多次喷射对柴油机双ω燃烧系统性能影响的模拟研究

2018-09-03 03:47崔柳正朱涛陈明山
智富时代 2018年7期
关键词:燃烧室数值模拟

崔柳正 朱涛 陈明山

【摘 要】柴油机的燃烧室形状、混合气的形成、燃烧过程和喷射次数,对其动力性、经济性以及排放污染物的生成具有重要的影响。本文选用ZS1100M型柴油机,设计了一种双ω型燃烧室,采用多次喷射策略,利用AVL FIRE软件对燃烧过程进行了模拟计算,对比分析计算结果。研究表明,较大的后喷量可以降低燃烧过程峰值温度,有效降低NO的排放。在多组实验中,其中主喷-后喷策略,且后喷量为6mg的策略,可以改善燃烧,有利于油气的混合,也有利于减少SOOT和NO的排放,使NO和SOOT有一个较好的折中值。

【关键词】多次喷射;双ω燃烧室;数值模拟

一、研究内容

多次喷射是一种降低柴油机排放中的NOX,PM和噪声的有效策略。多次喷射策略可以很好地提高柴油机可燃混合气的质量,优化燃烧过程,进而提高柴油机的动力性,减少成本,还能降低污染物的排放。除了喷射策略外,燃烧室形状也影响着缸内混合气的形成,并进一步影响着燃烧的整个过程。因此可以通过燃烧室形状来改善混合气的形成和优化燃烧过程。

为解决混合气不均匀的状况,本研究提出一种双ω型燃烧室,配合多次喷射的喷射方式[1]。双ω燃烧室能够改善柴油机喷雾空间分布,提高缸内混合气形成质量。采用多次喷射方式,通过改变预喷量和后喷量,进行多次模拟计算,并分析实验数据,使NO和SOOT排放有一个较好的折中值。

二、物理化学模型设置

三、模型的建立

(一)研究对象及模型

本文以ZS1100M柴油机为依据,建立双ω型燃烧室模型。

(二)燃烧室模型的建立

本文计算的燃烧室为新设计的直喷双ω型燃烧室。首先,利用Solidworks三维制图软件,绘制双ω型燃烧室模型。然后导入AVL FIRE中的ESE-Diesel模块,进行划分网格,物理建模等[2]。图3.1为燃烧室结构简图。红色线为喷油角度[3]。

因为设置的喷油器是垂直中置的,是中心对称模型。ZS1100M型柴油机设置的是四个喷孔,因此简化计算,选择一个喷孔所在的扇形区域即1/4的燃烧室对喷雾和燃烧进行模拟计算。图3.2即为1/4的燃烧室的网格划分。

(三)初始条件和边界条件确定

在Fire ESE模块中,默认燃烧上止点为720°CA(在之后绘图时,采用origin8画图,将燃烧上止点移到0°CA),在本次研究中,计算区间选择560°CA至850°CA(画图及之后提及区间为-160°CA至130°CA)。开始计算时,取缸内的初始气体处于均匀分布,并且有相同的温度和压力。初始参数表详见表3.2。

(四)计算模型验证

利用AVL FIRE对设计的双ω型燃烧室进行单次喷射模拟研究。将计算得到的模拟缸压曲线与原机的实验缸压曲线进行对比,图3.3即为对比结果。两者缸压曲线基本一致,模拟值在峰值略微高于实验值,误差很小。所以,双ω燃烧室模型比较准确,可用于模拟计算。

四、多次喷射对双ω燃烧室的数值模拟

结合实际情况与数值模拟得出的结论,优化缸内的燃油燃烧,提出5种不同的预喷——主喷——后喷方案。保证每循环供油量不变(每循环喷油量为45.3mg),使预喷与后喷燃油量总和不变为6mg,改变预喷与后喷的燃油质量。对这五种多次策略进行数值模拟研究,并与单次喷射结合比较,分析优劣。喷射策略如下表4.1。

在本次多次噴射策略中,通过控制主喷射量,保证主喷量和后喷量总量控制在6mg。在缸内压力图4.1和缸内温度图4.2中,可以看到,采用预喷射,使缸内的压力和温度变化更加平滑,其中,温度曲线和压力曲线最平滑的是multiple1-3。采用多次喷射,降低了主喷量,使缸内峰值压力和峰值温度都降低了一些。由于multiple1-1只采用了主喷和后喷策略,缸内压力和缸内温度都有突变,燃烧剧烈。NO生成图4.3显示,multiple1-1生成量最低,而在图4.4中,SOOT生成量在这六组数据中不是很高。最高缸内压力大概在7.2MPa,最高温度约为1540K。在本次研究中,采用multiple1-1即主喷-后喷策略对NO和SOOT排放控制更好。

五、数值模拟结果分析

(一)切片位置选择及彩色云图

FIRE软件中,manager模块可以提供三维彩色云图。三维彩色云图可以更形象地展现燃烧的整个过程,我们可以对燃烧过程有一个具体的认识。接下来,选择single、multiple1-1和multiple1三种多次喷射次略,从燃烧室的温度场、燃空当量比以及NO、SOOT浓度场来分析比较柴油机气缸内部的燃烧过程。

(二)彩色云图分析

multiple1采取预喷-主喷-后喷相结合的策略且预喷量和后喷量均为3mg;single采用的是单次喷射策略;multiple1-1采用的是主喷-后喷策略,且后喷量为6mg,占总喷油量的13.2%。

(1)燃空当量比分析:在图5.2中,由于预喷时间是曲轴转角的-20°CA至-16°CA,只有采用预喷的multiple1出现了油束。因为主喷时间是曲轴转角的-8°CA至12°CA,在-5°CA时,都看到了油束,单次喷射因为没有预喷和后喷,在相同喷射时间内喷射更多的燃油量,当量比其他两组大大。由0°CA的当量比分布可知,受缸内气体流动的影响,原先的燃油蒸汽已经扩散分散,逐渐散布在燃烧室中,雾化的燃油蒸汽贴着气缸壁面。由5°CA及15°CA当量比分布云图显示,燃油蒸汽向周围继续扩散,一部分向上扩散进入余隙容积部分,当量比最高的地方集中在间隙处。由25°CA的当量比分布云图可知,由于multiple1有后喷,油束刚刚喷完,当量比仍然挺高的,multiple1-1的后喷量比multiple1高,所以当量比也比multiple1高。

(2)燃烧时温度场分析:由温度场分布图5.3可知,油束的颜色较深,显然温度是低于缸内温度的,因为燃油中夹杂着空气,并且在蒸发的过程中,吸收周围的热量。最先喷射的油开始蒸发,并与缸内的空气混合,形成可燃混合气。相比较而言,单次喷射single油束雾化较好,温度较高。而multiple1和multiple1-1温度在5°CA至25°CA相差不多。

(3)NO浓度场分析:观察NO浓度场图5.4,并结合燃空当量比分布图5.2和温度场分布图5.3,可以看出,NO的主要生成于高温富氧的区域。因为single的温度较高,从5°CA到25°CA属于扩散燃烧,油气的当量比极不均匀,有利于形成高温富氧的环境,导致NO的生成量增加。从图中可以看出,在凸脊处NO生成量较多,从5°CA开始,NO生成的起点,随着曲轴转角的变化,NO生成逐步扩散开来。multiple1和multiple-1在温度分布相差不多,在NO排放上也相差不多,不过,还是multiple1-1的生成量少些。综合温度场分布图和NO生成量分布图,可知NO大多生成在 1812K~2306K。

(4)SOOT浓度场分析:从图5.5中可看出,SOOT主要生成在喷油的尽头,还有燃油雾化的部分。因为燃油雾化蒸发,气流的运动导致周围的空气不多。综合NO和SOOT生成量分布图可知,SOOT大多生成于近壁面,有些在余隙容积处生成。SOOT生成区域是NO生成区域的子域,SOOT和NO生成大多在当量比不均匀的地方。燃气均匀性较好的策略是multiple1-1。所以在NO和SOOT排放量方面,相应减少。可以看到,NO生成量在三种喷射策略中最少,SOOT含量也不算高。

六、结论

①NO和SOOT大多生成于当量比不均匀的地方,合理控制当量比,控制混合气尽量均匀,有助于降低SOOT和NO的排放。

②NO的生成条件是高温富氧的环境。预混合燃烧会产生较高的温度,同时在主喷之后的燃烧会带来持续的高温,这样的环境会生成大量的NO。

③SOOT的生成主要有两个方面:一是SOOT的直接生成,二是SOOT的氧化。SOOT生成主要集中在近壁面,气流流动缓慢,周围废气多,氧浓度低,不易造成SOOT的氧化。

④综合比较本实验的多次喷射策略,发现multiple1-1生成的SOOT和NO的生成量都较低,故选择此策略做为本实验的最佳策略,即预喷量为0,后喷量为6mg。

【参考文献】

[1] 冯立岩, 隆武强, 魏胜利,等. 新型伞状喷雾柴油预混合压燃数值模拟研究[J]. 内燃机学报, 2006, 24(2):134-140.

[2] AVL FIRE v2008缸內计算控制参数说明.

[3]陈欢. 柴油机双ω燃烧系统燃烧及排放性能数值模拟[D]. 江苏大学, 2013.

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