高原环境柴油机喷嘴内部流场与缸内温度场的三维数值模拟.pdf

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1、第5期(总第202期)车用发动机No．5(SerialNo．202)2012年1O月VEHICLEENGINE0ct．2012高原环境柴油机喷嘴内部流场与缸内温度场的三维数值模拟李华莹，刘建敏，郭猛超(装甲兵工程学院机械工程系，北京100072)摘要：采用广安博之等准维模型，建立柴油机高原运行工作过程模型；通过环境模拟台架试验验证了模型的可信性。将准维计算结果作为喷嘴内部气液两相流动和缸内燃烧三维模拟的初始务件，就高原低压、低温、低氧务件对喷孔内燃油流动状态与分布、缸内燃烧过程的影响进行三维数值模拟。海拔3700m计算结果表明：与平原环境相比，柴油机喷嘴内空穴现象加剧，燃油

2、流动速度增加，喷孔出口燃油分布不均匀度增加；缸内燃烧平均温度比平原最多高出300℃且分布不均匀，燃烧室局部热负荷偏高。研究初步揭示了高原环境柴油机性能劣化机理，为通过优化缸内喷雾和燃烧过程改善高原运行发动机性能提供参考。关键词：高原环境；柴油机；喷嘴；流动分布；燃烧过程；温度场DOI：10．3969／j．issn．1001—2222．2012．05．013中图分类号：TK427文献标志码：B文章编号：1001—2222(2012)05—0056—05我国高原面积相当广阔，目前有较多数量大功1柴油机工作过程模型及环境试验验证率柴油动力机械运行在这些区域。随着海拔高度的上升，大

3、气压力下降，大气温度下降，空气密度减小，考虑工程实际需求，在计算进排气管内的流动进气氧含量降低，由此导致进入柴油机缸内的空气与传热时，用一维流动计算代替实际的三维流动计量减小，过量空气系数下降，压缩终了气缸内混合气算。在进行缸内喷雾和燃烧计算时，采用广安博之的压力和温度降低，使得喷入缸内的柴油不能及时(Hiroyasu)模型，该模型假定燃料直接以油滴形式着火燃烧；同时缸内一部分燃料由于缺氧而不能完射入燃烧室，认为燃烧速率主要由油滴蒸发速率控全燃烧做功，可燃混合气过浓，缸内燃烧滞后，进而制，对喷雾锥角、贯穿度和油滴破裂滞后期的计算都使得大功率柴油机高原运行(尤其是海拔3000

4、m考虑了压差的影响，因此一定程度上可反映出海拔以上)热负荷加剧，功率下降，油耗上升，炭烟排放严的影响；缸内传热计算采用沃希尼(Woschni)公式。重恶化。可见，针对高原环境运行的非电控大功率柴油机所匹配增压器压气机的流量特性、效率特性柴油机，研究喷嘴内部流场，了解燃油在破裂、碰撞以及涡轮的流量特性，按已知MAP进行匹配。该和聚合、撞壁之前极小时间尺度内的状态，进而分析柴油机参数见表1，喷油器为带缝隙滤的多孔长针缸内燃烧过程，有助于分析高原环境对柴油机性能阀密封式结构，喷孔数8个，喷孔直径0．35mm。影响的机理，进而从优化喷雾和燃烧的角度提出对表1柴油机基本参数高原运行柴

5、油机性能的改善方案，如喷油器的优化型式v12缸，水冷，四行程，直喷和燃用含氧燃料等。由于喷孔几何尺寸极小，且内增压方式废气涡轮增压部流动速度很高，定量观测其内部流场困难，同时高缸径／mm15O原环境缺乏柴油机缸内参数可视化测试条件，因此，本研究采用准维和多维CFD方法分析低气压、低气缸排列形式V型6O。温、低氧综合条件对柴油机喷嘴内燃油的流动状态压缩比13：1～14：1及缸内喷雾和燃烧的影响。排量／L38．8收稿日期：2012—06—20；修回日期：2012-08—03作者简介：李华莹(1981一)，男，博士，研究方向为军用车辆状态监测与故障诊断；SSSW—love@126

6、．corn。2012年1O月李华莹，等：高原环境柴油机喷嘴内部流场与缸内温度场的三维数值模拟为了验证模型的正确性，环境气压定为边界条件。63．4kPa，发动机进气温度为29℃时，在高原环境模拟试验台上进行试验，工况为标定功率点。试验采用申克D2600水利测功机、AVL数据采集仪及岂、DEWE5000燃烧分析仪。图1示出缸内压力计算出与实测的对比。由图1可知模型的精度满足工程要担求。因为受条件限制，进行了海拔3700m时的车辆实车试验。海拔和背压的关系见表2。在此基础上，计算出海拔3700m时的缸内平均温度，结合已知的针阀升程规律和喷油规律数据作为三维计算的图1缸内压力对比表

7、2环境边界海拔高度／m大气压力／kPa大气温度／℃空气密度／kg·mu”水沸点／C氧质量浓度／kg·mO101．325l51．2261OOO．2531OOO90．4198．51．11297．50．228200079．48721．00695．50．2043OOO70．101—4．50．90990．50．187400061．635—110．819870．169500054．009—17．50．736840．152量交换模型选用了与气穴现象相关的气穴阻力模2高原环境喷孔内气液两相流数值模拟型，能量交换模型选用了考虑减压沸