共轨柴油机燃烧排放性能数值仿真研究.pdf

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1、秦建文1刘琦1曹明宇2王鲁峰2：共轨柴油机燃烧排放性能数值仿真研究』LJc—，：一、，已、，已、，巳、，已～袋《设计研究84r气f—jf—)f—x产‘圮～对共轨柴油机燃烧排放性能数值仿真研究NumericalSimulationResearchofCommonRailDieselEngineEmissionPerformance秦建文1刘琦1曹明宇2王鲁峰2(1．海军工程大学2．海军潜艇学院)[摘要]为了研究柴油机燃烧排放性能，建立共轨620柴油机包括进气道和燃烧室在内的三维几何模型，利用FIRE软件划

2、分网格并且进行数值仿真计算，在喷油量一定的前提下分析共轨系统中各参数对柴油机燃烧与排放性能的影响。结果表明喷油提前角和共轨压力对整机性能的影响较大。增大喷油提前角和共轨压力、减小喷孔直径有利于改善燃烧排放性能。[关键词)柴油机共轨FIRE燃烧排放1概述发动机缸内的燃烧属于湍流燃烧，湍流燃烧是一个十分复杂的过程。湍流对燃烧过程中的传热和传质起着不可忽视的作用，而温度、物质浓度等等也受反应机理本身的影响111。Fire软件是由奥地利AVL公司开发用于模拟内燃机流动、喷雾、燃烧过程的CFD软件，Fire包含了

3、丰富的燃烧和排放模型．并且还预留给用户自定义模型。用户可以非常方便的根据不同的环境和求解对象选择各类不同的计算模型，以实现模拟计算与实际情况的一致性【2l。本文利用FIRE软件对共轨620柴油机的燃烧排放过程进行三维瞬态数值模拟，得到了较为准确的动态过程。2模型的建立利用PRO／E软件建立包括进气道、气门和燃烧室在内的三维几何模型，并将模型在AVLFIRE软件中划分网格，如图1所示。定义活塞在进气冲程TDC位置时的曲柄转角为360。，进气门开闭时刻分别为315。CA和5800CA。湍流模型选用模型。液滴

4、破碎模型选用KH—RT二次油滴破碎模型，燃油雾化采用WAVE离散模型，燃烧模型采用相关火焰三区模型，排放模型采用Zeldovich模型【3】。对柴油机缸内喷油的计算以曲轴转角为计算步长，本次计算从360。CA开始，到838。CA为止。不考虑进排气的影响，假设缸内的初始气体均匀，具有相同的温度和压力。气体的初始速度可通过涡流比计算出，涡流比取1．2。喷雾期采用0．25。CA计算步长H1。图1几何梗型和计鼻网格Fig．1geometric?modelandthecalculationgrid3仿真计算结果分

5、析3．1喷油提前角对燃烧与排放性能的影响图2为转速为1500r／min、轨压为150Mpa、100％负荷时不同喷油提前角的燃烧特性曲线的对比图。从图2(a)中，可以看出缸内平均温度随着喷油电孽2内燃机与配件2014年第1期提前角的增大而升高，当喷油提前角由1lOBTDC增大到230BTDC时．缸内的最高平均温度由1398K升高到1559K，燃烧速率更快，放热效率更高。而且，喷油提前角的增大将使缸内高温持续时间增加．由于缸内燃烧温度和高温持续时间是生成NOx的主要原因，因此提前喷油可以增大NOx的生成量。

6、从图2(b)中，可以看出随着喷油提前角的增大。缸内压力曲线的峰值升高，也就是说随着喷油提前角的增大．柴油机的做功效率也逐渐增大。这是因为喷油提前角增大，滞燃期变长，在滞燃期喷人燃烧室的燃油就会增多，在着火前形成的可燃混合气也就增多。着火时，这些燃油在急燃期中几乎同时燃烧，使压力升高率和最大爆发压力增大。Cr舯k舢碑，d叼(b)缸内平均压力图2不同喷油提前角的燃烧特性曲线对比Fig．2CompareoftheburningcharacteristiccurvewffhdifferentSOl(a)h)x排

7、放Crar^^qw嘶(b)Soot排放图3不同喷油提前角的NOx排放和Soot排放对比Fig．3CompareoftheNOxandSootwithdifferentSOl图3为轨压为150MPa时不同喷油提前角的NOx排放和Soot排放的对比图。可以看出随着喷油提前角的增大．NOx排放增加．这是因为随着喷油提前角的增大．缸内高温区域增大，高温持续时间增加，这可以从图2(a)不同喷油提前角缸内最高平均温度对比图中看出。Soot排放随着主喷油提前角的增大而减小．这是因为随着喷油提前角的增大．预混合时间变长

8、，可燃混合气形成更多更均匀．因此燃烧也就越完全，产生的碳烟也就越少。3．2共轨压力对燃烧与排放性能的影响图4(a)和(b)为两种共轨压力对应的缸内平均温度和缸内压力曲线，从图中可以看出，随着共轨压力的增大，缸内最高爆发压力增大，缸内最高平均温度由1450K升高到1530K，这是因为提高共轨压力可以增加燃油喷射速度．提高喷油的雾化程度和蒸发速度，燃油混合气形成更加均匀，燃烧更加完全。Q呲～曲嘲(a)缸内平均沮度q．tt咄^r■州(b)缸内平均