某型柴油機的燃燒分析

楊志輝 張金花 付艷萍

摘要：本文應用AVL- FIRE軟件對某型柴油機的燃燒過程進行模擬計算，比較了兩種結構燃燒室在全工況時的燃燒及排放性能，為該型柴油機的燃燒室結構優化提供指導。

Abstract： This article use AVL- FIRE software to simulate the combustion process of a diesel engine，and the combustion and emission performance of two kinds of combustion chambers under full working conditions is compared， which provides guidance for the optimization of the combustion chamber structure of this diesel engine.

關鍵詞：燃燒室;模擬計算;排放性能

Key words： combustion box;simulation calculation;exhaust performance

中圖分類號：U464.172? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0065-02

0? 引言

柴油機的性能指標與柴油機的燃燒過程密切相關。缸內燃燒過程的好壞，直接影響柴油機的動力性、經濟性、排放及噪聲等性能。作為柴油機燃燒系統重要組成部分的燃燒室的結構參數對噴射燃油的霧化及油氣混合過程有重要影響。優化燃燒室結構，使噴射燃油在燃燒室內霧化充分，油氣混合均勻，可以改善燃燒過程，優化柴油機的動力性、經濟性、排放性等性能指標。本文運用AVL-FIRE軟件對某型柴油機的兩種燃燒室結構進行模擬計算，比較兩種燃燒室結構在全工況時燃燒及排放性能，為該型柴油機燃燒室結構的優化改進提供指導。

1? 數學模型

控制一切流體運動的基本定律是質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，這些方程共同組成納維爾-斯托克斯控制方程。控制方程就是對這些守恒定律的數學描述，各控制方程可以表示為式（1）的通用形式。

（1）

2? 幾何模型的建立與網格劃分

應用AVL- FIRE軟件的柴油機缸內燃燒專用分析模塊ESE-DIESEL，能夠方便快捷地建立燃燒室的動網格。在ESE-DIESEL分析模塊中輸入柴油機的基本結構參數、兩種活塞燃燒室的剖面參數及噴油器結構參數，形成柴油機的燃燒室的網格劃分。

該型柴油機氣缸軸線和燃燒室軸線及噴油器軸線完全重合，故為了節約計算時間，計算區域只取中心角為360°/8的扇形體。為了簡化計算，本文只分析該型柴油機整個循環的高壓循環過程。

3? 初始邊界條件及計算模型的選取

3.1 初始條件和邊界條件

缸內燃燒過程仿真是瞬態計算，初始條件的設置至關重要。在本文中只計算柴油機的高壓循環，故初始參數決定了氣缸內流體的初始狀態。本文設定計算開始時，缸內氣體壓力、溫度處處相等。在本文中，溫度和壓力的數值采用一維BOOST軟件計算后對應時刻（即進氣門關閉）的數值，初始溫度為100℃，初始壓力為3.84Bar，定義了壓力和溫度后，軟件會根據氣體狀態方程自動更新密度，初始渦流比為0.8，渦流軸線與燃燒室軸線重合，缸內工質與缸壁間存在熱量交換。

溫度邊界采用恒溫邊界，取氣缸蓋底部溫度、氣缸壁溫度、活塞頂部溫度分別為330℃、290℃、330℃。

補償容積為建立有限元模型時補償柴油機的實際壓縮比而增加的容積，實際中不存在，所以在分析中設置為熱流邊界，熱流量為零。

速度邊界條件設定為：氣缸蓋和氣缸壁靜止壁面的速度為零，活塞頂的速度等于活塞運動速度。

3.2 計算模型的選取

本文采用FIRE軟件進行仿真計算時，選取的模型參數見表1。

4? 燃燒過程多維數值模擬結果分析

在循環供油量和噴油規律不變的情況下，對兩種不同的燃燒室結構進行噴霧燃燒仿真分析，對比其對燃燒和排放的影響。

FIRE軟件后處理可以提供任意燃燒時刻缸內絕對壓力、溫度的三維彩色云圖，通過對比兩種結構燃燒室的壓力和溫度云圖，可形象的反映不同結構燃燒室內壓力和溫度的差異，為燃燒系統的改進和加強提供理論依據。

FIRE軟件除了可以提供三維彩色云圖外，還可以提供表示具體數值的二維曲線結果。

圖1至圖6為兩種不同燃燒室在燃燒及排放等性能方面的二維曲線對比。

由圖中測量數據可知，采用Ⅰ型燃燒室比Ⅱ型燃燒室，瞬時放熱率最大值提高2.4%，平均值提高3.3%;累計燃燒放熱量最大值提高3.3%，平均值提高2%;缸壓比最大值提高1.9%，平均值提高0.26%;缸溫最大值提高0.58%，缸溫平均值提高0.74%;NO排放降低5%;soot排放最大值降低15.8%，平均值降低40%。

5? 結論

通過對仿真計算結果的分析，可得出以下結論：

①從柴油機燃燒性能來看，Ⅰ型燃燒室無論瞬時放熱率和累計放熱量均大于Ⅱ型燃燒室，Ⅰ型燃燒室缸內平均壓力和缸內平均溫度也略高于Ⅱ型燃燒室，故可知Ⅰ型燃燒室燃燒性能優于Ⅱ型燃燒室。

②從排放水平來看，采用Ⅰ型燃燒室NO排放和soot排放均低于Ⅱ型燃燒室，故Ⅰ型燃燒室排放性能優于Ⅱ型燃燒室。

參考文獻：

[1]周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]AVL FIRE General Gas Phase Reactions Module Manual. AVL LIST GmbH. 2018.

[3]AVL FIRE BOOST Aftertreatment guide.