浅析发动机缸内燃烧的机理

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1、毕业设计（论文）报告浅析发动机缸内燃烧的机理系 别中德机电学院专业汽车检测与维修技术班级学生姓名学号10001指导教师2014年4月无锡科技职业学院毕业设计（论文）浅析发动机缸内燃烧的机理浅析发动机缸内燃烧的机理摘要：为了更为直观地探究发动机缸内燃烧的机理，从研究燃烧室形状对柴 油机燃烧和排放性能的影响方面来阐述发动机缸内燃烧的机理，应用大型通用 CFD STAR -CD程序对3种不同形状的燃烧室内燃烧过程进行了多维数值模拟 计算，研究了不同的燃烧室形状对缸内气流运动以及缸内燃烧温度和排放的影响， 从而优化柴油机的能。关键词：柴油机;燃烧室形状;数值模拟;燃烧The Mechanism of

2、Engine Combustion in Cylinder isAnalysedAbstract: In order to study the effects of combustion chamber shape on combustion and emission characteristicsin a diesel engine，large universal CFD software STAR-CD is used to simulate the combustion processes inthree types of combustion chambers of diesel en

3、gines. The effects of combustion chamber shape on in-cylinderair motion, temperature field and exhaust emissions are researched.Key Words: Diesel engine, Combustion chamber, Numerical simulation,Combustion目录1.绪论11.1研究背景11.2内燃机燃烧模型的国内外现状11.3论文研究意义22试验方案设计32.1发动机参数32.2三种燃烧室形状32.3计算方法43. 实验数据及分析53.1供油规

4、律53.2缸内压力曲线63.3 -15 CA燃烧室内速度场对比63.4 -5CA燃烧室内浓度场和温度场分布对比73.5 5CA燃烧室内浓度场和温度场分布对比83.6缸内温度曲线和NO浓度对比84. 三种燃烧室性能对比9结论10参考文献111.绪论1.1研究背景内燃机的诞生已有一百多年的历史。经过长期不断的改进和提高，内燃机已 经成为一种比较成熟、完善的动力机械。由于它的热效率较高、适应性好、结构 紧凑等优点而在车辆、船舶、工程机械等领域内取得了广泛应用，发挥着日益巨 大的作用。为了节约能源，应对全球性的石油危机，内燃机经济性能的提高和新 燃料的应用研究日益受到重视。为了保护环境，降低大气污染，

5、对内燃机有害排 放指标和噪声的限制也越来越高，这些都对内燃机的工作过程提出了更加严格的 要求1。燃烧过程对内燃机性能影响的重要性是众所周知的。它是内燃机工作循环的 中心环节，它与内燃机的基本运行参数，如功率、效率和排放等直接关联。长期 以来，由于燃烧过程的复杂性，燃烧过程只能借助于实验进行研究，这种研究方 法不仅要受到实验条件、测试技术、实验仪器精度等的限制，而且有时根本无法 完成，这就给研究燃烧过程带来了很大的局限性1,2。基于这种情况，本文对发动 机工作过程作接近实际的模拟，建立了一个适合汽油机工作过程计算的准维湍流 燃烧模型。1.2内燃机燃烧模型的国内外现状以流体力学、传热传质学、化学反

6、应动力学、燃烧理论和计算数学为基础， 以高速大容量计算机为主要工具，通过计算手段来探索自然界、工程实际和社会 生活中各种燃烧现象的机理，研究各种燃烧系统和装置中燃烧过程的规律和特点， 从而实现对各种燃烧现象进行准确的分析和预测。内燃机燃烧数值模拟方法已成 为内燃机系统的研究、设计和优化的一个强有力的工具5。在此基础上，Magnussen和Hjertager7等人提出了湍流控制涡破碎模型 (turbulence controlled EBU model)；在Magnussen提出的湍流控制涡破碎模型基础 上，Abraham8将时间尺度修正为层流一湍流特征时间尺度，应用于火花点火发动 机模拟，Pa

7、tterson9将其应用于柴油机，形成了层流一湍流特征时间模型；1991 年，日本九州大学城户裕之等人提出了具有群岛状和分型几何火焰面的预混合湍 流传播火焰构造模型。事实上，对内燃机工作过程的计算直到30年前，内燃机理 论基本上是建立在理论循环基础之上的，常规的工作过程计算对实际工作进行了 很大的简化。计算机技术和计算流体力学CFD的飞速发展，为数值模拟计算提供 了条件，促进了数值模拟内燃机瞬时工作过程的蓬勃发展10。从这些文章可看出，我国在燃烧过程模拟计算方面已由起步进入比较成熟的 阶段，特别是在准维模型应用方面，包括汽油机紊流燃烧模型、汽油机紊流卷入 模型、柴油机喷注混合模型及柴油机油滴蒸

8、发模型，都取得了显著成果。利用这 些模型不仅可以计算缸内压力、温度等参数在不同燃烧时刻的数值，还可以模拟 计算各种排放值，如氮氧化物及碳烟。此外，用这些模型还可以进行预测计算， 即在改变某一运动参数或者结构参数，如压缩比、混合气浓度、点火提前角、喷 油提前角、喷油器喷孔直径、发动机转速、负荷等时，计算发动机各种性能的相 应变化。1.3论文研究意义21世纪，面对世界性的能源和环保问题，提高直喷式柴油机的经济性、减少 有害物的排放仍将是柴油机工作者的主要技术问题之一。目前，日趋严格的世界 性环保法规已成为推动柴油机技术快速发展的动力，而直喷式柴油机燃油经济性 和排放品质的高低主要取决于柴油机燃烧过

9、程的完善程度。因此，改进直喷式柴 油机的燃烧系统的性能一直是提高柴油机经济性、动力性和排放性能的一条重要 途径。柴油机燃烧室结构对柴油机的动力性、经济性和排放性具有重大影响，燃烧 室凸台形状和缩口直径对于混合气的形成和燃烧过程具有重要作用，因此对燃烧 室进行改进设计，组织良好的气流运动，对改善发动机性能尤为重要。多维瞬态 数值模拟能充分反应几何结构的影响，并能很好地预测缸内混合气的形成、燃烧 和排放。本文以CA6DL1-30柴油机为基础，设计了3种不同燃烧室形状，并运用 STAR- CD软件研究了燃烧室形状对雾化及混合物形成过程的影响，缩口直径对缸 内气体运动的影响；比较了不同燃烧室形状对缸内

10、燃烧温度以及NO排放的影响， 为柴油机燃烧系统的优化设计提供了非常有价值的理论依据。2试验方案设计2.1发动机参数增压中冷柴油机CA6DL -30的气缸直径为110mm，冲程为135mm;连杆长 217mm，余隙1.5mm，以1500rpm的速度运转，型式6缸、直列、直喷、增压、空- 空中冷,4气门/缸，总排量(L) 7.7，标定功率/转速(kW/r/min) 206/2300，最大 扭矩/转速(N.m/r/min) 1100/1300-1500，全负荷最低燃油耗率(g/kw.h) 193，烟 度(FSN) 2.0噪音dB(A) 96.5，净质量(Kg) 800(不含离合器、中冷器)，侧面 喷

11、孔直径0.35mm，喷油孔夹角150，喷油持续时间为18CA，喷油提前角为15 CA，燃烧室形状为缩口尖底深坑燃烧室。2.2三种燃烧室形状在不改变压缩比的情况下，设计了3种燃烧室结构，如图1所示B图2.2燃烧室计算方案燃烧室选用如图2.2所示，分别为缩口尖底深坑燃烧室(简称人燃烧室)；直口 凸台燃烧室(B)；敞口尖底燃烧室(C)。由于气缸具有轴对称性，为节省时间， 计算区域选取燃烧室1/4,从进气门关闭(上止点前140CA )开始，计算到上止点 后 140 CA。2.3计算方法STAR-CD基于有限体积法，将计算区域划分成若干网格，用分裂算子求解压 力隐式算法（PIOS）进行解算，并加入大量物

12、理化学模型对气流运动、燃油雾化、 燃烧和排放进行描述，因此在发动机工作过程模拟方面具有极大的优势。由于气 体在缸内的运动复杂，针对其运动剧烈，压缩性高，瞬变性强的特点，本文选择 高雷诺数k-8湍流模型，燃油雾化采用Huh模型。Huh模型认为发生在喷嘴孔的 湍流在喷射表面产生初始的扰动，通过与周围气体（表面波动增长）产生的相互 作用，扰动呈指数级生长，直到扰动作为液滴的形式从喷射表面分离。破碎模型 采用Reitz/Diwakar模型，由于液滴周围存在不稳定的压力场，较低的压力促使液 滴膨胀，最后克服表面张力，造成液滴分解，同时还存在液体被气流从液滴表面 剥离的现象，它的不稳定性可以用临界韦伯数来

13、表示。由于影响碰撞因素众多， 造成液滴碰壁过程十分复杂，可能产生的结果具有多样性，如附着、反弹、飞溅 或者破碎并沉积在表面上形成油膜等。本文采用的Bai模型可以较好地描述以上各 种撞壁现象，精确反映燃油粒子在壁面附近的各种活动。点火模型选择shell模型， 燃烧模型选择Magnussen等提出的可同时用于预混合燃烧和扩散燃烧的涡破碎模 型。3.实验数据及分析3.1供油规律-12-60380405O50-15曲轴转角 CA图3.1供油规律喷油持续时间为18CA，喷油提前角为15 CA，每循环供油量为125mm3,如 图3.1所示。初始空气温度320K，压力0.1Mpa。计算区域的轴对称面上选择周

14、期 边界，其它选择固体壁面边界，气缸盖、活塞表面和缸壁温度分别为520K、500K、 500K。活塞表面一直处于运动状态。3.2缸内压力曲线曲轴转角 CA图3.2缸内压力曲线从图3.2缸内压力曲线可以看出，在预混合燃烧阶段，三种燃烧室的压力曲线 基本一直。A型燃烧室由于气流运动剧烈，加速了扩散燃烧，所以压力上升较快， 具有较高的压力，而B、C型燃烧室的压力曲线基本重合。3.3 -15 CA燃烧室内速度场对比缸内气流运动是一种极其复杂又强烈瞬变的湍流运动，直接决定了各组分在 缸内的输运及其空间分布，因此合理地组织气流可以提高空气利用率，促进燃油 雾化，改善燃烧品质，提高热效率，降低排放。在-15

15、 CA时刻燃油开始射入缸内，图3.3显示此时过喷孔垂直剖面处三种燃烧室的速度场对比结果。43.8140.7037.5834.4631.3528.2325.1222.0018.8815.7712.659.5366.4203.3040.1876图3.3-15 CA燃烧室内速度场对比在压缩过程的后期，气缸内的空气被挤入活塞顶内的燃烧室，在燃烧室的纵 向平面内形成挤流。从图3.3中可以看出，由于燃烧室A具有较大的收口，中心凸 台起着良好的导流作用，所以活塞表面上方的空气被压入燃烧室后沿凹坑壁面向 喉口处发展，在凹坑内形成一个较大尺度的逆时针旋涡，并且气流运动剧烈，最 高速度达43.81m/s，有利于混

16、合气的形成，使燃烧更为完善。B燃烧室为直口凸台 呈哑铃状，挤气面积较小，且凸台导向作用没有A明显，在靠近壁面形成一个中 等尺度的逆时针旋涡，大约占燃烧室空间的一半左右，中心部分的气流运动较弱。 C型燃烧室敞口较大，挤流效果最弱，仅在喉口部分形成一个较小尺度的旋涡，大 部分气流速度不足2m/s，所以这种类型的燃烧室通常需要加强进气涡流，采用小 孔高压喷射来提高雾化质量。3.4 -5CA燃烧室内浓度场和温度场分布对比1519图3.4 -5CA燃烧室内浓度场和温度场分布对比从图3.4可以看出，喷注与燃烧室壁面发生撞击，形成油膜和浓混合气，虽然 在垂直于壁面的方向上有很大的浓度梯度，但是扩散率很低，无

17、法掺混大量的空 气，不利于蒸发，且受较低壁面温度的影响，燃烧质量较差，容易生成大量碳烟 和未燃HC。A型燃烧室喷注撞击壁面的入射角度很小，雾束基本沿燃烧室壁面向 下平行发展，大量燃油以粒子形式存在，在挤流的强烈作用下，较早形成的稀薄 混合气被吹拂到雾束的下方，在燃烧室底部形成着火点。B型燃烧室中喷注撞击在 直口和圆弧的交界处，造成二次雾化掺混大量空气，可以加速燃油蒸发，可以看 到撞击点下方有许多细小的燃油颗粒。在挤流的作用下，雾束的下方形成的混合 气较多，首先形成着火点，此处温度高达2486K，分布的范围也较大；雾束上方形成的混合气稍微少一些，温度也相对较低，形成第二着火点，分布范围较小。C

18、型燃烧室喷孔到壁面的距离略大于贯穿度，在喷注前锋处较大的燃油粒子破碎成 细小颗粒，在撞击点处较细的燃油粒子又发生堆积，所以壁面附着较多的燃油。由于C型燃烧室挤流作用不明显，燃油雾化蒸发基本呈对称分布，因此温度场分 布比较均匀。3.5 5CA燃烧室内浓度场和温度场分布对比在上止点后5CA，供油基本结束，浓度场和温度场如图3.5所示。A型燃烧室 的燃油主要分布在燃烧室的侧壁，此时整个燃烧室基本都是高温区域，表明燃烧 主要在燃烧室内进行，燃烧较为充分。图3.5 5 CA燃烧室内浓度场和温度场分布对比3.6缸内温度曲线和NO浓度对比曲轴转角，CA -10-5051G曲轴转角 CA13我图3.6.1缸内

19、温度曲线图3.6.2NO浓度曲线从图3.6.1的温度曲线上来看，此时A型燃烧室率先达到最高温度，说明在相同 的供油规律下，A型燃烧室内剧烈的气流运动加速了混合气的形成，燃烧更加迅速。 但喷嘴处的高温会造成燃油碳化堵塞喷孔，影响供油质量，使柴油机的可靠性和 稳定性下降。尖底凸台的温度较高，且不易散热，较大的热应力会使活塞烧蚀， 应设法避免。B型燃烧室燃油分布在侧壁和凹坑内，中心空气利用不足，高温区域 分布范围比A型燃烧室小，缸内温度也比A型燃烧室低一些。C型燃烧室的燃油主 要分布在燃烧室上半部与缸盖之间，燃油进入顶隙十分明显，这个区域空气流动 变慢，加上壁面处火焰猝熄，因此不完全燃烧产物氧化受阻

20、，这是导致碳烟和未 燃HC发生的原因。从图3.6.1温度曲线和3.6.2NO浓度曲线来看，因为A型燃烧室混合气形成迅速， 燃烧充分，所以率先达到最高温度，B、C型燃烧室则稍微落后，且最高温度比A 型略低。NO的生成主要受温度影响，A型燃烧室温度升高较快，平均温度高，所 以NO的生成速率较大，总质量也较高，在上止点后10 CA温度开始下降，NO被“冻 结”，含量保持不变。B、C型燃烧室NO的生成速率和质量基本一致，比A型燃烧室 低，到上止点后20 CA时，NO被“冻结”，含量保持稳定。总体上NO的变化趋势 与温度变化相一致。由于A型燃烧室后期扩散燃烧质量较好，可以采用推迟喷油的 手段，降低最高燃

21、烧压力和温度，从而大大减少NO的生成量，又不致于造成燃烧 品质的恶化，达到同时改善氮氧化物和微粒的目的。4.三种燃烧室性能对比从以上三种燃烧室的工作过程对比可以看出，燃烧室的形状和结构参改变了 缸内流场特性，影响了混合气的形成，进而决定了不同的燃烧特性。增压中冷柴油机CA6DL-30采用A型燃烧室，由于A型燃烧室缩口较大，产 生较长的涡流持续期，较合理的涡流分布，更有利于混合气的形成，可以进一步 加速扩散燃烧，充分改善燃烧品质，产生较高的缸内压力和温度；A型燃烧室燃 烧发生在整个燃烧室，在NO的排放特性上A型燃烧室具有较快的生成速率和较 高的总质量，由于在后期扩散燃烧质量较好，可以采用推迟喷油

22、的手段，降低最 高燃烧压力和温度，从而大大减少NO的生成量，达到改善氧化物和微粒的排放。B型燃烧室挤流强度比A小，燃烧室燃烧范围比A型小，C型燃烧室基本没有挤流。C型燃烧室燃烧发生在燃烧室上部和缸盖之间，此处空气运动缓慢，温度 较低，不利于燃烧，容易产生有害污染物。随着柴油机技术的发展，柴油机的发展前景已经没有悬念，柴油机的良好的 动力性和经济性已经越来越受到人们的青睐。燃烧室的形状对柴油机的性能及污 染物的排放有着重要的影响，所以优化燃烧室形状已经成为柴油机领域的重要课 题，随着技术的发展我相信柴油机的燃烧室的几何形状会得到更好的优化与发展。参考文献1汽车发动机原理/吴建华主编.机械工业出版社，2005.7 周磊，赵长禄等.利用燃烧模拟对柴油机燃烧室的优化设计，2004.53杨德胜，高希彦.柴油机TR燃烧系统的性能研究.内燃机学报，2005, 9