CA498发动机燃烧过程数值模拟.pdfVIP

CA498 发动机燃烧过程数值模拟 刘安，丁厉伟 大连海事大学轮机工程学院（116026 ） E-mail：lewancop@T 摘 要：由于缸内温度及混合物成分都随空间及时间发生变化，传统的柴油机性能预测手段 不论是在燃烧室几何形状和喷射系统参数的关系上，还是在柴油机的性能和排放特性方面都 只能提供有限的信息。本文利用AVL 公司的 FIRE 软件对CA498 发动机进行了燃烧过程的 三维数值模拟，分析探讨了燃空当量比、温度场和排放物生成之间的内在联系，为下一步的 优化设计提供依据。 关键词：柴油机，数值模拟，燃烧过程分析，Nox ，Soot 1.引言 柴油机缸内的燃烧过程不仅决定着柴油机经济性和动力性的好坏，还对排放指标起着 决定性的作用。由于燃烧过程的复杂性，长期以来，柴油机缸内燃烧的研究多为借助于实验， 这种研究法不仅要受到实验条件、测试技术、仪器精度的影响，并需要大量的经费投人，而 且有时根本无法完成。随着当今计算机技术的飞速发展及计算流体力学、计算传热学、化学 [1] 动力学等基础理论研究的深人，内燃机燃烧过程的数值模拟已成为燃烧研究的重要手段 。 2.发动机参数和计算网格划分[2] 本计算主要针对大连柴油机厂生产的CA498 机型，其主要参数为：缸径 98mm ，冲程 105mm ，压缩比 17.5：1。因该发动机使用的是孔式喷油器，4 个孔周向均布，夹角为 90° 。 为了简化计算，把燃烧室看成在活塞顶正中央对称分布，因此在生成燃烧室的计算网格时只 取燃烧室的 1/4 ，网格在边界处加密。活塞与气缸顶之间的网格大小随着活塞和气缸的相对 运动成比例地拉伸和压缩，网格数目也相应地变化；燃烧室内部网格大小和数目固定，只随 活塞一起运动。计算从进气门关闭开始，到燃烧喷雾过程结束，直到排气阀打开为止。这样 做的目的是为了减少计算时间。设缸内初始状态的压力、温度处处均匀，计算中的换热过程 根据给定壁面温度的第一类边界条件计算，假定活塞、缸套和缸盖的温度不变，按经验取估 计值。 a)燃烧室截面图 b)计算模型网格 图1 燃烧室形状及其计算网格 -1- 3. 燃烧过程的模拟与分析 (a)燃空当量比分布图 (b)温度场分布图 (c)NOx 质量分数分布图 (d) Soot 质量分数分布图 图2 BTDC 8°CA 燃烧过程分析图 CA498 发动机喷油始点为 BTDC 10°CA ，但是燃料在该时刻并不马上着火，而是有一 个滞燃期，在上止点前8°CA 左右缸内才开始着火燃烧，将滞燃期形成的可燃混合气消耗掉。 着火初期，由于缸内温度、压力变化不大，油滴蒸发速率几乎保持不变，而缸内燃烧要消耗 部分燃油蒸汽，故缸内燃空当量比增幅减缓，上止点后缸内大范围内着火燃烧，燃油油滴从 喷孔中射出，在火焰的加热下边燃烧边蒸发，形成液滴群形扩散火焰，随着缸内温度、压力 迅速升高，油滴的蒸发速率迅速增加。在柴油机工作过程中，活塞上行压缩，气缸中空气压 力和温度不断上升，燃料的着火温度因压力升高而不断下降。图2(b)可知，这时气缸中空气 温度大约在 1000 K ，远远高于燃料在当时压力下的自燃温度。因为燃油液滴不断吸热蒸发， 在油束分布区域温度较低，其他区域温度分布较均匀，最大温度梯度处于油束区。油束前锋 处温度较高，燃油在高温缺氧下裂解成碳烟，图(d)验证了这一点，此时生成的碳烟在燃烧