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
內(nèi)燃機(jī)自誕生以來,憑借其熱效率高、結(jié)構(gòu)簡單、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。
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。
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)鳠幔瑲飧咨w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。
3.1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
(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,山西長治人,在讀研究生,研究方向:發(fā)動(dòng)機(jī)仿真與計(jì)算。