柴油機(jī)不同形狀燃燒室燃燒特性和排放特性仿真研究

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1、柴油機(jī)不同形狀燃燒室燃燒特性和排放特性仿真研究　　摘要：為研究柴油機(jī)不同形狀燃燒室的燃燒與排放特性，利用軟件建立不同燃燒室的燃燒模型，進(jìn)行了燃燒過程的數(shù)值模擬，分析了湍動(dòng)能、溫度場(chǎng)、燃空當(dāng)量比對(duì)燃燒的影響。燃燒室收口和底部凸臺(tái)對(duì)湍流的分布起到重要影響。NOX排放的增加，Soot排放的減少，與燃燒室最高平均溫度，油氣混合的程度有著明顯的關(guān)系?！　￡P(guān)鍵詞：柴油機(jī)；AVLFIRE；數(shù)值模擬；燃燒；排放　　引言　　近年來，隨著《第三階段非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值和測(cè)量方法》的實(shí)施，非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)的排放已成為問題。降低柴油機(jī)的排放，尤為迫切。燃燒室作為燃燒的主要部位，與柴油機(jī)內(nèi)

2、混合氣形成和燃燒有著密切關(guān)系。研究燃燒室的幾何形狀及結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)燃燒過程的完善度和發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及排放性能有著重要影響?！　‰S著缸內(nèi)流場(chǎng)可視化技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬具有了周期短，費(fèi)用低，適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，成為研究內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)流場(chǎng)及燃燒的的重要手段。　　本研究采用軟件AVL-FIRE，對(duì)三種不同形狀燃燒室進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析燃燒室形狀對(duì)燃燒和排放的影響，為燃燒室優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)?！　?計(jì)算模型及初始邊界條件設(shè)定5　　1.1幾何模型建立　　燃燒室的收口程度和底部凸臺(tái)的形狀會(huì)對(duì)燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大影響。在保持燃燒室容積變化不超過5%的前提下，通過改變?nèi)紵抑醒胪蛊?/p>

3、部位的形狀和縮口比的大小，比較不同形狀的燃燒室對(duì)燃燒特性和排放特性的影響。　　1.2計(jì)算模型　　為描述燃燒室內(nèi)的燃燒過程，采用了相關(guān)火焰模型，ECFM-3Z。該模型采用火焰面密度的方法描述火焰的發(fā)展過程，考慮了柴油機(jī)的燃燒既有預(yù)混燃燒又有擴(kuò)散燃燒，并以擴(kuò)散燃燒為主的燃燒特性。通過這樣的方式將化學(xué)相和湍流相分別處理，從物理意義上更準(zhǔn)確?！　橛?jì)算NOx排放，采用ExtendedZeldovich模型。該模型對(duì)三種反應(yīng)同時(shí)考慮向前和向后反應(yīng)速率的影響基于平衡機(jī)理確定原子物質(zhì)的（O、H、OH）濃度?；诤喕奶繜熒珊脱趸姆磻?yīng)機(jī)理，對(duì)炭煙排放進(jìn)行計(jì)算。　　2計(jì)算結(jié)果分析　　當(dāng)活塞向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，

4、氣缸內(nèi)的空氣被擠入燃燒室的同時(shí)會(huì)在燃燒室內(nèi)形成擠流。用燃燒室內(nèi)的平均湍動(dòng)能可以表示擠流的劇烈程度。5　　如圖3所示，A型燃燒室在壓縮過程中凸臺(tái)對(duì)氣流起到了導(dǎo)流的作用，在燃燒室內(nèi)形成強(qiáng)烈的擠流，產(chǎn)生明顯的漩渦。C型燃燒室中底部斜面較A，更好的起到導(dǎo)流作用，使擠流強(qiáng)度略微小于A。B型燃燒室為直口燃燒室，擠流強(qiáng)度最低。A、C兩種燃燒室都具有縮口擠氣渦流較強(qiáng)，在壓縮過程中產(chǎn)生強(qiáng)烈的逆擠流，使氣體向上翻滾沖向活塞頂部周邊的區(qū)域，其中燃燒室A效果最明顯。B型燃燒室為直口燃燒室，擠流強(qiáng)度小于A、C。在壓縮過程中，燃燒室A內(nèi)湍動(dòng)能較大　　的區(qū)域分布在凸臺(tái)兩側(cè)，壁面湍動(dòng)能較小。由于燃燒室向右偏心，當(dāng)右側(cè)空氣

5、尚未被擠進(jìn)燃燒室之前，該側(cè)一部分空氣被擠過燃燒室的中心，造成燃燒室左側(cè)湍動(dòng)能大于右側(cè)。隨著進(jìn)一步壓縮，燃燒室內(nèi)湍動(dòng)能較大的區(qū)域向燃燒室底部擴(kuò)展?；钊滦校瑲飧兹莘e增加，湍動(dòng)能較大的區(qū)域經(jīng)喉口向外擴(kuò)張，燃燒室壁面湍動(dòng)能保持在較高的范圍內(nèi)，有利于油氣的進(jìn)一步混合。燃燒室C湍流的形成和擴(kuò)散較A類似，由于B為直口，湍動(dòng)能較小?！　膱D4中看出，燃燒室A、C由于油束與壁面角度的影響，形成的混合氣集中在燃燒室底部，由于湍流強(qiáng)度大，混合氣在湍流的影響下向上翻滾，著火燃燒。燃燒室B中油束撞壁后分裂并形成雙卷流，使燃燒室的油氣混合更均勻?！　膱D5可知，碳煙濃度約從365°CA開始劇增，在400°CA后減小

6、，B型最低，C型最高，A型介于兩者中間。由圖6可知，燃燒室B燃燒溫度高，說明油氣混合比C均勻，燃燒充分，故碳煙生成濃度低于C?！　≡谌紵笃冢捎贑型燃燒室中湍流強(qiáng)度大，后期油氣混合迅速，故碳煙濃度下降速率比B型快。燃燒室A介于兩者中間?！　膱D6看出，燃燒室B最高溫度比A、C型燃燒室高。由于NOX的生成主要受溫度影響，B型燃燒室溫度升高較快，平均溫度較高，NOX的生成率較大，生成量也較大。A、C型燃燒室在燃燒的過程中燃燒區(qū)域比B小，燃燒室溫度上升較慢，燃燒溫度較低，NOX的生成速率較小，生成量較小。5　　圖8為燃燒室燃空當(dāng)量比的比較。隨著活塞下行和燃油的蒸發(fā)，燃空當(dāng)量比的分布受活塞位置影

7、響。A型的燃料由于傾斜壁面的影響，在燃燒室底部較為集中，隨著活塞下行，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)加速了油氣的混合，使油氣分布較為均勻。C型燃油分布與A較相似，底部斜面使燃油分布程度更加均勻，燃油集中有所減少。B中混合氣分散在燃燒室底部與頂部，活塞表面燃油集中程度減少，混合氣分布均勻，燃燒充分?！　?結(jié)論　　1燃燒室收口是影響擠流的關(guān)鍵因素，收口度越大，擠流強(qiáng)度越大，直口燃燒室擠流強(qiáng)度較小，甚至基本不出現(xiàn)擠流；　　2收口燃燒室的傾斜壁面