柴油机不同形状燃烧室燃烧特性和排放特性仿真研究

陈祎　程静峰

摘要：为研究柴油机不同形状燃烧室的燃烧与排放特性，利用软件建立不同燃烧室的燃烧模型，进行了燃烧过程的数值模拟，分析了湍动能、温度场、燃空当量比对燃烧的影响。燃烧室收口和底部凸台对湍流的分布起到重要影响。NOX排放的增加，Soot排放的减少，与燃烧室最高平均温度，油气混合的程度有着明显的关系。

关键词：柴油机；AVL FIRE；数值模拟；燃烧；排放

引言

近年来，随着《第三阶段非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值和测量方法》的实施，非道路移动机械用柴油机的排放已成为问题。降低柴油机的排放，尤为迫切。燃烧室作为燃烧的主要部位，与柴油机内混合气形成和燃烧有着密切关系。研究燃烧室的几何形状及结构尺寸对燃烧过程的完善度和发动机的动力性、经济性、可靠性以及排放性能有着重要影响。

随着缸内流场可视化技术和数值模拟技术的发展，数值模拟具有了周期短，费用低，适用性强的特点，成为研究内燃机缸内流场及燃烧的的重要手段。

本研究采用软件AVL-FIRE，对三种不同形状燃烧室进行三维数值模拟，分析燃烧室形状对燃烧和排放的影响，为燃烧室优化设计提供了依据。

1 计算模型及初始边界条件设定

1.1几何模型建立

燃烧室的收口程度和底部凸台的形状会对燃烧室内气流运动产生较大影响。在保持燃烧室容积变化不超过5%的前提下，通过改变燃烧室中央凸起部位的形状和缩口比的大小，比较不同形状的燃烧室对燃烧特性和排放特性的影响。

1.2 计算模型

为描述燃烧室内的燃烧过程，采用了相关火焰模型，ECFM-3Z。该模型采用火焰面密度的方法描述火焰的发展过程，考虑了柴油机的燃烧既有预混燃烧又有扩散燃烧，并以扩散燃烧为主的燃烧特性。通过这样的方式将化学相和湍流相分别处理，从物理意义上更准确。

为计算NOx排放，采用Extended Zeldovich模型。该模型对三种反应同时考虑向前和向后反应速率的影响基于平衡机理确定原子物质的（O、H、OH）浓度。基于简化的炭烟生成和氧化的反应机理，对炭烟排放进行计算。

2计算结果分析

当活塞向上止点运动，气缸内的空气被挤入燃烧室的同时会在燃烧室内形成挤流。用燃烧室内的平均湍动能可以表示挤流的剧烈程度。

如图3所示，A型燃烧室在压缩过程中凸台对气流起到了导流的作用，在燃烧室内形成强烈的挤流，产生明显的漩涡。C型燃烧室中底部斜面较A，更好的起到导流作用，使挤流强度略微小于A。B型燃烧室为直口燃烧室，挤流强度最低。A、C两种燃烧室都具有缩口挤气涡流较强，在压缩过程中产生强烈的逆挤流，使气体向上翻滚冲向活塞顶部周边的区域，其中燃烧室A效果最明显。B型燃烧室为直口燃烧室，挤流强度小于A、C。在压缩过程中，燃烧室A内湍动能较大

的区域分布在凸台两侧，壁面湍动能较小。由于燃烧室向右偏心，当右侧空气尚未被挤进燃烧室之前，该侧一部分空气被挤过燃烧室的中心，造成燃烧室左侧湍动能大于右侧。随着进一步压缩，燃烧室内湍动能较大的区域向燃烧室底部扩展。活塞下行，气缸容积增加，湍动能较大的区域经喉口向外扩张，燃烧室壁面湍动能保持在较高的范围内，有利于油气的进一步混合。燃烧室C湍流的形成和扩散较A类似，由于B为直口，湍动能较小。

从图4中看出，燃烧室A、C由于油束与壁面角度的影响，形成的混合气集中在燃烧室底部，由于湍流强度大，混合气在湍流的影响下向上翻滚，着火燃烧。燃烧室B中油束撞壁后分裂并形成双卷流，使燃烧室的油气混合更均匀。

从图5可知，碳烟浓度约从365°CA开始剧增，在400°CA后减小，B型最低，C型最高，A型介于两者中间。由图6可知，燃烧室B燃烧温度高，说明油气混合比C均匀，燃烧充分，故碳烟生成浓度低于C。

在燃烧后期，由于C型燃烧室中湍流强度大，后期油气混合迅速，故碳烟浓度下降速率比B型快。燃烧室A介于两者中间。

从图6看出，燃烧室B最高温度比A、C型燃烧室高。由于NOX的生成主要受温度影响，B型燃烧室温度升高较快，平均温度较高，NOX的生成率较大，生成量也较大。A、C型燃烧室在燃烧的过程中燃烧区域比B小，燃烧室温度上升较慢，燃烧温度较低，NOX的生成速率较小，生成量较小。

图8为燃烧室燃空当量比的比较。随着活塞下行和燃油的蒸发，燃空当量比的分布受活塞位置影响。A型的燃料由于倾斜壁面的影响，在燃烧室底部较为集中，随着活塞下行，缸内气流运动加速了油气的混合，使油气分布较为均匀。C型燃油分布与A较相似，底部斜面使燃油分布程度更加均匀，燃油集中有所减少。B中混合气分散在燃烧室底部与顶部，活塞表面燃油集中程度减少，混合气分布均匀，燃烧充分。

3结论

1燃烧室收口是影响挤流的关键因素，收口度越大，挤流强度越大，直口燃烧室挤流强度较小，甚至基本不出现挤流；

2收口燃烧室的倾斜壁面导致油束撞壁后浓混合气部向燃烧室底部运动，直口燃烧室的垂直壁造成油束撞壁后浓混合气分别向燃烧室顶部和底部运动形成双卷流，油束与燃烧室形状更好的配合有利于更充分的利用燃烧室中的空气，使燃料更均匀的分布到整个燃烧室空间，对内燃机的燃烧起着关键作用。

3在燃烧容积以及缩口比相同的条件下，中央凸起的形状不同，对燃烧室以及膨胀过程中气缸内的气流运动特性影响较大。通过适当的改变燃烧室形状，可以有效地抑制燃烧室内的气流运动强度，降低燃烧温度，有利于控制NOx排放量。

4不同形状燃烧室对燃油分布有较大影响，通过改变燃烧室形状，优化气流运动，提高油气混合效率，减少Soot的排放。

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