渦流強(qiáng)度對(duì)增壓柴油機(jī)燃燒和排放特性影響的仿真研究

朱道慶 楊慧明 許文燕 豐建軍

摘要：文章首先建立了16V132增壓柴油機(jī)的燃燒系統(tǒng)仿真模型，之后進(jìn)行了不同渦流強(qiáng)度方案下的整機(jī)燃燒過(guò)程CFD仿真計(jì)算，分析了渦流強(qiáng)度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電工況下的燃燒特性和排放特性影響規(guī)律，最終確定了合適的燃燒過(guò)程渦流比，為16V132增壓柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);燃燒特性;排放特性;CFD仿真

0? 引言

燃燒系統(tǒng)匹配合適的渦流，可以加速燃油與空氣的混合，加速了空氣向油滴的傳熱，并增加氧分子與燃油分子的接觸面積，從而起到縮短滯燃階段加速燃燒過(guò)程的作用，最終決定整機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性的優(yōu)劣[1-3]。隨著渦流強(qiáng)度的增大，燃燒室內(nèi)的燃油平均濃度逐漸減小，渦流強(qiáng)度越大，燃油和空氣的混合越均勻。因此，為了改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程，提高燃油與空氣的混合質(zhì)量，在直噴式燃燒系統(tǒng)中要組織合適的空氣渦流。

文章應(yīng)用商用CFD模擬軟件AVL Fire模塊，對(duì)16V132增壓柴油機(jī)的燃燒過(guò)程進(jìn)行三維瞬態(tài)仿真計(jì)算，確定了合適的渦流比參數(shù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1? 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

16V132柴油機(jī)主要應(yīng)用于發(fā)電機(jī)組，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

2? 仿真模型的建立

根據(jù)16V132柴油機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了燃燒系統(tǒng)的三維計(jì)算模型。為了減少計(jì)算工作量，對(duì)CFD模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理：省略進(jìn)氣道和排氣道;仿真計(jì)算從進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻（165°BTDC）開(kāi)始到排氣門(mén)打開(kāi)時(shí)刻（-125°BTDC）結(jié)束;通過(guò)AVL Boost軟件對(duì)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)渦流比進(jìn)行模擬計(jì)算，將計(jì)算值對(duì)進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行初始化邊界輸入（見(jiàn)表2）。

由軟件自帶的Fame Engine Plus對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格劃分，因?yàn)閲娪推鞑贾糜跉飧字行?，具有軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，噴孔均布，所以計(jì)算區(qū)域取為噴孔數(shù)分之一的扇形區(qū)域，而該柴油機(jī)采用8孔噴油器，因此本次計(jì)算采用1/8的扇形區(qū)域構(gòu)建計(jì)算模型。所劃分的計(jì)算網(wǎng)格見(jiàn)圖1，整個(gè)計(jì)算網(wǎng)格包括44380個(gè)單元格。

另外，16V132柴油機(jī)采用的供油系統(tǒng)是單體泵系統(tǒng)，計(jì)算采用模擬的柴油機(jī)單體泵噴油規(guī)律，如圖2所示。在標(biāo)定點(diǎn)轉(zhuǎn)速時(shí)，噴油持續(xù)期假設(shè)為33°CA。

燃燒過(guò)程仿真所采用的物理模型匯總見(jiàn)表3。

為了考察渦流強(qiáng)度對(duì)燃燒過(guò)程的影響，本次仿真計(jì)算將針對(duì)8×0.22×150°的噴孔方案進(jìn)行的，而且在初始渦流比為0.8的基礎(chǔ)上又選取了0.5及1.1兩個(gè)方案。

3? 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 渦流強(qiáng)度對(duì)燃燒特性的影響

不同渦流強(qiáng)度下的瞬時(shí)放熱率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，渦流強(qiáng)度對(duì)瞬時(shí)放熱率影響不明顯，初期的放熱峰值隨渦流強(qiáng)度的增大而增加。為了便于分析，將各渦流強(qiáng)度方案對(duì)應(yīng)放熱規(guī)律進(jìn)行參數(shù)分解，如表4。

通過(guò)分析1500r/min轉(zhuǎn)速下的三種噴孔方案缸內(nèi)燃燒特征數(shù)據(jù)可知，渦流強(qiáng)度對(duì)燃燒始點(diǎn)、燃燒重心的影響不太明顯，整體趨勢(shì)隨渦流強(qiáng)度的增大而前移，燃燒持續(xù)期及累積放熱量均則隨渦流強(qiáng)度的增大而減小。

圖4和圖5分別為發(fā)動(dòng)機(jī)在1500r/min、100%負(fù)荷下，缸內(nèi)燃燒過(guò)程的濃度場(chǎng)及溫度場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果。其中，剖切面為上止點(diǎn)時(shí)距活塞頂面5mm的一水平切面。

由缸內(nèi)濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布圖可知，隨渦流強(qiáng)度增加，油束軸向旋轉(zhuǎn)角度增加，過(guò)大的渦流導(dǎo)致兩油束間的空氣占有率降低，相鄰油束間空氣量的降低一定程度上降低了油氣交接處相互的卷吸，從而對(duì)空氣的有效利用率降低，而適度的渦流會(huì)加強(qiáng)燃油與空氣的混合，對(duì)空氣利用率增加。

3.2 渦流強(qiáng)度對(duì)排放特性的影響

圖6和圖7分別為發(fā)動(dòng)機(jī)在1500r/min、100%負(fù)荷下的NOx和Soot排放的仿真計(jì)算結(jié)果。

由排放特性計(jì)算結(jié)果可知，發(fā)動(dòng)機(jī)在1500r/min時(shí)，渦流比對(duì)于排放物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響較大。隨渦流比的增大，NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加;隨著渦流比的增大，Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)在燃燒初期較小，但在燃燒過(guò)程后期則隨著渦流比的增大而增大。

4? 結(jié)論

通過(guò)16V132柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)中不同渦流強(qiáng)度下的燃燒過(guò)程仿真計(jì)算及分析，可知發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)電工況下，適度增大渦流強(qiáng)度可有效改善燃燒過(guò)程，但渦流比太大會(huì)導(dǎo)致NOx及Soot排放量增加，指示功率有所下降，因此渦流比=0.8（原方案）時(shí)缸內(nèi)燃燒過(guò)程組織較好，可以指導(dǎo)后續(xù)16V132柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]何學(xué)良，李疏松.內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[2]周龍保，劉巽俊，高宗英.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3]A.Uludogan， D.E.Foster， and R. D.Reitz. Modeling the Effect of Engine Speed on the Combustion Process and Emissions in a DI Diesel Engine. SAE962056.