燃烧室几何形状对柴油机排放特性影响的数值分析

杨 帅， 楼宏伟， 周 毅， 王 磊， 万 晓， 李秀元

(1.同济大学 a. 汽车学院，b. 新能源汽车工程中心；上海 201804；2.济宁职业技术学院，山东 济宁 272037)



燃烧室几何形状对柴油机排放特性影响的数值分析

杨 帅1a,b， 楼宏伟1a,b， 周 毅1a,b， 王 磊1b， 万 晓1a,b， 李秀元2

(1.同济大学 a. 汽车学院，b. 新能源汽车工程中心；上海 201804；2.济宁职业技术学院，山东 济宁 272037)

针对两种不同几何形状燃烧室，对柴油机燃烧过程进行数值仿真计算，得到了不同几何形状燃烧室的污染物排放情况，用以研究燃烧室形状对排放特性的影响。得到了柴油机燃烧过程中排放生成物NOx、Soot、HC、CO随时间历程的生成规律和空间生成位置，数值仿真还包括了燃烧室温度场、压力场等瞬态结果，弥补了实验过程中无法提供三维可视场结果的缺陷。

燃烧室； 几何形状； 排放； 模拟计算

0 引 言

目前，在内燃机性能与排放实验过程中，先进模拟技术已作为一种重要而有效的工具加以利用。内燃机的燃烧过程很大程度上受燃料与空气混合程度的影响，这种混合是一种复杂的瞬态流动[1-6]。随着湍流理论研究和计算数学算法的发展，CFD正被大量应用于各种不同的工业领域[7-11]。目前，CFD研究的主要问题是计算程序的稳定性，分析真实流体的复杂流动状况的能力和复杂几何形状周围流动状况的能力，以及计算误差和解的分辨率等方面[12-16]。

就目前发动机性能与排放实验而言，实验结果多为一维结果，且无法反映发动机缸内燃烧室工作过程的三维结果。为此，本文运用CFD数值仿真方法，研究相同排量、压缩比条件下，燃烧室不同几何形状对柴油机排放特性影响，弥补实验过程中无法向学生提供三维可视场结果的缺陷。

1 模型建立

按照两种不同几何参数燃烧室的构造(见图1)，以E1型燃烧室模型为例，建立的柴油机运动网格如图2所示(燃烧室1/6部分)，燃烧室模型网格总数为98 325，网格运动区间为活塞下止点到上止点。求解过程中选择的物理模型和边界条件：湍流模型k-ε，燃烧模型ECFM-3Z，湍流扩散模型Enable，油滴破碎模型Wave，蒸发模型Dukowicz，相互作用模型Schmidt，碰壁模型Wallfilm，NOx模型Extended Zeldovich+，Partial Equilibrium，Soot模型Kennedy-Hiroyasu-Magnussen。

E1型结构E2型结构

图1 发动机模型燃烧室尺寸

图2 燃烧室运动网格图

2 不同燃烧室排放物对比分析

2.1 时间位置分析

图3～8是E1型和E2型燃烧室缸内燃烧参数和排放特性曲线随曲轴转角变化的结果对比。从图3看出，E1型和E2型燃烧室的缸内各点的平均压力基本相同，两条曲线基本重叠，说明两缸内压力过程相似，有着相似的燃烧开始时间。由图4可见，两缸内温度随曲轴转角的变化基本相同，E1型燃烧室在燃烧末期的温度略高于E2型燃烧室。由图5～8可见，不同排放物随曲轴转角的变化结果是，CO排放在曲轴转角365°CA前大致相同，之后E1型燃烧室高于E2型燃烧室；HC排放在大部分曲轴转角下相同，但到了燃烧末期E2型燃烧室略高于E1型燃烧室。NOx排放在曲轴转角372°CA 前大致相等，之后E2型燃烧室略高于E1型燃烧室并保持稳定。Soot排放在曲轴转角372°CA 之后E2燃烧室的增长趋势明显高于E1型燃烧室，以至于末期B型燃烧室数值远大于E1燃烧室；在趋势上，E1型燃烧室与E2型燃烧室的CO、HC、NOx、Soot生成起始时间、变化趋势相同。

2.2 空间位置分析

为了明确E1燃烧室与E2燃烧室在缸内平均温度、压力基本相同情况下，排放物有较大差异的原因。分析E1与E2燃烧室的排放物在缸内的分布异同，进而得到燃烧室形状对排放特性的影响规律。数值仿真得到的曲轴转角365°CA和370°CA时刻E1与E2燃烧室缸内排放物形成的瞬态结果如图9和图10所示。重点分析柴油机两个重要排放物NOx和Soot。

图3 缸内温度曲线对比图4 缸内压力曲线对比图5 CO排放曲线对比

图6 HC排放曲线对比图7 NOx排放曲线对比图8 Soot排放曲线对比

E1E2E1E2E1E2(a)当量比(b)缸内温度(c)CO质量浓度

E1E2E1E2E1〛E2(d)HC质量浓度(e)NOx质量浓度(f)Soot质量浓度

图9 365°CA时刻缸内当量比、温度、CO、HC、NOx、Soot质量分数分布

E1E2E1E2E1〛E2(d)HC质量浓度(e)NOx质量浓度(f)Soot质量浓度

图10 370°CA时刻缸内当量比、温度、CO、HC、NOx、Soot质量分数分布

从图9可见，365°CA时刻E1与E2燃烧室的缸内温度、CO、HC、NO质量分数分布差异较小，而当量比、Soot质量分数分布差异大于温度场和浓度场分布的差异，即可以解释两种燃烧室污染物排放量的差异。CO是燃料不完全燃烧的产物，E1燃烧室的当量比分布区域比E2燃烧室多，故E1燃烧室的CO排放比E2燃烧室多。HC来源于未燃碳氢，它与当量比是直接相关的，当量比大的区域，燃油较多，未燃HC就多，HC分布与当量比是几乎完全相同的。

NOx生成的首要影响因素是温度，由图9(b)可见，E1与E2燃烧室的温度场分布差异小，所以两者的NOx排放差异不大。且E2燃烧室的高温分布范围较E1燃烧室略广，故E2燃烧室的NOx排放量比E1燃烧室略多。Soot的生成对缸内混合气浓度与温度都有要求。由图9(a)可见，E1燃烧室过浓区分布并不比E2燃烧室少，但是E1燃烧室过浓区处于高温区(高于2 000 K)面积较大，温度过高反而不利于Soot生成与聚集。而E2燃烧室过浓区处于温度在1 600～1 900 K的区域，Soot生成相对更多。故E1燃烧室的Soot排放比E2燃烧室低。总体分析，E1与E2燃烧室相比，Soot排放差异最大，NOx、HC、CO排放差异较小。

上述结论从图10也可以得到证实。由图可以看出，E1和E2燃烧室的CO、HC、NOx3种排放物质量分数分布差异较小，而Soot差异明显。以上仿真结果弥补了实验过程中无法给出三维结果的缺陷，对学生充分理解发动机工作过程、燃烧室几何尺寸对排放物的影响有较大提升。

通过以上分析可得到以下结论，①Soot出现在燃烧开始之前，在整个燃烧过程中，其总量持续增加；而NOx出现比之较晚，且在短时间内急剧增加后很快保持一个稳定值。②NOx初始生成是在最早着火边缘处，之后在燃烧室中部以及缩口处大量生成，然后向燃烧室边缘扩散，最后在燃烧室内均匀分布。③Soot初始生成位置是燃烧室最外围中部，然后凹坑最深处开始大量生成，随着燃烧的进行和缸内流动的发展，Soot生成和聚集区集中于燃烧室中央部位呈圆柱形，且缩口与凸台两端浓度高于中间部分。④ω形燃烧室的径深比对4种排放物都有影响，对Soot生成的影响大于对其余的影响。燃烧室凹坑较浅且开口较大的E1燃烧室与凹坑较深且缩口较小的E2燃烧室相比，CO排放方面，E1燃烧室高于E2燃烧室；HC排放方面，E1燃烧室略低于E2燃烧室；NOx排放方面，E1燃烧室低于E2燃烧室；Soot排放方面，E1燃烧室明显低于E2燃烧室。⑤如要改进柴油机燃烧室的排放特性，燃烧室的开口应在允许情况下取较大值，而凹坑深度可取较小值，即径深比的比值应增加。

3 结 语

利用发动机三维模拟以及建模软件，建立发动机燃烧室三维模型及压缩和做功阶段的数值模型，在确定边界条件设置，明确设计参数物理含义之后，实现了发动机工作过程三维模拟的设计。在给定的边界条件下，实现了发动机压缩和做功冲程的瞬态模拟。对不同燃烧室结构的燃烧过程进行对比分析，发现了各种排放物的生成规律以及时间历程，从而明确燃烧室几何形状对发动机尾气排放物生成规律的影响。本文通过计算手段，明确各种排放物的生成规律、时间演变历程、以及在气缸燃烧室空间内的具体生成位置，弥补了实验过程中无法提供三维可视场结果的缺陷。

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Simulation and Analysis about Combustion Chamber Geometry Shape Influence on Diesel Emission

YANGShuai1a,b，LOUHong-wei1a,b，ZHOUYi1a,b，WANGLei1b，WANXiao1a,b，LIXiu-yuan2

(1a.School of Automotive Studies；1b.New Energy Automotive Engineering Center， Tongji University，Shanghai 201804，China； 2.Jining Polytechnic College，Jining 272037，China)

For two different geometry combustion chamber of diesel engine, the numerical simulation was carried out for the combustion process by CFD. The emissions of two different geometry combustion chamber were calculated in order to study the effects of combustion chamber geometry on the emission characteristics. The results of the diesel engine combustion process, NOx, Soot, HC, CO emission with the time course of generation rules and space generation position were described. Numerical simulation analysis also included the combustion chamber temperature field, pressure field and transient results. The research makes up the shortcoming that the experiment cannot provide three-dimensional visual field results of defects.

combustion chamber; geometry shape; emission; numerical simulation

2015-07-29

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(9005)；同济大学课程建设实验教改资助项目(4061)；同济大学教学改革资助项目(4052)；同济大学精品实验项目资助(4065)；同济大学青年教师英才计划资助项目(T028)

杨 帅(1980-)，男，上海人，博士，副教授，从事车用动力系统的研究与教学工作。E-mail:mermaid04@126.com

TK 421.5

A

1006-7167(2016)05-0032-03