DM425天然气发动机燃烧室仿真分析.docx

第3期(总第206期)2013年6月车用发动机

第3期(总第206期)2013年6月

VEHICLEENGINEJun.2013

·性能研究·

DM425天然气发动机燃烧室仿真分析

高莹,曹志浩1,姜在先2,李书华1,葛迪1,刘铁刚3

(1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林长春130022;

2.中国重型汽车集团有限公司，山东济南250002;3.卡特彼勒技术研发中心，山东青岛266061)

摘要：为了适应CNG燃料的燃烧，需要增加燃烧室的容积并降低压缩比。利用CFD三维仿真方法，针对在重型柴油机平台上开发的DM425天然气发动机，分别对不同压缩比和不同燃烧室碗径条件下的燃烧过程进行了分析和对比。通过仿真分析，确定DM425天然气发动机的压缩比为11:1、燃烧室碗径为85mm是最优设计方案。

关键词：天然气发动机；压缩比；燃烧室；计算流体动力学DOI:10.3969/j.issn.1001-2222.2013.03.008

中图分类号：TK433.6文献标志码：B文章编号：1001-2222(2013)03-0035-05

随着排放法规的日益严格和石油资源的渐趋匮乏，天然气发动机已经成为研究和开发的热点[1]。同时，我国能源结构具有富煤、贫油、多气(天然气)的特点，因此，基于重型柴油机改装的天然气发动机在我国有广阔的市场前景。发动机的工作核心是燃烧过程，燃烧室的设计直接影响发动机动力性、经济性与排放性等关键指标。如果不对原柴油机压缩比进行改进，当发动机燃烧过程从非均质混合气扩散燃烧变化到均质混合气火焰传播燃烧时会引起爆震。

传统的试验测试需要消耗大量的人力、物力和财力，而日益成熟的CFD(ComputationalFluidDy-namics)技术已经成为研究燃烧室燃烧的重要手段，本研究利用CFD三维仿真方法，分别对不同压缩比和不同燃烧室碗径条件下的燃烧过程进行了分析和对比，从而为DM425燃烧系统的优化提出了指导性建议[2-3]。

1几何模型的建立与网格划分

1.1模型的建立

建立准确的燃烧室几何模型是CFD仿真计算和正确分析燃烧过程的前提和基础[4-5]。原柴油机的燃烧室不能适应CNG燃料的需要，盆型燃烧室能够更好地利用燃烧室内的气流运动，增大火焰传播速率，不仅经济性好，也易于起动。本研究选用三维CAD软件Pro-E绘制了盆型燃烧室的几何模型，

其压缩比为11:1,碗径为85mm(见图1)。

图1盆形燃烧室模型

1.2网格划分

该DM425CNG发动机燃烧室形状是回转体，燃烧室中心线与气缸中心线同轴，几何结构比较简单，所以选用CFD软件Flire下的ESE-D模块进行网格划分，先对燃烧室回转截面进行2D网格划分，再通过旋转方式生成3D六面体网格(见图2),能很好地保证网格划分的质量[6]。该机燃料供给系统采用国际主流的电控调压器燃料控制系统，在缸外形成混合气，进气门关闭后缸内空间、气流运动和燃烧情况可视为以气缸中心线为中心对称的，所以取燃烧室的1/4进行网格划分，以减少计算网格的总数量，缩短仿真计算的时间。

a燃烧室回转截面2D网格b径向截面网格

图2网格划分

收稿日期：2013-04-01;修回日期：2013-04-28

作者简介：高莹(1972—),女，教授，博士，主要研究方向为汽车动力系统仿真与控制；ying-gao@vip.sina,com。

通讯作者：曹志浩(1988一),男，硕士，主要研究方向为汽车动力系统仿真与控制；caozhi_hao@126.com。

·36·2013年第3期车用发动机

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2013年第3期

在对回转截面进行2D网格划分时，平均网格尺寸设为0.001m,在保证计算精度的前提下，减少计算网格的总数量。此2D网格旋转90°,这90°扇面圆周方向网格划分数设为25。ESE模块会根据发动机的结构参数和3D静网格自动生成随曲轴转角变化的动态网格，最终生成的3D网格见图3。

aTDCb

aTDC

图33D动态网格

2控制参数的设定

由于CFD-WM的计算是瞬态计算，因此选择曲轴转角表示时间的变化，并定义压缩上止点为360°曲轴转角。由于只关注燃烧室