车用直喷式柴油机多维燃烧模拟计算

由于 柴油机的高效、 节能、 经济实用 以及大转矩的特 点 , 越来越 多的汽车开始以柴 油机为 动力。研 究车 用直 喷式 柴油机 的燃 烧过 程 , 提高其动力性和经济性 , 降低 NO x 和炭烟排放 , 成为一项 很有意 义的工作。对燃烧过程的研究 除传统的 试验方法 外 , 建立在 试验基 础上的内燃机燃烧过程的数值模拟也是一项强有力的 措施。本文应 用 AV L 公司的 FI R E 软件对 一台 4100型 直喷式 柴油机 的喷雾 及燃 烧过程进行了多维模拟计算及 分析 , 得到 了通过试 验无法观 测得到 的一些详细信息 , 对优化柴油机 结构改进 其燃烧过 程起到了 重要指 导作用。 式中 , 4 ) 组分方程 t ( mi) + xj ( u jm j ) = xj ∀l ml + Rl xj h0 为滞 止焓 ; ( h0) + t T + xj ml xj
Hale Waihona Puke xj k2 #P = - ui uj 式中 ,
ui ∃t ; G = - gi xj %p
为密度 ; k 为湍动能 ; #为耗 散率 ; ∃ 为粘度 ; ∃t 为湍流粘 度 ; u
图 1 1 /4燃烧室的三维几何造形 F ig . 1 CAD Model o f C ombusti on C ham be r
3 计算模型的验证
在模拟计算过程中除了建立正确的模型和输入正确的 发动机相 关结构参数外 , 选择准确的燃烧 模型参数 来描述缸 内燃烧过 程是模 拟计算结果达到最终要求的关键。 3 . 1 试验条件 试验采用的是一台 4 缸增压水 冷四冲程 直喷式柴 油机 , 缸 径为 100 mm, 冲程为 127 mm, 压缩比为 17 . 5, 涡流比为 2 . 5 , 燃 油系统采 用的 是 电控 高 压共 轨系 统 , 喷油 嘴 为多 孔 式 ( 6 孔 ) , 喷 孔 直径 为 0 . 179 mm, 气缸内的压力测量采用的是压力传感器。 3 . 2 计算结果与试验结果的比较分析 为检验本模拟计算中提供的三维模型的合理性, 将计算和实测的 示功图进行比较。图 3 为燃烧室计算示功图与实测示功图的比较。 由图 3 可以看出, 计算结果与实测结果的示功图比较 吻合 , 在形 状上都具有两个峰值。前一个峰是由于滞燃期过后着火形 成预混合
1 1 2
300072 ; 2. 珀金斯动力 (天津 ) 有限公司 , 天津
300402 )
摘要 : 应用 AVL 公司的 FI RE 软件, 对一台 4100型直喷式柴油机的喷雾燃烧过程进行了多维模拟计算 , 得到了缸内流场变化 , 温度 变化及排放物浓度分布以及示功图等重要信息。 通过对柴油机缸内喷雾流场及排放污染物浓度分布情况进行详细分析 , 得出了油雾 在燃烧室的运动情况 , 在理论上说明了燃烧室底部凸起可以促进缸内油气混合 , 以及 NO 和 Soot的主要生成区域及生成历程, 使在实验 中难以观测的现象在模拟计算中得以再现 , 为进一步改善喷雾状况 , 提高燃烧过程降低有害排放提供了有力的参考依据 。 关键词 : 柴油机 ; 燃烧过程 ; 多维模拟 中图分类号 : TK 421+ . 2; U 464. 11+ 4 文献标识码 : A 文章编号 : 1006 - 0006( 2008) 03- 0049 - 04
第 35 卷第 3 期 2008 年 6 月
拖拉机与 农用运 输车 T racto r& F ar m T ransporter
V o.l 35 N o . 3 June , 20 08
车用直喷式柴油机多维燃烧模拟计算与分析
焦运景 , 张惠明 , 李方成
(1 . 天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室 , 天津
用 FAM E 中的旋转拉伸等工 具生成体 网格。为保证 一定的压 缩比 , 在不改变燃烧室内流动特性的情 况下 , 在 燃烧室几 何体的外 部增加 了一个补充的容积 , 即侧壁边 缘凸起 部分。本文 的网格 划分采 用的 为六面体网格。计算网格示意图如图 2所示。
1. 4 计算方法 常用的数值计算方法有很 多 , 如有限 差分法 , 有 限容积法 , 有限 元法 , 有限分析法 , 边界元法等 , 本文采用的为有限容积法。 有限容积法是从描写流动问 题的 守恒 型控制 方程 ( 积分 形式 ) 出发 , 对它在控制容积上作积分 , 在积分过程中需要对界 面上被求函 数的本身 ( 对流通量 )及其一阶导数 ( 扩散通量 ) 构成方 式作出假设 , 形成不同的格式。有限容积法 导出的方 程可以保 证具有守 恒性 , 对 区域形状的适应性也优于有限 差分法 , 是 目前应用 最普遍的 一种数 值计算方法。
2 数值模拟计算条件及参数
2. 1 计算对象 本研究的计算对象是一台 4 缸增压水 冷四冲程 直喷式柴 油机 , 其基本参数如表 2 所示。
表 2 发动机基本参数 Tab . 2 Basic Param ete rs o f Engine 项 目 m) 转速 /( r m in - 1 ) /转矩 /( N 气缸直径 /mm 活塞行程 /mm 连杆长度 /mm 燃烧室容积 /mL 压缩比 喷嘴类型 喷孔个数 参 数 1 600 /445 100 127 219 . 075 43 . 1 17 . 5 孔式 6
为平均速度。模型中的系数 C ∃ = 0 . 09 , C #1 = 1 . 44 , C #2 = 1. 92, C #3 = 0 . 8 , C #4 = 0 . 33, % k = 1 , % #= 1 . 3 ,% =0 . 9 。 以上给出的 k- #为高雷诺数 k- #模 型 , 适用于 离开壁面 一定距 离的湍流区域。在与壁面相邻接的粘性支层中 , 湍流雷 诺数很低 , 必 须考虑分子粘性的影响 , k, #方 程要 做相应 的修改。适 用于粘 性支 层的 k- #模型称为低 Re 数模型。在采用高 R e数 k- # 模型来计算流 体 与固 体表 面 间的 换 热时 , 对 于壁 面 附近 的 区域 , 可 采用 壁 面函 数法 [ 4] 。 1. 3 喷雾和燃烧模型 ( 见表 1)
1 1 2
(1 . State K ey L aborato ry o f Eng ines , T ianjin U n iv ers ity , T ianjin 300072, China ;
xj
( uj h0 ) =
xj
(u i
ij
)+
xj
!
qR +
xj
(∀ l - ∀ h)
l
为流体混合密度 ; p 为 压力 ; u i 为 i 方向的 速度 ; g i 和 f i 分别
ij为 粘性力张 量 ;
为重力和其他阻力在 i 方 向的分量 ; 反应引起的组分 l 的产生率。 1 . 2 湍流模型
1 数学模型及计算方法
1. 1 基本控制方程 燃烧过程的变化是有规律的 , 它满足物理和化学的 基本定律 , 基 本控制方程有连续方程 , 动量方程 , 能量方程和组分方 程。在直角坐 标系中 , 各基本方程可表示为以下形式 [ 1~ 2] 。 1) 连续方程 t 2) 动量方程 ( ui ) + t 3) 能量方程 xj ( u i uj ) = p + xi
+
xj
( uj ) = 0
xj
+ g i - fi
湍流能量耗散方程
收稿日期: 2007 - 05 - 18
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拖拉机与农用运输车
D# = Dt uk # + - C# 2# k xk ; ∃ = C∃ xi t ∃t # %# xj
第 3 期 2008 年 6 月
C #1 P + C #3 G + C #4 k
图 2 计算网格示意图 ( BDC ) Fi g . 2 3 dm i ensi on CFD M esh o f Chambe r(BDC)
2 . 3 计算初始参数的确定 为减少计算时间 , 本研究在柴 油机的燃 烧模拟中 没有考虑 进气 冲程 , 对燃烧过程的模拟从进气门关闭时刻开始计算 , 到排 气门开启 前结束。由于在 440!CA ( 曲 轴转角 ) 后 NO 排放 物的生 成趋势 已基 本趋于稳定 , 炭烟的氧化速 度也已很慢 , 为 节约计算时间 , 本 文模拟 计算在 440!CA 时结束。计算步 长上止点 前为 0. 5!CA, 上止点 后为 0 . 1!CA, 计算历时 48 h。 计算初始设缸内压力和温度 处处均匀 , 初始缸 压为 237 . 5 kPa, 初始缸温为 340 . 6 K, 气缸的初始边界条 件根据经 验 , 设燃烧 室壁面 温度 593 K, 缸盖壁温为 553 K, 缸套壁 温为 403 K; 燃油的初 始温度 为 353 K。 喷嘴喷孔个数、 喷孔空间夹角、 喷孔直径及喷嘴的空间 位置都按 该柴油机的实际值输入。由于缺 乏喷油规 律的实测 数据 , 喷油 规律 假定为方波脉冲燃油喷射规律。
ij
∀ l 和 ∀ h 分别是组分 l 和焓的输运系数 ; qR 为辐射热 ; R l 是由于化学
缸内气体流动为三维可压缩 粘性流动 , 为使上述 基础方程 式封 闭 , 需建立湍流 模型 , 常用 的 湍流 模型 有亚 网 格尺 度 模型 ( SG S 模 型 ) , 雷诺应力模型 ( R S M 模型 ) 和双方程模型 ( k- #模型 ) 。 本文采用了经过压缩修正的 k- #双方 程湍流模型 [ 3] , 该 模型在 工程上应用广泛 , 被证明既经济又实用。其计算方程如下。 湍流能量输运方程如下 k + t uj k = P + G - #+ xj ∃t xj ∃+ % k k xj
Multi dimensiona l S im ula tion and Analy sis of Combustion P rocess in D ID iesel