基于FIRE的柴油機(jī)燃燒過(guò)程的CFD研究

（西昌學(xué)院汽車與電子工程學(xué)院，西昌615013）

基于FIRE的柴油機(jī)燃燒過(guò)程的CFD研究

周斌
（西昌學(xué)院汽車與電子工程學(xué)院，西昌615013）

應(yīng)用三維CFD仿真軟件AVL FIRE對(duì)CY4102直噴式柴油機(jī)的燃燒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，再現(xiàn)了缸內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程、湍流參數(shù)的變化、燃油粒子的空間分布、燃燒過(guò)程的進(jìn)展?fàn)顩r、傳熱過(guò)程以及缸內(nèi)溫度場(chǎng)的分布等，結(jié)果表明：隨著噴油提前角的增大，滯燃期變長(zhǎng)，最高平均溫度、壓力和放熱率峰值均增大，且其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均有前移趨勢(shì)，同時(shí)氮氧化合物(NOx)的排放增加，碳煙(Soot)的排放減低；燃燒室速度場(chǎng)和柴油濃度場(chǎng)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化不明顯。

柴油機(jī) 燃燒 數(shù)值模擬 發(fā)動(dòng)機(jī)性能

1 概述

目前，柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的研究方法主要有實(shí)驗(yàn)法和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬法。由于實(shí)驗(yàn)法固有的缺點(diǎn)，已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代柴油機(jī)的設(shè)計(jì)要求。近幾年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬法研究缸內(nèi)燃燒過(guò)程成為一種新的重要手段。數(shù)值模擬法不僅可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能測(cè)試，而且可以再現(xiàn)缸內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程、湍流參數(shù)的變化、燃油粒子的空間分布、燃燒過(guò)程的進(jìn)展?fàn)顩r、傳熱過(guò)程以及缸內(nèi)溫度場(chǎng)的分布等。因此，數(shù)值模擬法已成為當(dāng)今對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行深入研究必不可少的手段[1]。

2 計(jì)算模型及初始邊界條件確定

2.1 幾何模型的建立

本文以CY4102直噴式柴油機(jī)為計(jì)算對(duì)象，其技術(shù)性能參數(shù)見(jiàn)表1。CY4102柴油機(jī)的燃燒室為偏心式ω敞口型燃燒室，見(jiàn)圖1。

采用美國(guó)EDS公司推出的UG繪圖軟件對(duì)CY4102柴油機(jī)的燃燒室進(jìn)行三維建模。圖2是活塞位于壓縮上止點(diǎn)時(shí)燃燒室的幾何模型。由于壓縮余隙對(duì)燃燒室中空氣的擠流現(xiàn)象以及排放物的生成有較大影響，為了真實(shí)地再現(xiàn)實(shí)際情況，必須保證原機(jī)的壓縮余隙1.4 mm不變。將幾何模型以STL的格式保存，即將幾何模型的表面轉(zhuǎn)換為三角形表面網(wǎng)格，從而為幾何模型的網(wǎng)格劃分做準(zhǔn)備，見(jiàn)圖3。

圖1 燃燒室二維結(jié)構(gòu)圖

表1 CY4102柴油機(jī)的技術(shù)性能參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

本文多次利用FIRE軟件中的Rotate、Extrude、Connect、Jion Meshes以及Conform Connect等網(wǎng)格劃分工具建立了活塞在180℃A處(進(jìn)氣行程下止點(diǎn))的燃燒室計(jì)算網(wǎng)格模型，所生成的體網(wǎng)格單元全部為六面體網(wǎng)格，共生成411 110個(gè)六面體單元。最終利用FIRE提供的FAME Engine動(dòng)網(wǎng)格產(chǎn)生工具建立動(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)模型。為了保證計(jì)算結(jié)果的精度，在建立動(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)模型時(shí)，利用Refine網(wǎng)格劃分工具對(duì)不同曲軸轉(zhuǎn)角處的體網(wǎng)格進(jìn)行再劃分。本文中對(duì)320°和340°曲軸轉(zhuǎn)角處的體網(wǎng)格進(jìn)行了再劃分[2]。圖4為不同曲軸轉(zhuǎn)角下的計(jì)算網(wǎng)格模型。

圖2 燃燒室?guī)缀文Ｐ?/p>

圖3 STL三角形表面網(wǎng)格

圖4 不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的計(jì)算網(wǎng)格

3 初始條件及邊界

3.1 初始條件

柴油機(jī)工作過(guò)程是高度瞬變且周期循環(huán)的，其時(shí)均運(yùn)動(dòng)和湍流運(yùn)動(dòng)的弛豫時(shí)間都非常短，這樣就降低了數(shù)值模擬中初始條件的重要性[3]。理論上，初始條件對(duì)整個(gè)計(jì)算來(lái)說(shuō)影響非常小，只要計(jì)算時(shí)間足夠長(zhǎng)，進(jìn)行足夠長(zhǎng)的循環(huán)計(jì)算，這樣流場(chǎng)的解最終將自動(dòng)顯示出周期性，而與初始條件無(wú)關(guān)。而實(shí)際計(jì)算中為了使所求的解能夠盡快達(dá)到收斂，提高計(jì)算精度，盡量合理地規(guī)定初始條件還是很有必要的，特別當(dāng)計(jì)算所持續(xù)的時(shí)間不足一個(gè)循環(huán)時(shí)更是如此[4]。

在FIRE軟件中，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的計(jì)算是以發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角為步長(zhǎng)單位進(jìn)行計(jì)算的。本文中所計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)工況：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，進(jìn)氣渦流比為1.6，單缸循環(huán)噴油量為55 mg，計(jì)算范圍從230°(進(jìn)氣門關(guān)閉)到484°(排氣門打開(kāi))。計(jì)算開(kāi)始時(shí)假定燃燒室流場(chǎng)為均勻單一區(qū)域，溫度為340 K，壓力為175 kPa，渦流轉(zhuǎn)速為2 240 r/min。根據(jù)下述湍流動(dòng)能公式計(jì)算，確定進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)燃燒室流場(chǎng)的湍流動(dòng)能和湍流長(zhǎng)度標(biāo)尺[5]。

h——沖程長(zhǎng)度；

n——轉(zhuǎn)速；

hV——?dú)忾T最大升程。

根據(jù)式（1）和式（2），最終得到TKE=11 m2/s2，TLS=7.5 mm。

3.2 邊界條件

邊界條件包括速度邊界條件和溫度邊界條件。

溫度邊界條件采用恒溫邊界，缸蓋底面溫度、活塞頂面溫度和氣缸壁面溫度分別取553 K、593 K和403 K，同時(shí)將補(bǔ)償容積的內(nèi)外表面設(shè)為絕熱壁面。

速度邊界條件設(shè)定：活塞頂面、氣缸壁面和補(bǔ)償容積的外表面為靜止壁面，即速度為零；活塞頂面的速度和補(bǔ)償容積的內(nèi)表面設(shè)置為活塞的運(yùn)動(dòng)速度[4]。

4 計(jì)算結(jié)果分析

為了研究噴油提前角對(duì)該機(jī)燃燒過(guò)程的影響，在保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，噴油持續(xù)期為12℃A，單缸循環(huán)供油量為55 mg不變的條件下，模擬仿真噴油提前角分別為6℃A、8℃A和10℃A時(shí)的燃燒過(guò)程[6]。

4.1 速度場(chǎng)的分析

圖5 壓縮行程中的速度場(chǎng)

圖5 為壓縮行程中燃燒室速度場(chǎng)的變化，由圖可以看出：噴油提前角分別為6℃A、8℃A和10℃A時(shí)，在噴油始點(diǎn)處燃燒室速度場(chǎng)的分布差別不大，氣體流動(dòng)跡線也未發(fā)生大的變化。噴油提前角為6℃A時(shí)，燃燒室中空氣的最大流動(dòng)速度為17.29 m/s；當(dāng)噴油提前角增大到10℃A時(shí)，最大流動(dòng)速度降低為16.115 m/s。由此可以認(rèn)為噴油提前角對(duì)噴油始點(diǎn)處燃燒室速度場(chǎng)的影響較小，因噴油提前角的不同而引起的噴油始點(diǎn)燃燒室速度場(chǎng)的變化對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的影響可以忽略[7]。

4.2 溫度場(chǎng)的分析

圖6為不同噴油提前角時(shí)燃燒室溫度場(chǎng)的比較，展示了從噴油始點(diǎn)至400℃A曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)燃燒室溫度場(chǎng)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系[8]。由圖可以看出，燃燒室中間部位溫度明顯偏低，這是燃燒室形狀、流場(chǎng)、噴油過(guò)程及燃燒過(guò)程等共同作用的結(jié)果，這對(duì)中置式噴油器的使用壽命是有利的。噴油提前角為6℃A(BTDC)時(shí)，噴油始點(diǎn)處燃燒室流場(chǎng)溫度最高，滯燃期最短，缸內(nèi)最高燃燒溫度最低。隨著噴油提前角的增大，噴油起始時(shí)刻燃燒室流場(chǎng)中的溫度降低，滯燃期增大，缸內(nèi)最高燃燒溫度增大。

4.3 發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

圖7為不同噴油提前角時(shí)缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度、放熱率、碳煙及NOx排放各性能曲線的比較。

結(jié)果顯示：隨著噴油提前角的增大，缸內(nèi)最高平均壓力及溫度均增大，且其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均有前移趨勢(shì)；隨著噴油提前角的增大，燃料的放熱過(guò)程明顯提前，且放熱率峰值增大；隨著噴油提前角的增大，NOx的排放增多，但是碳煙（Soot）的排放減少。其原因主要是：在噴油率形狀不變的情況下，隨著噴油提前角的增大，滯燃期增長(zhǎng)，滯燃期內(nèi)噴入的燃油增多，形成的可燃混合氣增多造成的。

5 結(jié)論與建議

1）利用三維建模軟件UG建立了CY4102直噴式柴油機(jī)燃燒室的幾何模型，以STL三角形表面網(wǎng)格的格式將其導(dǎo)入CFD軟件FIRE中，利用FIRE軟件中的網(wǎng)格劃分工具建立了該燃燒室的動(dòng)網(wǎng)格模型。

2）在保持原機(jī)轉(zhuǎn)速、噴油量、噴油持續(xù)期和噴孔錐角等參數(shù)不變的條件下，模擬仿真了噴油提前角對(duì)燃燒過(guò)程的影響。

3）仿真結(jié)果表面：隨著噴油提前角的增大，燃燒滯燃期增大，同時(shí)瞬時(shí)燃燒放熱率極值、缸內(nèi)平均最高壓力和最高溫度均增大，其極值對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角有前移趨勢(shì)；NOx的排放增加，但是碳煙的排放降低。

4）分析原機(jī)燃燒室中的柴油濃度場(chǎng)的分布，發(fā)現(xiàn)在該噴孔錐角下燃燒室底部的燃油濃度較高，該區(qū)域可能導(dǎo)致碳煙排放的增加，因此有必要進(jìn)一步分析噴孔錐角對(duì)燃燒過(guò)程的影響。

圖6 不同噴油提前角時(shí)溫度場(chǎng)的比較

圖7 不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的計(jì)算網(wǎng)格

1蘇石川，嚴(yán)兆大，季律人．增壓直噴式柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒可視化及其排放的試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2005，26（3）．

2史春濤，張寶歡，金則兵等．湍流模型的發(fā)展及其在內(nèi)燃機(jī)CFD中的應(yīng)用[J]．拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2006，33(1)：5-10．

3劉金武，楊靖，高為國(guó)等．直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧模型研究進(jìn)展[J]．內(nèi)燃機(jī)工程，2005，26(1)：81-85．

4劉宜，周校平，喬信起等．我國(guó)柴油機(jī)迎接歐Ⅲ排放限值的技術(shù)準(zhǔn)備[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2005（2）：54-57.

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8 Sasaki Y,Uchiyama K,Nishimura Y,et al.Intake Air Volume Control System for Optimal Drive Torque[J].Hitachi Review.1995,44(3).

Simulation Study on Combustion Process of DI Diesel Engine

Zhou Bin
（School of Agricultural Sciences of Xichang College,Sichuan 615013,China）

Numerical simulation of the combustion process of CY410 direct-injection diesel engine is done with 3D CFD simulation software AVL FIRE,revealing the fluid flow process,the charge of the turbulence,the space distribution of fuel particles,combustion process,heat-transfer process and temperature field in the cylinder.The results show that with the increase of the fuel injection advance angle, ignition delay period becomes longer,the maximum average temperature and peak pressure and heat release rate are increased,the crank angles of those peaks also advance,NOX is increased,and soot is decreased; while the velocity field and diesel concentration field are not changed obviously.

diesel engine,combustion,numerical simulation,engine performance

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.04.002

來(lái)稿日期：2011-09-23

周斌（1981-），男，碩士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)新型燃料、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。