柴油機(jī)不同形狀燃燒室燃燒特性和排放特性仿真研究

陳祎　程靜峰

摘要：為研究柴油機(jī)不同形狀燃燒室的燃燒與排放特性，利用軟件建立不同燃燒室的燃燒模型，進(jìn)行了燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬，分析了湍動(dòng)能、溫度場(chǎng)、燃空當(dāng)量比對(duì)燃燒的影響。燃燒室收口和底部凸臺(tái)對(duì)湍流的分布起到重要影響。NOX排放的增加，Soot排放的減少，與燃燒室最高平均溫度，油氣混合的程度有著明顯的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；AVL FIRE；數(shù)值模擬；燃燒；排放

引言

近年來(lái)，隨著《第三階段非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值和測(cè)量方法》的實(shí)施，非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)的排放已成為問(wèn)題。降低柴油機(jī)的排放，尤為迫切。燃燒室作為燃燒的主要部位，與柴油機(jī)內(nèi)混合氣形成和燃燒有著密切關(guān)系。研究燃燒室的幾何形狀及結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)燃燒過(guò)程的完善度和發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及排放性能有著重要影響。

隨著缸內(nèi)流場(chǎng)可視化技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬具有了周期短，費(fèi)用低，適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，成為研究?jī)?nèi)燃機(jī)缸內(nèi)流場(chǎng)及燃燒的的重要手段。

本研究采用軟件AVL-FIRE，對(duì)三種不同形狀燃燒室進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析燃燒室形狀對(duì)燃燒和排放的影響，為燃燒室優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 計(jì)算模型及初始邊界條件設(shè)定

1.1幾何模型建立

燃燒室的收口程度和底部凸臺(tái)的形狀會(huì)對(duì)燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大影響。在保持燃燒室容積變化不超過(guò)5%的前提下，通過(guò)改變?nèi)紵抑醒胪蛊鸩课坏男螤詈涂s口比的大小，比較不同形狀的燃燒室對(duì)燃燒特性和排放特性的影響。

1.2 計(jì)算模型

為描述燃燒室內(nèi)的燃燒過(guò)程，采用了相關(guān)火焰模型，ECFM-3Z。該模型采用火焰面密度的方法描述火焰的發(fā)展過(guò)程，考慮了柴油機(jī)的燃燒既有預(yù)混燃燒又有擴(kuò)散燃燒，并以擴(kuò)散燃燒為主的燃燒特性。通過(guò)這樣的方式將化學(xué)相和湍流相分別處理，從物理意義上更準(zhǔn)確。

為計(jì)算NOx排放，采用Extended Zeldovich模型。該模型對(duì)三種反應(yīng)同時(shí)考慮向前和向后反應(yīng)速率的影響基于平衡機(jī)理確定原子物質(zhì)的（O、H、OH）濃度。基于簡(jiǎn)化的炭煙生成和氧化的反應(yīng)機(jī)理，對(duì)炭煙排放進(jìn)行計(jì)算。

2計(jì)算結(jié)果分析

當(dāng)活塞向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，氣缸內(nèi)的空氣被擠入燃燒室的同時(shí)會(huì)在燃燒室內(nèi)形成擠流。用燃燒室內(nèi)的平均湍動(dòng)能可以表示擠流的劇烈程度。

如圖3所示，A型燃燒室在壓縮過(guò)程中凸臺(tái)對(duì)氣流起到了導(dǎo)流的作用，在燃燒室內(nèi)形成強(qiáng)烈的擠流，產(chǎn)生明顯的漩渦。C型燃燒室中底部斜面較A，更好的起到導(dǎo)流作用，使擠流強(qiáng)度略微小于A。B型燃燒室為直口燃燒室，擠流強(qiáng)度最低。A、C兩種燃燒室都具有縮口擠氣渦流較強(qiáng)，在壓縮過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)烈的逆擠流，使氣體向上翻滾沖向活塞頂部周邊的區(qū)域，其中燃燒室A效果最明顯。B型燃燒室為直口燃燒室，擠流強(qiáng)度小于A、C。在壓縮過(guò)程中，燃燒室A內(nèi)湍動(dòng)能較大

的區(qū)域分布在凸臺(tái)兩側(cè)，壁面湍動(dòng)能較小。由于燃燒室向右偏心，當(dāng)右側(cè)空氣尚未被擠進(jìn)燃燒室之前，該側(cè)一部分空氣被擠過(guò)燃燒室的中心，造成燃燒室左側(cè)湍動(dòng)能大于右側(cè)。隨著進(jìn)一步壓縮，燃燒室內(nèi)湍動(dòng)能較大的區(qū)域向燃燒室底部擴(kuò)展。活塞下行，氣缸容積增加，湍動(dòng)能較大的區(qū)域經(jīng)喉口向外擴(kuò)張，燃燒室壁面湍動(dòng)能保持在較高的范圍內(nèi)，有利于油氣的進(jìn)一步混合。燃燒室C湍流的形成和擴(kuò)散較A類似，由于B為直口，湍動(dòng)能較小。

從圖4中看出，燃燒室A、C由于油束與壁面角度的影響，形成的混合氣集中在燃燒室底部，由于湍流強(qiáng)度大，混合氣在湍流的影響下向上翻滾，著火燃燒。燃燒室B中油束撞壁后分裂并形成雙卷流，使燃燒室的油氣混合更均勻。

從圖5可知，碳煙濃度約從365°CA開(kāi)始劇增，在400°CA后減小，B型最低，C型最高，A型介于兩者中間。由圖6可知，燃燒室B燃燒溫度高，說(shuō)明油氣混合比C均勻，燃燒充分，故碳煙生成濃度低于C。

在燃燒后期，由于C型燃燒室中湍流強(qiáng)度大，后期油氣混合迅速，故碳煙濃度下降速率比B型快。燃燒室A介于兩者中間。

從圖6看出，燃燒室B最高溫度比A、C型燃燒室高。由于NOX的生成主要受溫度影響，B型燃燒室溫度升高較快，平均溫度較高，NOX的生成率較大，生成量也較大。A、C型燃燒室在燃燒的過(guò)程中燃燒區(qū)域比B小，燃燒室溫度上升較慢，燃燒溫度較低，NOX的生成速率較小，生成量較小。

圖8為燃燒室燃空當(dāng)量比的比較。隨著活塞下行和燃油的蒸發(fā)，燃空當(dāng)量比的分布受活塞位置影響。A型的燃料由于傾斜壁面的影響，在燃燒室底部較為集中，隨著活塞下行，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)加速了油氣的混合，使油氣分布較為均勻。C型燃油分布與A較相似，底部斜面使燃油分布程度更加均勻，燃油集中有所減少。B中混合氣分散在燃燒室底部與頂部，活塞表面燃油集中程度減少，混合氣分布均勻，燃燒充分。

3結(jié)論

1燃燒室收口是影響擠流的關(guān)鍵因素，收口度越大，擠流強(qiáng)度越大，直口燃燒室擠流強(qiáng)度較小，甚至基本不出現(xiàn)擠流；

2收口燃燒室的傾斜壁面導(dǎo)致油束撞壁后濃混合氣部向燃燒室底部運(yùn)動(dòng)，直口燃燒室的垂直壁造成油束撞壁后濃混合氣分別向燃燒室頂部和底部運(yùn)動(dòng)形成雙卷流，油束與燃燒室形狀更好的配合有利于更充分的利用燃燒室中的空氣，使燃料更均勻的分布到整個(gè)燃燒室空間，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的燃燒起著關(guān)鍵作用。

3在燃燒容積以及縮口比相同的條件下，中央凸起的形狀不同，對(duì)燃燒室以及膨脹過(guò)程中氣缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)特性影響較大。通過(guò)適當(dāng)?shù)母淖內(nèi)紵倚螤睿梢杂行У匾种迫紵覂?nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，降低燃燒溫度，有利于控制NOx排放量。

4不同形狀燃燒室對(duì)燃油分布有較大影響，通過(guò)改變?nèi)紵倚螤睿瑑?yōu)化氣流運(yùn)動(dòng)，提高油氣混合效率，減少Soot的排放。

參考文獻(xiàn)：

[1]李曉東.第二代單缸柴油機(jī) 186FA 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析與性能優(yōu)化[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車， 2011年， 40（6期）：51-54.

[2] 周斌.基于 FIRE 的柴油機(jī)燃燒過(guò)程的 CFD研究[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造， 2011年， 17（第4期）：06-11.

[3] 何旭.燃燒室形狀對(duì)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)影響的數(shù)值模擬[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)， 2005年（第3期）：08-12.

[4] 林學(xué)東.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年， 44（第6期）：1648-1654.

[5] 林學(xué)東.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年， 44（第6期）：1648-1654.

[6] 盧正輝.基于燃燒過(guò)程優(yōu)化的小型農(nóng)用柴油機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)匹配研究[D].廣西大學(xué)， 2012.

[7] W.Edelbauer.NEW CONCEPT FOR ON-LINE COUPLING OF 3D EULERIAN AND LAGRANGIAN SPRAY APPROACHES IN ENGINE SIMULATIONS[J].ICLASS， 2006（1）.