噴孔直徑對(duì)柴油機(jī)燃燒特性影響的仿真分析

羅 堃，崔云翔

（1.東風(fēng)柳州汽車(chē)有限公司，廣西 柳州545000；2.廣西壯族自治區(qū)汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)質(zhì)量檢驗(yàn)站，廣西 柳州 545000）

0 引言

柴油機(jī)燃燒會(huì)使零部件產(chǎn)生振動(dòng)、噪音與機(jī)械熱負(fù)荷，其主要原因與柴油機(jī)工作特性、功率、效率和排放有關(guān)聯(lián)。因此對(duì)燃燒過(guò)程的研究至關(guān)重要。柴油機(jī)特性分析與工程師的經(jīng)驗(yàn)密不可分，一方面主要體現(xiàn)在燃燒室?guī)缀纬叽绾蛧娪拖到y(tǒng)等結(jié)構(gòu)性參數(shù)上，另一方面主要通過(guò)現(xiàn)代數(shù)值仿真技術(shù)模擬柴油機(jī)氣缸內(nèi)流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，極大地提高工程師開(kāi)發(fā)新機(jī)型新技術(shù)的能力，達(dá)到良好的效果。

本文采用三維CFD軟件：AVL-FIRE，研究不同噴孔直徑變化時(shí)，對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行計(jì)算分析，得出了其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)柴油機(jī)燃燒特性的影響，可進(jìn)一步優(yōu)化燃燒系統(tǒng)參數(shù)提供依據(jù)。

1 計(jì)算對(duì)象及初始條件

4L28T型柴油機(jī)是一款較為成熟的機(jī)型，廣泛應(yīng)用于皮卡、SUV、輕卡等。其主要技術(shù)參數(shù)和特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)

為了使其計(jì)算得到簡(jiǎn)化，將燃燒室以活塞頂正中央進(jìn)行對(duì)稱(chēng)分布，燃燒室計(jì)算網(wǎng)格劃分時(shí)只取其的1/8體積（由于燃燒室為周布均勻結(jié)構(gòu)）。仿真計(jì)算以進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻222°CA時(shí)作為起始點(diǎn)，排氣門(mén)開(kāi)啟角497°CA作為計(jì)算結(jié)束循環(huán)點(diǎn)。本研究定義上止點(diǎn)角度為360°CA，三維建模建立的活塞與氣缸，以及兩者之間所劃分的網(wǎng)格隨著活塞循環(huán)運(yùn)動(dòng)而成進(jìn)行壓縮與擴(kuò)展，燃燒室內(nèi)部網(wǎng)格總數(shù)目保持不變。設(shè)定氣缸內(nèi)初始?jí)毫Α囟染鶆蚍植肌Ｈ绫?所示為，計(jì)算過(guò)程中定壁面溫度、活塞、缸套、缸蓋溫度以理想狀態(tài)下保持恒定。以柴油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速r=3 200 r/min為計(jì)算工況進(jìn)行燃燒過(guò)程分析。

2 理論分析

三維仿真過(guò)程中所應(yīng)用的物理模型為：定義WAVE模型為噴霧模型；定義模型為湍流模型；定義Dukowicz模型為蒸發(fā)模型；定義EBU燃燒模型（eddy break model）－渦團(tuán)破碎模型為燃燒模型；NOx形成原理以經(jīng)典的Zeldovich模型為準(zhǔn)則；定義Kennedy-Hiroyasu Magnussen模型為碳煙模型等各數(shù)值計(jì)算模型[1-5]。仿真參數(shù)如表2所示。

表2 仿真計(jì)算參數(shù)

3 噴孔直徑對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程影響計(jì)算

噴孔直徑作為燃油噴射系統(tǒng)中噴油器的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，其大小值與燃油油束射程成正比[6]。射程過(guò)大，貫穿率則大，射程過(guò)小，貫穿率則小，因此在確定噴孔直徑時(shí)，匹配柴油機(jī)燃燒室時(shí)需適中。本文確定0.25 mm、0.35 mm、0.45 mm和 0.55 rnm四個(gè)方案（圖1~圖4）噴孔直徑大小來(lái)進(jìn)行計(jì)算，分析不同噴孔直徑對(duì)柴油機(jī)排放性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響。

方案一：d=0.25 mm

圖1 d=0.25 mm湍動(dòng)能、濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布

方案二：d=0.35 mm

圖2 d=0.35 mm湍動(dòng)能、濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布

方案三：d=0.45mm

圖3 d=0.45 mm湍動(dòng)能、濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布

方案四：d=0.55 mm

圖4 d=0.55 mm湍動(dòng)能、濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布

圖1 ~圖4為4種方案在上止點(diǎn)后5°CA時(shí)湍動(dòng)能、當(dāng)量比濃度、速度場(chǎng)分布結(jié)果。由4種方案所得的圖可知：方案1中高湍動(dòng)能的流場(chǎng)分布最為寬廣。由混合氣濃度分布可知，方案1中混合氣當(dāng)量比最大，會(huì)使燃燒室深坑處會(huì)出現(xiàn)油霧碰壁粘著現(xiàn)象，不利于柴油蒸發(fā)霧化，會(huì)使碳煙生成量增大。方案2中湍動(dòng)能不大，而燃燒室中心區(qū)域則有較高湍動(dòng)能，該分布形式能提高燃燒速度和燃燒后的火焰?zhèn)鞑ニ俣取幕旌蠚鉂舛确植伎芍旌蠚鉂舛葓?chǎng)分布較為均勻能使燃油霧化在較為寬廣的范圍實(shí)現(xiàn)。方案4中湍動(dòng)能最低，混合氣分布在較小的空間范圍內(nèi)，易導(dǎo)致燃燒不充分，碳煙排放會(huì)趨于增大。方案3湍動(dòng)能和混合器濃度分布介于方案2和方案4之間。

圖5~圖10為4種不同噴孔直徑方案對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。由圖6可知，缸內(nèi)平均壓力隨著噴孔直徑減小，缸內(nèi)平均壓力隨之增大。由于隨著噴孔直徑的減小，噴霧霧化直徑變小，霧化質(zhì)量增強(qiáng)，使其燃燒時(shí)缸內(nèi)壓力升高。與此同時(shí)缸內(nèi)溫度也隨之上升（如圖5所示），導(dǎo)致NOx排放增大，soot排放下降（如圖7、8所示）。

圖6 噴孔直徑對(duì)缸內(nèi)壓力影響

圖7 噴孔直徑對(duì)soot生成量影響

圖8 噴孔直徑對(duì)NOx生成量影響

圖9 噴孔直徑對(duì)NOx生成量影響

圖10 噴孔直徑對(duì)soot生成量影響

圖 9、圖 10為 4種方案在 440°CA時(shí) NOx與soot（碳煙）質(zhì)量分?jǐn)?shù)（ppm）的生成影響變化，結(jié)合圖1～圖4不同方案所形成的混合氣濃度分布情況，可知：方案1中噴孔直徑比較小，油束貫穿距較大，但比較容易出現(xiàn)油束碰壁粘著的不良現(xiàn)象；方案2油氣混合氣濃度分布比較的均勻，方案3和方案4混合氣濃度分布兩者較為類(lèi)似。方案4中噴孔直徑比較大，油束貫穿距也比較小，油氣混合在燃燒室內(nèi)未達(dá)到較好狀態(tài)，會(huì)使柴油機(jī)性能有所下降，包括動(dòng)力性下降，排放（NOx與soot）不佳等。

通過(guò)以上分析可知，噴孔直徑采用方案2較為合理。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由圖11可以看出，計(jì)算的示功圖與實(shí)測(cè)示功圖吻合較好，這是由于仿真分析需要對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行一定簡(jiǎn)化，所使用的計(jì)算模型均為經(jīng)典的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停虼巳紵龎毫?shí)驗(yàn)值與計(jì)算值存在一定誤差，且誤差均在6%以?xún)?nèi)[7]，說(shuō)明該計(jì)算結(jié)果具有一定準(zhǔn)確性。

圖11 示功圖對(duì)比

5 結(jié)論

（1）應(yīng)用AVL-Fire軟件對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行三維仿真分析，得出了不同噴孔直徑下的速度場(chǎng)分布情況，燃燒缸內(nèi)溫度、壓力、排放等情況，有利于分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響。

（2）噴孔直徑大，油束貫穿距小，易使燃燒效果不佳；噴孔直徑小，油束貫穿距大，易使油霧著壁粘著到燃燒室。由計(jì)算與綜合分析可確定噴孔直徑為0.35 mm，柴油機(jī)性能最佳。