柴油机缸内燃烧过程仿真

山西中北大学机械与动力工程学院　王慧　刘汉涛

柴油机缸内燃烧过程仿真

山西中北大学机械与动力工程学院王慧刘汉涛

本文以某6缸柴油机为研究对象，建立燃烧过程计算模型，对从进气门关闭到排气门打开的过程进行数值模拟，通过计算出的缸内压力、放热率和温度场分布图来预测其基本性能，并实现内燃机结构参数与运行参数的优化，从而实现减排节能。

柴油机；燃烧过程；数值模拟

引言

内燃机自诞生以来，凭借其热效率高、结构简单、比质量小等优点广泛应用于交通运输、农业和工程机械，为人类社会的快速发展做出了巨大贡献。柴油机给人类生活带来便利的同时，也带来了一系列环境问题，能源紧缺和环境污染己成为当今世界面临的两大难题。改善柴油机燃烧过程是平衡节能减排的主要手段。由于柴油机燃烧过程极其复杂，伴随有物理和化学变化，因此国内外专家很重视柴油机缸内燃烧过程的模拟计算。

本文以某6缸柴油机为研究对象，建立燃烧过程的三维几何模型，从进气门关闭到排气门打开进行模拟计算，通过计算缸内压力、放热率和温度场分布图来预测其基本性能并实现内燃机结构参数与运行参数的优化，从而实现减排节能。

1　缸内燃烧模型的建立

在改善燃料燃烧和提高性能方面，燃烧室形状的选取很重要［1］。本文选W形直喷式燃烧室，由气缸盖底平面和活塞顶部的凹坑形成，直接喷射到凹坑内的柴油主要靠雾化和空气均匀混合形成可燃混合气。本文柴油机的主要参数见表1。

表1　柴油机主要参数

将燃烧室按喷孔数看成是在活塞顶正中央处轴向对称分布，因此根据喷孔数建立整体模型的1/8，这样简化燃烧计算模型可以节约成本，缩短计算时间。首先建立三维几何模型，然后对燃烧室进行网格的划分。

2　计算模型和边界条件

柴油机缸内燃烧过程十分复杂，包括进气涡流、压缩涡流、燃油燃烧、燃油喷射、雾化、蒸发、碰撞等。因此计算中选用的数学模型有湍流模型、湍流扩散模型、粒子相互作用模型、蒸发模型、碰壁模型、破碎模型和燃烧模型。

为了让模拟更接近发动机实际工作状态，边界条件的取值参考了文献［2］中的实验数据，缸内初始压力为348kPa，初始温度为241K，初始湍动能为30m2/s2，湍流长度为0.75cm。壁面温度采用绝热边界条件，进气道壁面和气门座边界均忽略壁面传热，气缸盖壁面温度为553K，气缸套壁面温度为403K，活塞壁面为移动壁面，温度为593K。

3　计算结果与分析

3.1缸内压力变化及分析

在柴油机燃烧工作过程中，缸内压力发生着复杂变化，图1为缸内压力变化曲线，从图中看出，从进气门关闭时刻（曲轴转角为220°CA）开始，由于燃烧室表面和残余废气对新鲜充量的加热，气缸内的平均压力和压力升高率不断升高。随着曲轴转角的增大，缸内气体压缩，使得缸内压力不断升高，在曲轴转角到达353°CA时压力曲线有一个陡增的趋势，这是因为此时喷油器开始喷油，缸内开始燃油，在压缩和燃烧的共同作用下压力到了最大，为17.3MPa，此时为367°CA。随着燃烧气体的压力、温度迅速升高，体积急剧膨胀对外界做功，使得压力下降，所以缸内压力开始下降，并且下降速度越来越小。

图1　缸内压力曲线

图2　燃烧放热率曲线

3.2缸内燃烧放热率分析

柴油机在燃烧过程中伴有燃烧放热，而放热率决定了缸内压力和温度的变化。因此，柴油机的燃烧放热率可以影响其主要性能指标。图2为缸内燃烧放热率变化曲线，从图中看出，燃烧放热率曲线在燃烧开始前都是零，因为缸内没有燃烧过程就没有产生热量；随着燃烧过程的开始，燃烧放热率急剧增大，且在曲轴转角为360°CA时，放热率达到最大值，为48J/deg，因为此时压力急剧上升，可燃混合气几乎一起燃烧，释放热量又多又快。最后进入后燃期，由于燃烧时候短，燃料燃烧接近尾声所以放热率下降。

3.3缸内温度场计算与分析

图3为柴油机缸内燃烧过程温度场分布图。从图中看出，曲轴转角为353°CA时，燃油喷入气缸，缸内温度较低。燃料缸喷入气缸时并不马上着火，而是稍有滞后，这时处于滞燃期，喷入气缸的燃料发生一系列物理、化学变化过程，包括燃料的雾化、加热、蒸发、扩散与空气混合等物理准备阶段以及着火前的化学准备阶段［3］。燃油在气缸内边混合边燃烧，曲轴转角到358°CA时进入急燃期，温度上升很快，这是因为已混合好的可燃混合气几乎一起燃烧，而且是在活塞上止点附近，气缸容积较小的情况下燃烧，缸内压力升高率较大。随着燃料的燃烧，气缸容积不断增大，缸内温度不断升高，进入缓燃期和后燃期，燃油混合不均匀，燃烧强度降低，缸内压力减小，缸内温度逐渐降低。

图3　缸内温度场分布图

4　结论

（1）气缸压力变化特性主要由燃烧规律决定，因此，燃烧规律可以影响柴油机的主要性能指标。

（2）根据燃烧过程进行的特征可分为滞燃期、急燃期、缓燃期和后燃期，每个阶段缸内的压力和温度变化，都可以反映燃烧进行的情况。

［1］林学东，顾静静，李德刚等.柴油机燃烧室结构对混合气形成及燃烧特性的影响［J］.吉林大学学报，2014，（6）：2647-1654.

［2］周鹏.柴油机燃烧机理及缸内燃烧过程仿真研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

［3］潘剑锋，卢青波，王谦等.柴油机燃烧过程的数值模拟及燃烧室改进［J］.江苏大学学报，2012，（4）：390-395.

王慧，1990出生，山西长治人，在读研究生，研究方向：发动机仿真与计算。