燃燒室?guī)缀涡螤顚?duì)柴油機(jī)排放特性影響的數(shù)值分析

楊 帥， 樓宏偉， 周 毅， 王 磊， 萬(wàn) 曉， 李秀元

(1.同濟(jì)大學(xué) a. 汽車學(xué)院，b. 新能源汽車工程中心；上海 201804；2.濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)寧 272037)

?

燃燒室?guī)缀涡螤顚?duì)柴油機(jī)排放特性影響的數(shù)值分析

楊 帥1a,b， 樓宏偉1a,b， 周 毅1a,b， 王 磊1b， 萬(wàn) 曉1a,b， 李秀元2

(1.同濟(jì)大學(xué) a. 汽車學(xué)院，b. 新能源汽車工程中心；上海 201804；2.濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)寧 272037)

針對(duì)兩種不同幾何形狀燃燒室，對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，得到了不同幾何形狀燃燒室的污染物排放情況，用以研究燃燒室形狀對(duì)排放特性的影響。得到了柴油機(jī)燃燒過(guò)程中排放生成物NOx、Soot、HC、CO隨時(shí)間歷程的生成規(guī)律和空間生成位置，數(shù)值仿真還包括了燃燒室溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等瞬態(tài)結(jié)果，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法提供三維可視場(chǎng)結(jié)果的缺陷。

燃燒室； 幾何形狀； 排放； 模擬計(jì)算

0 引 言

目前，在內(nèi)燃機(jī)性能與排放實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，先進(jìn)模擬技術(shù)已作為一種重要而有效的工具加以利用。內(nèi)燃機(jī)的燃燒過(guò)程很大程度上受燃料與空氣混合程度的影響，這種混合是一種復(fù)雜的瞬態(tài)流動(dòng)[1-6]。隨著湍流理論研究和計(jì)算數(shù)學(xué)算法的發(fā)展，CFD正被大量應(yīng)用于各種不同的工業(yè)領(lǐng)域[7-11]。目前，CFD研究的主要問(wèn)題是計(jì)算程序的穩(wěn)定性，分析真實(shí)流體的復(fù)雜流動(dòng)狀況的能力和復(fù)雜幾何形狀周圍流動(dòng)狀況的能力，以及計(jì)算誤差和解的分辨率等方面[12-16]。

就目前發(fā)動(dòng)機(jī)性能與排放實(shí)驗(yàn)而言，實(shí)驗(yàn)結(jié)果多為一維結(jié)果，且無(wú)法反映發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒室工作過(guò)程的三維結(jié)果。為此，本文運(yùn)用CFD數(shù)值仿真方法，研究相同排量、壓縮比條件下，燃燒室不同幾何形狀對(duì)柴油機(jī)排放特性影響，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法向?qū)W生提供三維可視場(chǎng)結(jié)果的缺陷。

1 模型建立

按照兩種不同幾何參數(shù)燃燒室的構(gòu)造(見(jiàn)圖1)，以E1型燃燒室模型為例，建立的柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格如圖2所示(燃燒室1/6部分)，燃燒室模型網(wǎng)格總數(shù)為98 325，網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)區(qū)間為活塞下止點(diǎn)到上止點(diǎn)。求解過(guò)程中選擇的物理模型和邊界條件：湍流模型k-ε，燃燒模型ECFM-3Z，湍流擴(kuò)散模型Enable，油滴破碎模型Wave，蒸發(fā)模型Dukowicz，相互作用模型Schmidt，碰壁模型Wallfilm，NOx模型Extended Zeldovich+，Partial Equilibrium，Soot模型Kennedy-Hiroyasu-Magnussen。

E1型結(jié)構(gòu)E2型結(jié)構(gòu)

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型燃燒室尺寸

圖2 燃燒室運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格圖

2 不同燃燒室排放物對(duì)比分析

2.1 時(shí)間位置分析

圖3～8是E1型和E2型燃燒室缸內(nèi)燃燒參數(shù)和排放特性曲線隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的結(jié)果對(duì)比。從圖3看出，E1型和E2型燃燒室的缸內(nèi)各點(diǎn)的平均壓力基本相同，兩條曲線基本重疊，說(shuō)明兩缸內(nèi)壓力過(guò)程相似，有著相似的燃燒開(kāi)始時(shí)間。由圖4可見(jiàn)，兩缸內(nèi)溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化基本相同，E1型燃燒室在燃燒末期的溫度略高于E2型燃燒室。由圖5～8可見(jiàn)，不同排放物隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化結(jié)果是，CO排放在曲軸轉(zhuǎn)角365°CA前大致相同，之后E1型燃燒室高于E2型燃燒室；HC排放在大部分曲軸轉(zhuǎn)角下相同，但到了燃燒末期E2型燃燒室略高于E1型燃燒室。NOx排放在曲軸轉(zhuǎn)角372°CA 前大致相等，之后E2型燃燒室略高于E1型燃燒室并保持穩(wěn)定。Soot排放在曲軸轉(zhuǎn)角372°CA 之后E2燃燒室的增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯高于E1型燃燒室，以至于末期B型燃燒室數(shù)值遠(yuǎn)大于E1燃燒室；在趨勢(shì)上，E1型燃燒室與E2型燃燒室的CO、HC、NOx、Soot生成起始時(shí)間、變化趨勢(shì)相同。

2.2 空間位置分析

為了明確E1燃燒室與E2燃燒室在缸內(nèi)平均溫度、壓力基本相同情況下，排放物有較大差異的原因。分析E1與E2燃燒室的排放物在缸內(nèi)的分布異同，進(jìn)而得到燃燒室形狀對(duì)排放特性的影響規(guī)律。數(shù)值仿真得到的曲軸轉(zhuǎn)角365°CA和370°CA時(shí)刻E1與E2燃燒室缸內(nèi)排放物形成的瞬態(tài)結(jié)果如圖9和圖10所示。重點(diǎn)分析柴油機(jī)兩個(gè)重要排放物NOx和Soot。

圖3 缸內(nèi)溫度曲線對(duì)比圖4 缸內(nèi)壓力曲線對(duì)比圖5 CO排放曲線對(duì)比

圖6 HC排放曲線對(duì)比圖7 NOx排放曲線對(duì)比圖8 Soot排放曲線對(duì)比

E1E2E1E2E1E2(a)當(dāng)量比(b)缸內(nèi)溫度(c)CO質(zhì)量濃度

E1E2E1E2E1?E2(d)HC質(zhì)量濃度(e)NOx質(zhì)量濃度(f)Soot質(zhì)量濃度

圖9 365°CA時(shí)刻缸內(nèi)當(dāng)量比、溫度、CO、HC、NOx、Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

E1E2E1E2E1?E2(d)HC質(zhì)量濃度(e)NOx質(zhì)量濃度(f)Soot質(zhì)量濃度

圖10 370°CA時(shí)刻缸內(nèi)當(dāng)量比、溫度、CO、HC、NOx、Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

從圖9可見(jiàn)，365°CA時(shí)刻E1與E2燃燒室的缸內(nèi)溫度、CO、HC、NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布差異較小，而當(dāng)量比、Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布差異大于溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布的差異，即可以解釋兩種燃燒室污染物排放量的差異。CO是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，E1燃燒室的當(dāng)量比分布區(qū)域比E2燃燒室多，故E1燃燒室的CO排放比E2燃燒室多。HC來(lái)源于未燃碳?xì)?，它與當(dāng)量比是直接相關(guān)的，當(dāng)量比大的區(qū)域，燃油較多，未燃HC就多，HC分布與當(dāng)量比是幾乎完全相同的。

NOx生成的首要影響因素是溫度，由圖9(b)可見(jiàn)，E1與E2燃燒室的溫度場(chǎng)分布差異小，所以兩者的NOx排放差異不大。且E2燃燒室的高溫分布范圍較E1燃燒室略廣，故E2燃燒室的NOx排放量比E1燃燒室略多。Soot的生成對(duì)缸內(nèi)混合氣濃度與溫度都有要求。由圖9(a)可見(jiàn)，E1燃燒室過(guò)濃區(qū)分布并不比E2燃燒室少，但是E1燃燒室過(guò)濃區(qū)處于高溫區(qū)(高于2 000 K)面積較大，溫度過(guò)高反而不利于Soot生成與聚集。而E2燃燒室過(guò)濃區(qū)處于溫度在1 600～1 900 K的區(qū)域，Soot生成相對(duì)更多。故E1燃燒室的Soot排放比E2燃燒室低?？傮w分析，E1與E2燃燒室相比，Soot排放差異最大，NOx、HC、CO排放差異較小。

上述結(jié)論從圖10也可以得到證實(shí)。由圖可以看出，E1和E2燃燒室的CO、HC、NOx3種排放物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布差異較小，而Soot差異明顯。以上仿真結(jié)果彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法給出三維結(jié)果的缺陷，對(duì)學(xué)生充分理解發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程、燃燒室?guī)缀纬叽鐚?duì)排放物的影響有較大提升。

通過(guò)以上分析可得到以下結(jié)論，①Soot出現(xiàn)在燃燒開(kāi)始之前，在整個(gè)燃燒過(guò)程中，其總量持續(xù)增加；而NOx出現(xiàn)比之較晚，且在短時(shí)間內(nèi)急劇增加后很快保持一個(gè)穩(wěn)定值。②NOx初始生成是在最早著火邊緣處，之后在燃燒室中部以及縮口處大量生成，然后向燃燒室邊緣擴(kuò)散，最后在燃燒室內(nèi)均勻分布。③Soot初始生成位置是燃燒室最外圍中部，然后凹坑最深處開(kāi)始大量生成，隨著燃燒的進(jìn)行和缸內(nèi)流動(dòng)的發(fā)展，Soot生成和聚集區(qū)集中于燃燒室中央部位呈圓柱形，且縮口與凸臺(tái)兩端濃度高于中間部分。④ω形燃燒室的徑深比對(duì)4種排放物都有影響，對(duì)Soot生成的影響大于對(duì)其余的影響。燃燒室凹坑較淺且開(kāi)口較大的E1燃燒室與凹坑較深且縮口較小的E2燃燒室相比，CO排放方面，E1燃燒室高于E2燃燒室；HC排放方面，E1燃燒室略低于E2燃燒室；NOx排放方面，E1燃燒室低于E2燃燒室；Soot排放方面，E1燃燒室明顯低于E2燃燒室。⑤如要改進(jìn)柴油機(jī)燃燒室的排放特性，燃燒室的開(kāi)口應(yīng)在允許情況下取較大值，而凹坑深度可取較小值，即徑深比的比值應(yīng)增加。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用發(fā)動(dòng)機(jī)三維模擬以及建模軟件，建立發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室三維模型及壓縮和做功階段的數(shù)值模型，在確定邊界條件設(shè)置，明確設(shè)計(jì)參數(shù)物理含義之后，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程三維模擬的設(shè)計(jì)。在給定的邊界條件下，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮和做功沖程的瞬態(tài)模擬。對(duì)不同燃燒室結(jié)構(gòu)的燃燒過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)了各種排放物的生成規(guī)律以及時(shí)間歷程，從而明確燃燒室?guī)缀涡螤顚?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放物生成規(guī)律的影響。本文通過(guò)計(jì)算手段，明確各種排放物的生成規(guī)律、時(shí)間演變歷程、以及在氣缸燃燒室空間內(nèi)的具體生成位置，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法提供三維可視場(chǎng)結(jié)果的缺陷。

[1] 王建平. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)及其在工程中的應(yīng)用[J]. 機(jī)電設(shè)備，1994(5)：39-41.

[2] 羅馬吉，陳國(guó)華，蔣炎坤，等. 多缸柴油機(jī)進(jìn)氣管三維定常湍流流場(chǎng)數(shù)值分析[J]，華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，28(10)：46～48.

[3] 馬貴陽(yáng)，解茂昭. 用RNGk-ε模型計(jì)算內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流流動(dòng)[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2002，8(2)：171-175.

[4] 王峻曄，葛曉陵，吳東棣. 分支流理論研研究進(jìn)展[J]. 力學(xué)進(jìn)展，1998，28(3)：392-401.

[5] 許元默，帥石金，王建昕. 電噴汽油機(jī)進(jìn)氣歧管的CAD/CFD設(shè)計(jì)[J]. 汽車工程，2002，24(4)：314-321.

[6] 焦天民. 內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)氣體流動(dòng)模擬計(jì)算的現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J]. 拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2001(5)：11-14.

[7] 張 超，姚 煒，王宏大，等. CFD 技術(shù)在汽油機(jī)進(jìn)氣歧管優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]，內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2014,31(3)：33～36.

[8] 王長(zhǎng)林. 進(jìn)排氣系統(tǒng)壓力波模擬計(jì)算的發(fā)展[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程，1999(4)：22-27，31.

[9] 魏明銳. 基于時(shí)空守恒方法的內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)一維非定常流計(jì)算模擬[J]. 小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2003(1)：29-31.

[10] 楊 帥，周 毅，鄒任玲，等. EGR對(duì)柴油機(jī)工作過(guò)程影響的一維模擬[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(11)：1-5.

[11] 崔 怡，高 瑩，李 君，等. 進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)氣不均勻性影響的仿真研究[J]，小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2009，38(2)：37-40.

[12] 夏興蘭，楊 雄，朱忠偉，等. 數(shù)值模擬方法在柴油機(jī)進(jìn)氣道改進(jìn)中的應(yīng)用[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2002，20(5)：424-428.

[13] 徐 斌，史艷彬. 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)流動(dòng)模擬與優(yōu)化[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程，2005，26(4)：12-15.

[14] 鄒博文，吳 鋒，楊志家. 電噴汽油機(jī)進(jìn)氣管燃油動(dòng)態(tài)模型及補(bǔ)償?shù)姆抡鎇J]. 汽車工程，2004，26(4)：423-425，429.

[15] 馬貴陽(yáng)，解茂昭. 用RNGk-ε模型計(jì)算內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流流動(dòng)[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2002，8(2)：171-175.

[16] 邱卓丹，沈 捷，馮冠東. 進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)柴油機(jī)充氣效率的影響[J]. 廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，11(2)：41-44.

Simulation and Analysis about Combustion Chamber Geometry Shape Influence on Diesel Emission

YANGShuai1a,b，LOUHong-wei1a,b，ZHOUYi1a,b，WANGLei1b，WANXiao1a,b，LIXiu-yuan2

(1a.School of Automotive Studies；1b.New Energy Automotive Engineering Center， Tongji University，Shanghai 201804，China； 2.Jining Polytechnic College，Jining 272037，China)

For two different geometry combustion chamber of diesel engine, the numerical simulation was carried out for the combustion process by CFD. The emissions of two different geometry combustion chamber were calculated in order to study the effects of combustion chamber geometry on the emission characteristics. The results of the diesel engine combustion process, NOx, Soot, HC, CO emission with the time course of generation rules and space generation position were described. Numerical simulation analysis also included the combustion chamber temperature field, pressure field and transient results. The research makes up the shortcoming that the experiment cannot provide three-dimensional visual field results of defects.

combustion chamber; geometry shape; emission; numerical simulation

2015-07-29

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(9005)；同濟(jì)大學(xué)課程建設(shè)實(shí)驗(yàn)教改資助項(xiàng)目(4061)；同濟(jì)大學(xué)教學(xué)改革資助項(xiàng)目(4052)；同濟(jì)大學(xué)精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目資助(4065)；同濟(jì)大學(xué)青年教師英才計(jì)劃資助項(xiàng)目(T028)

楊 帥(1980-)，男，上海人，博士，副教授，從事車用動(dòng)力系統(tǒng)的研究與教學(xué)工作。E-mail:mermaid04@126.com

TK 421.5

A

1006-7167(2016)05-0032-03