓；

ml——組分m在混合物中的質量分數(shù)；

Γl——組分l的輸運系數(shù)；

Γh——組分h的輸運系數(shù)；

qR——輻射熱。

（4）組分方程

式中，

Rl——由于化學反應引起的組分l的產生率。

2.2 燃燒和噴霧模型

燃燒和噴霧模型的選擇如表1所示。

表1 計算模型

3 計算模型的建立和驗證

3.1 柴油機的基本參數(shù)

本文研究對象是一臺12缸V型增壓中冷柴油機，其基本參數(shù)如表2所示。

3.2 幾何模型的建立與計算網(wǎng)格的劃分

對于柴油機缸內過程的多維數(shù)值模擬，因存在活塞的往復運動，采用動網(wǎng)格可以真實地反應柴油機實際工作情況。本次研究采用了FIRE軟件中的ESE模塊建立燃燒室的動網(wǎng)格。計算采用六面體網(wǎng)格，下止點處網(wǎng)格數(shù)為247 112，上止點處網(wǎng)格數(shù)為157 760，網(wǎng)格示意圖如圖1所示。

表2 柴油機基本參數(shù)

圖1 計算網(wǎng)格

3.3 計算模型驗證

通過計算模型的調試，計算得到額定工況下的示功圖，并與實測示功圖作比較，如圖2所示?？梢?，計算值與試驗值吻合較好，說明所選模型與參數(shù)設置是合理的。

圖2 計算結果與實驗值對比

4 不同負荷下燃燒特性分析

4.1 計算工況

本文模擬不同噴油提前角的燃油燃燒特性。選取轉速為1 800 r/min，負荷為89%，在相同的噴油持續(xù)期下，計算了噴油提前角在-33、-23、-10℃A和0℃A（上止點）4種工況。

4.2 噴油提前角對滯燃期的影響

計算過程從壓縮沖程末期燃料開始噴入氣缸，直到燃燒終了，燃料全部燃燒形成燃燒產物為止的柴油機的燃燒過程，以形成火焰為界而劃分為著火階段和燃燒階段。著火始點和滯燃期是影響整個燃燒過程的重要參數(shù)，本文滯燃期選擇溫升滯燃期[2]。

圖3為不同噴油提前角下的滯燃期和著火始點。由圖可知，滯燃期隨著噴油提前角的提前而變長，整體呈半U形曲線。這是因為噴油提前角越大，噴油時缸內的溫度和壓力越低，反應速率越低，反應時間越長。

圖3 不同噴油提前角的滯燃期

圖4 為不同噴油提前角時的壓力升高率。由圖可知，由于滯燃期隨噴油提前角的提前而變長，滯燃期越長，滯燃期內噴入燃燒室的燃料就越多，燃油與空氣混合時間越長，在著火前形成的可燃混合氣就越多，這些燃料在急燃期內幾乎同時燃燒，使壓力升高率較高（參見圖4中提前角-33℃A所對應的曲線）。壓力升高率高，在柴油機工作過程中運動件受到強烈的沖擊負荷，發(fā)動機運轉粗暴，影響發(fā)動機使用壽命。

圖4 不同噴油提前角下的壓力升高率

4.3 噴油提前角對油氣混合的影響

圖5為不同噴油提前角下著火時刻的燃油蒸發(fā)率。由圖可知，噴油時刻從0℃A提前到-33℃A時，著火時刻燃油蒸發(fā)率不斷提高，在-33℃A噴油時刻時，燃油蒸發(fā)率已經(jīng)到達80%左右。

圖5 不同噴油提前角下的燃油蒸發(fā)率

圖6 為不同噴油提前角下著火時刻燃油蒸發(fā)率分布情況。由圖可知，在提前角為-33℃A時，著火時刻的缸內燃油蒸氣最多，分布也最廣泛，隨著噴油時刻的后移，著火時刻的燃油蒸氣越來越少。這是因為提前角-33℃A所對應的滯燃期長，滯燃期內噴入燃油較多，燃油蒸發(fā)率較高，故在著火時刻已經(jīng)形成大量的燃油空氣混合氣，可以預見其缸內溫度、壓力及NOx生成量都會提高。而在較小的噴油提前角下，大量燃油表現(xiàn)為邊燃燒邊蒸發(fā)擴散。

圖6 不同噴油提前角著火時刻燃油蒸發(fā)率分布

圖7 為不同噴油提前角下索特平均直徑隨曲軸轉角的變化情況。由圖可知，在各個噴油提前角下，在噴油初始階段索特平均直徑均存在一個明顯的高峰。此后隨著燃燒的開始和推進，缸內溫度急劇升高，索特平均直徑開始大幅降低，其中噴油提前角為-33℃A時，降幅最為劇烈，0℃A最為緩慢。除噴油提前角-33℃A外，其他三種噴油正時在排氣閥開啟時刻還存在一定直徑的燃油粒子，且噴油提前角0℃A時的燃油粒子直徑最大。這些未燃的燃油粒子最終隨尾氣排出，對排放和熱效率產生不利影響。

圖7 不同噴油提前角下的索特平均直徑

4.4 噴油提前角對溫度的影響

圖8為缸內平均溫度曲線。由圖可知，在燃燒過程的前期，缸內溫度呈現(xiàn)出隨著噴油正時的提前而升高的趨勢，溫度升高將對NOx的排放產生不利影響。

圖8 缸內平均溫度曲線

4.5 噴油提前角對燃空當量比的影響

圖9為不同噴油提前角下，放熱率峰值時刻所對應燃空當量比的分布。燃空當量比分布反應了氣態(tài)燃料濃度分布。由圖可知，在放熱率峰值時刻，隨著噴油時刻的延后，缸內燃空當量比分布范圍也越來越廣。對于噴油提前角0℃A，出現(xiàn)局部燃空當量比過高的情況，對比0℃A時燃油蒸發(fā)率可知，在著火時刻缸內燃油蒸發(fā)得最少，故在整個燃燒過程中邊燃燒邊蒸發(fā)，出現(xiàn)了局部燃空當量比過高。而噴油提前角為-33℃A時，由于在著火前大部分燃油已經(jīng)蒸發(fā)，在到達放熱率最高時刻燃油蒸氣大部分已經(jīng)燃燒，故雖然燃空當量比分布廣泛，但其數(shù)值并不高。

圖9 不同噴油提前角下放熱率峰值時刻燃空當量比的分布

圖10 不同噴油提前角下的最高溫度分布

對缸內溫度分布的分析選用缸內溫度最高的時刻。圖10為在不同噴油提前角下，對應的缸內最高溫度分布。由圖可知，隨著噴油提前角的增大，缸內溫度最高溫度時刻缸內高溫區(qū)域分布越來越廣，缸內最高溫度也越高。

4.6 噴油提前角對放熱率及缸內壓力的影響

圖11為不同噴油提前角下的缸內壓力曲線。由圖可知，缸內最大平均壓力隨著噴油時刻的提前而增大，其中噴油提前角-33℃A的最高燃燒壓力最高，達到將近18 MPa。由上文分析可知，隨著噴油時刻的提前，滯燃期加長，滯燃期內的燃油蒸發(fā)量增加，在著火時刻形成更多的可燃混臺氣，這些可燃混合氣在急燃期內幾乎同時燃燒，使最高燃燒壓力明顯升高。

圖11 不同噴油提前角下的缸內壓力曲線

圖12 為不同噴油提前角的放熱率曲線。由圖可知，隨著噴油時刻的提前，放熱率曲線整體前移，同時放熱率峰值提高。噴油提前角-33℃A和-23℃A分別在曲軸轉角-12℃A和0℃A達到放熱率峰值，且放熱率曲線包圍的面積主要集中在上止點附近，說明這兩種噴油正時熱效率較高；噴油提前角為-10℃A和0℃A的放熱率曲線峰值均推遲到上止點之后，且放熱率兩個峰值相差無幾，這是因為當噴油提前角減小時，參加混合燃燒的燃料越少，放熱率第一峰值大為下降，而放熱率第二峰值卻相應提高，說明在這兩種噴油定時下的后燃現(xiàn)象嚴重，導致熱效率較低。

圖12 不同噴油提前角的放熱率曲線

5 結論

本文建立了某型柴油機缸內燃燒模型，分析了不同噴油提前角對該型柴油機燃燒特性的影響以下結論：隨著噴油提前角的增大，滯燃期延長，著火時刻形成的可燃混合氣增多，缸內最高燃燒壓力和最高溫度也隨之升高同時放熱規(guī)律相對更加集中；隨著噴油提前角的增大，燃燒初期的放熱速率和壓力升高比較高，容易引起燃燒噪聲和機械負荷的增加。

1李云清.CFD在柴油機燃燒系統(tǒng)開發(fā)中的應用[C].AVL用戶大會，2008.

2蔣德明.內燃機燃燒與排放學[M].西安：西安交通大學，2001.

Diesel Fuel Injection Timing on Combustion Characteristics

Lu Yao,Wang Yin Yan
（Harbin Engineering University,Harbin 150001,China）

In order to study diesel engine fuel injection timing under different combustion characteristics,three-dimensional computational fluid dynamics software AVL FIRE is use to establish a model of diesel engine combustion.An analysis of ignition delay,degree of air and fuel mixing temperature, fuel-air ratio,heat release rate and pressure is carried out with different fuel injection timing.It results in that the combustible mixture formed at ignition increase with prolonged fuel injection timing ignition,so that the maximum cylinder pressure and temperature increase,the maximum heat release rate more highly concentrates,and the heat release rate and pressure rise at initial combustion are higher.

diesel engine,injection timing,fuel/air ratio,temperature,evaporation rate

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.02.002

來稿日期：2011-01-14

陸瑤（1986-），女，碩士研究生，主要研究方向為內燃機性能、燃燒與排放。