柴油机二次喷射燃烧系统流场分析

1、柴油机二次喷射燃烧系统流场分析第4卷第1期2005年3月热科学与技术JournalofThermalScienceandTechnologyVoI.4No.1Mar.2005文章编号:16718097(2005)01007705柴油机二次喷射燃烧系统流场分析郭晓平,王占杰(1.大连理工大学动力工程系,辽宁大连116024;2.大连理工大学计算机科学与工程系,辽宁大连116024)摘要:以KIVA3为计算平台,对4气门直喷式非增压柴油机在油注喷向燃烧室侧壁后飞溅形成二次喷射燃烧的整个工作过程进行了模拟计算,着重分析了压缩和膨胀做功冲程缸内流场.得出以下结论:在进气涡流作用下,活塞压缩后期产生的挤

2、流以螺旋线路进入燃烧室,因此对若干几何参数一样的喷孔喷出的油注产生的柴油气的作用不同,进而各油注的燃烧历程也不同.对带有二次喷射导向壁面的小口径比和小径深比的c0型燃烧室,充分利用活塞顶面以上氧气的问题仍有待解决.关键词:柴油机;数值计算;流场中图分类号:TK421.2文献标识码:AO引菁为了降低柴油机排放和提高经济性,文献D-I试验研究了柴油机燃烧室壁面二次喷射燃烧系统,该系统主要有两大特点:1)特殊的燃烧室.燃烧室结构如图1所示.中央底部有平顶凸台,四周的壁面上设有导向圆弧;2)采用5个喷孔的喷油嘴.喷油嘴中心喷孔孔径为0.2mm,4个侧向喷孔孔径为0.36mm,喷孔锥角150.该设计是为

3、了形成特殊的燃烧过程:侧向喷孔孔径较大,让侧向油注在碰壁前主要以液态存在;侧向油注的着壁点在导向圆弧上方的适当位置,从壁面飞溅形成二次喷射.从喷油嘴中心喷孔喷出的油注撞击到平顶凸台的顶面,有可能形成一个圆盘状喷注,以利于燃烧.图1燃烧室结构及网格Fig.1Structureofcombustionchamberandgrids点以及对燃烧的影响,找出问题,为进一步改进,优化柴油机工作过程提供依据.1物理模型与数学模型1.1物理模型4气门135非增压直喷式柴油机,行程150mm,压缩比16.7,转速1500r/min,油耗73.5rag/循环,喷油提前角12ABTDC,喷油持续期11A.1.2雾

4、化模型燃油喷射形成的油粒平均直径SMD值按喷孔大小用不同方法来处理,对于喷孔直径为0.2mm的中心喷孔,采用吕卡图公司推荐的经验公式SMD一207.6d.(户)一0.351(m).(1)式中:d为喷孔直径;户为喷孔处压差.对于孔径为0.36mm的4个侧向喷孔,SMD一0.1mm.喷孔在缸盖下方10mm处.1.3湍流模型常用的湍流模型有很多,本文采用修正k-E模型.k/at+?(puk)一一2/3pk?U+:U?I(z/|P)IkI一本文利用数值计算方法,模拟该燃烧系统的|De+s(2)工作过程,从微观上剖析缸内流场的变化,流动特收稿日期:20041204;修回日期:20050104.基金项目:

5、国家科技部973项目(2001CB2092O2).作者简介:郭晓平(1955一),女,副教授,博士,从事燃烧理论与数值模拟计算教学与研究.热科学与技术第4卷ap/at+?(1De)=一(2/3clC日)peV?”+?I(p/Pr)VeI+e/志Icn:V”一C2pe+c,I(3)式中:志为湍动能;e为湍能耗散率;10为密度;”为速度;为黏性应力张量;W为湍流涡流对油滴分散所作的功;常数c.一1.44,C一1.92,C.一一1.0,c,一1.50,Pit”k一1.0,P=1.3.本文沿用KIVA3【4提供的油粒飞溅模型.1.4计算方法与网格划分以KIVA3为计算平台,自己编制网格划分前处理程序和

6、阀门运动子程序.为了提高进气气流模拟计算准确性,本计算从排气下止点开始,到膨胀做功后排气门再次开启时结束,历经排气冲程,进气冲程,压缩冲程和膨胀做功冲程.规定压缩冲程末上止点为0A.考虑阀门的网格划分,系统采用迪卡尔直角坐标系,活塞位于下止点处表面中心坐标(0,0,0).图2是整个计算区域,图3是活塞表面网格和缸盖表面网格,图4是喷孑L布置方式及对它们的编号.为了叙述方便,燃烧室网格(图1)在垂直方向自下而上进行编号,以k=8层面将燃烧室分成上下两个区域,靠近活塞表面的为1区,另一个为2区,1区和2区的体积比为图3活塞,缸盖表面网格Fig.3Horizontalmeshofpiston&

7、;amp;cylinderhead2号喷孔1号喷孔一十一3号喷孔.4号喷孑L图4喷孔布置及编号Fig.4Holearrangementandnumber每1A记录一次计算结果.用Tecplot软件进行后处理.2流场分析在压缩冲程中,进气涡流起主导作用.在压缩冲程后期,缸内挤流逐渐增强,图5是喷油开始时刻(12ABTDC)VV截面2D流场图.从图中看,挤流强度较大,燃烧室内垂直涡流明显.先分析气缸内和燃烧室1区的流动情况.图6是喷油开始时刻k一16截面(离活塞顶面最近的截面)流场,在气缸中心存在强度较大的漩涡.图5,6是同一时刻从不同角度观察流场的结果,由此看出:此时缸内与燃烧室1区流场主要由2

8、个分量组成:一个是饶气缸轴线旋转的进气水平涡流;另一个是由挤流导致的垂直涡流.图6喷油开始时刻k=16截面流场Fig.63Dflowfield(=16)(5CABTDC)由于耗散作用,进气涡流随着压缩冲程的进行不断减弱,而挤流逐渐增强.根据对挤流的一般理解,活塞顶面与缸盖之间的环形区中的气体,沿?注:”截面是指某一平面,”层面”指某一曲面.一一一时气一第1期郭晓平等:柴油机二次喷射燃烧系统流场分析周向受到相同的挤压力,流场犹如一个汇一样均匀地流入燃烧室.然而实际上气体在进气涡流的引导下,压缩挤流是以螺旋状形式流入燃烧室的.随着活塞进一步压缩,挤流强度增加,进入燃烧室的流体螺旋强度增加.值得强调

9、的是,挤流并非在上止点处最强,对于无燃烧的倒拖工况,大约在5ABTDC处挤流强度最大L5.因为当活塞接近上止点时,活塞顶面与缸盖之间的距离越来越小,流动摩擦阻力显得越来越重要,因此挤流强度逐渐减弱.此时燃烧还在燃烧室内进行,燃烧波的作用仍维持水平旋转分量较强.图7是南一12层面5ABTDC的流场图,该图说明水平旋转涡流的复杂性.图7k=12层面3D流场(5_CABTDC)Fig.73Dflowfield(七=12,5CABTDC)图8k一5层面3D流场(12ABTDC)Fig.83Dflowfield(=12,5ABTDC)分析燃烧室2区流场.由于进气涡流作用,在压缩冲程初期存在一定强度的水平

10、涡流,且极不稳定.随着压缩冲程的进行,燃烧室2区的水平涡流强度很弱.图8是喷油开始时刻,k=5层面的3D流场图.此处挤流和壁面导向起主导作用,因此在图5中,燃烧室2区的垂直涡流强度很大.图9是喷油后1OA的油粒分布,碰壁后的油粒基本上反射到燃烧室2区.由于油的比重远大于气体,缸内流场基本上不会改变主油注的流动状态;燃烧主要在燃烧室2区进行.在喷油初期(12ABTDC),燃烧室2区垂直涡流(图5)强度很大,对二次喷射油注的混合与燃烧十分有利.在喷油中期,例如5butionofdroplets(10CAafterinjection)图10是一5层面3D流场(1ABTDC)Fig.103Dflowf

11、ield(:5,1CABTDC)活塞过上止点以后,缸内开始出现逆挤流.由于中心凸台的存在,燃烧室内气流往外流动时的流速在中心区域明显较小,而水平涡流分量较大.如图11所示.在逆挤流的作用下,1,2,4号油注的柴油气就比较容易流出燃烧室进入气缸.由于在压缩冲程中气体基本上往燃烧室流,且喷嘴离缸盖有10mm的距离,再加上150.的喷孔锥角,二次喷射燃油基本上都进入燃烧室2区,因此,主体燃烧过程发生在燃烧室2区,在气缸和燃烧室1区上部氧气就比较多.燃烧室1区与2区的体积比为0.55.也就是说,在上止点之前,有相当多的氧气没有利用.当逆挤流发生时,向上流动的热科学与技术第4卷柴油气就比较容易找到氧气形

12、成可燃气并且燃烧.1号油注的柴油气首先进入气缸,大约9AATDC在k一16截面就可观察到1号柴油气;在20AATDC可以看到2号柴油气,21CAATDC可以看到4号柴油气.在2528AATDC,4号柴油气曾消失,2949AATDC重见4号柴油气.在该截面最先消失的是2号柴油气,约在44AATDC.相比之下,1号油注的柴油气浓度最大,持续时间最长,一直延续到55AATDC.在该截面上出现柴油气最晚的是3号油注,约在60AATDC,并且持续到膨胀做功冲程结束.图11kl1层面3D流场(10CAATDC)Fig.113Dflowfield(:11,10CAATDC)图12VV截面2D流场(40CAA

13、TDC)Fig.123Dflowfield(40CAATDC)在k=5层面,无论活塞是向上压缩还是向下膨胀,从未出现过流体向上流动,只是向下流动速度分量大小有变化,在上止点附近其值较小.图12是40AATDCVV截面2D流场图.由图12可见,燃烧室1区流体基本上朝气缸向上流动,然而在燃烧室凹坑上壁面的作用下,燃烧室2区的流体则向下流动.这一流动特征对燃烧室2区内的柴油气流向氧气较多的气缸不利.对燃烧室底面(志=1层面)进行分析.在燃烧室内气流的作用下,二次喷射油注汽化形成的柴油气逐步向燃烧室底面移动并着壁.首先着壁的是2号柴油气,约在3CABTDC时.它着壁时间很短,只延续了约2A.接着在1【

14、CABTDC1号柴油气着壁,同样只持续了2AATDC排气阀打开时刻VV截面氧气等值线图.小口径比叫型燃烧室,再加上燃烧室壁面向下二次喷射,这种燃烧方式不利于活塞顶面以上氧气的充分利用.0,03O.o20,0100,010,020.03图13k一1层面油气等值线160AATDCFig.13Vaporizedfueldensityisoline(一1,160AATDC)0.150.10O.O5O图14VV截面氧气等值线160AATDCFig.14O2densityisoline(160CAATDC)3结论(1)受进气涡流的作用,多个二次喷射油注的燃烧历程是不同的.第1期郭晓平等:柴油机二次喷射燃烧

15、系统流场分析81(2)高度过大的燃烧室油注反射面,过低的油注着壁点以及二次喷射油注进入燃烧室凹坑的组合设计,不利于活塞顶面以上氧气的充分利用.(3)过大的燃烧室侧向凹坑容易形成柴油气死角.参考文献:E1杨德胜,高希彦.柴油机TR燃烧系统燃烧特性和排放性能的实验研究C内燃机联合学术会议论文集:燃烧过程与测试技术分册.延安,2004:251-256.23何学良,李疏松.内燃机燃烧学M.北京:机械工业出版社,1990:203.3解茂昭.内燃机计算燃烧学M.大连:大连理工大学出版社,1995.4AMSDENAA.KIVA一3:AKIVAprogramwithblockstructuredmeshfor

16、complexgeometriesR.LA.SLReport:LA一12503一MS,1993.5郭晓平,王占杰,许锋.4气门直喷式柴油机缸内空气流场数值模拟C内燃机联合学术会议论文集:燃烧过程与测试技术分册.延安,2004:86-91.NumericalsimulationofflowfieldinDIdieselenginewithsecondaryinjectionbycombustionchamberwallGUOXiaoping,WANGZhanlie(1.Dept.ofPowerEng.,DalianUniv.ofTech.,Dalian116024,China;2.Dept.of

17、ComputerSci.andEng.,DalianUniv.ofTech.,Dalian116024,China)Abstract:Thecombustionprocessinthe4-valveDIdieselenginewithsecondaryinjectionbycombustionchamberwallwassimulatedbasedonKIVA3.Analyzestheflowcharacteristicsincomptessionandexpansionstrokes.Thefollowingconclusionsaredrew:affectedbytheintakeswirl,squishformingatthelaterstageofcompressionstrokecomesintocombustionchamberalongthescfewlines.Thesquishproducesdifferentforcesoneachspraythatisformedinthesamegeometryn0zz1eholes.Soth