204_缸内喷雾燃烧CFD仿真与可视化试验对比分析_DFL余宏峰.pdfVIP

缸内喷雾燃烧 CFD 仿真与可视化试验对比分析 余宏峰 杨尚丽 殷勇 （东风商用车技术中心，武汉经济技术开发区东风大道 10 号） 摘 要：本文采用 AVL FIRE 软件，对东风重型柴油发动机进行缸内喷雾燃烧过程仿真。 利用内窥镜系统，完成发动机可视化试验，直接拍摄获得缸内喷雾燃烧图像，采用双色 法计算碳烟浓度分布。通过 CFD 仿真结果与燃烧火焰、碳烟浓度进行对比分析，校验仿 真结果趋势与可视化结果的吻合程度。 关键词：CFD；可视化； 主要软件：AVL FIRE 1. 前言 为执行日益严格的排放法规和提高发动机燃油经济性，加强缸内喷雾燃烧过程的研究至 关重要。随着计算机技术的不断进步，计算流体动力学（CFD）和高性能计算机已经广泛应 用于发动机缸内的喷雾燃烧仿真计算。 尽管仿真计算可以使我们摆脱试验研究的限制，加强缸内喷雾燃烧过程的直观认识、获 取缸内过程图像有利于提高研究人员对喷雾燃烧过程的感性认识，同时对于校核仿真计算模 型的精度有着特别重要的意义。本文采用对流场无干扰的内窥镜技术，直接在产品级发动机 上进行喷雾、燃烧过程的可视化测量，获得喷雾燃烧过程的时空变化图像，并用双色法计算 碳烟浓度。用 CFD 的仿真结果与燃烧火焰、碳烟浓度进行了对比，校验了仿真结果趋势与 可视化结果的吻合程度。 2. 试验系统 2.1 试验发动机 研究中采用东风现生产重型直喷柴油发动机，发动机常规技术参数信息见表 1 。 表1 试验发动机技术参数 缸径 123mm 冲程 156mm 压缩比 16.4:1 连杆长度 228mm 涡流比 1.6 燃油系统 Bosch CRS 喷油器孔径/孔数 0.189mm/8 为了能够在发动机上观察到缸内的燃油喷射和燃烧火焰，需要在缸盖上加工可视化通路 将内窥镜和光源伸入缸内进行拍摄和照明。由于目前几乎所有的柴油发动机都采用喷油器中 置、四气门的缸盖结构，不可避免地需要在活塞上做局部加工，避开光学视角。图 1 所示， 在 CAD 中完成的可视化系统布置和可观察到的燃烧室视野范围。发动机上台架前，更换缸 盖和测量缸活塞。 2011 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文 图1 可视化系统CAD布置 2.2 可视化系统 研究中所采用的可视化系统为基于内窥镜测量技术的光学燃烧摄像系统。该系统在发动 机自由端安装曲轴转角编码器，在发动机输出端的缸盖上安装内窥镜和光纤光源。内窥镜前 安装有石英窗，保护内窥镜不会接触高温高压燃气。内窥镜后面接一个 CCD 相机，光纤光 源与一个频闪单元相连，频闪单元主要用于在燃烧前对燃油喷射过程进行照明。系统以曲轴 转角为单位采集记录发动机燃油喷射和燃烧火焰图像。需要说明的是，曲轴转角编码器定义 压缩上止点为 0°CA，即可视化系统拍摄的图像都是以 0°CA 为基准，压缩上止点前为负 角度，压缩上止点后为正角度。 图 2