淺析發(fā)動機缸內(nèi)燃燒的機理

畢業(yè)設(shè)計（論文）報告淺析發(fā)動機缸內(nèi)燃燒的機理系別中德機電學(xué)院專 業(yè)汽車檢測與維修技術(shù)班 級學(xué)生姓名學(xué) 號10001指導(dǎo)教師2014年4月無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）淺析發(fā)動機缸內(nèi)燃燒的機理淺析發(fā)動機缸內(nèi)燃燒的機理摘要：為了更為直觀地探究發(fā)動機缸內(nèi)燃燒的機理，從研究燃燒室形狀對柴油機燃燒和排放性能的影響方面來闡述發(fā)動機缸內(nèi)燃燒的機理，應(yīng)用大型通用CFDSTAR-CD程序?qū)?種不同形狀的燃燒室內(nèi)燃燒過程進(jìn)行了多維數(shù)值模擬計算，研究了不同的燃燒室形狀對缸內(nèi)氣流運動以及缸內(nèi)燃燒溫度和排放的影響，從而優(yōu)化柴油機的能。關(guān)鍵詞：柴油機;燃燒室形狀;數(shù)值模擬;燃燒TheMechanismofEngineCombustioninCylinderis

AnalysedAbstract:Inordertostudytheeffectsofcombustionchambershapeoncombustionandemissioncharacteristicsinadieselengine，largeuniversalCFDsoftwareSTAR-CDisusedtosimulatethecombustionprocessesinthreetypesofcombustionchambersofdieselengines.Theeffectsofcombustionchambershapeonin-cylinderairmotion,temperaturefieldandexhaustemissionsareresearched.KeyWords:Dieselengine,Combustionchamber,Numericalsimulation,Combustion目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1.緒論 1\o"CurrentDocument"1.1研究背景 1\o"CurrentDocument"1.2內(nèi)燃機燃燒模型的國內(nèi)外現(xiàn)狀 1\o"CurrentDocument"1.3論文研究意義 2\o"CurrentDocument"2試驗方案設(shè)計 3\o"CurrentDocument"2.1發(fā)動機參數(shù) 3\o"CurrentDocument"2.2三種燃燒室形狀 3\o"CurrentDocument"2.3計算方法 4\o"CurrentDocument"實驗數(shù)據(jù)及分析 5\o"CurrentDocument"3.1供油規(guī)律 5\o"CurrentDocument"3.2缸內(nèi)壓力曲線 6\o"CurrentDocument"-15°CA燃燒室內(nèi)速度場對比 6\o"CurrentDocument"-5°CA燃燒室內(nèi)濃度場和溫度場分布對比 7\o"CurrentDocument"5°CA燃燒室內(nèi)濃度場和溫度場分布對比 8\o"CurrentDocument"3.6缸內(nèi)溫度曲線和NO濃度對比 8\o"CurrentDocument"三種燃燒室性能對比 9結(jié)論 10\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 111.緒論1.1研究背景內(nèi)燃機的誕生已有一百多年的歷史。經(jīng)過長期不斷的改進(jìn)和提高，內(nèi)燃機已經(jīng)成為一種比較成熟、完善的動力機械。由于它的熱效率較高、適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點而在車輛、船舶、工程機械等領(lǐng)域內(nèi)取得了廣泛應(yīng)用，發(fā)揮著日益巨大的作用。為了節(jié)約能源，應(yīng)對全球性的石油危機，內(nèi)燃機經(jīng)濟性能的提高和新燃料的應(yīng)用研究日益受到重視。為了保護(hù)環(huán)境，降低大氣污染，對內(nèi)燃機有害排放指標(biāo)和噪聲的限制也越來越高，這些都對內(nèi)燃機的工作過程提出了更加嚴(yán)格的要求［1］。燃燒過程對內(nèi)燃機性能影響的重要性是眾所周知的。它是內(nèi)燃機工作循環(huán)的中心環(huán)節(jié)，它與內(nèi)燃機的基本運行參數(shù)，如功率、效率和排放等直接關(guān)聯(lián)。長期以來，由于燃燒過程的復(fù)雜性，燃燒過程只能借助于實驗進(jìn)行研究，這種研究方法不僅要受到實驗條件、測試技術(shù)、實驗儀器精度等的限制，而且有時根本無法完成，這就給研究燃燒過程帶來了很大的局限性［1,2］。基于這種情況，本文對發(fā)動機工作過程作接近實際的模擬，建立了一個適合汽油機工作過程計算的準(zhǔn)維湍流燃燒模型。1.2內(nèi)燃機燃燒模型的國內(nèi)外現(xiàn)狀以流體力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、燃燒理論和計算數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，以高速大容量計算機為主要工具，通過計算手段來探索自然界、工程實際和社會生活中各種燃燒現(xiàn)象的機理，研究各種燃燒系統(tǒng)和裝置中燃燒過程的規(guī)律和特點，從而實現(xiàn)對各種燃燒現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和預(yù)測。內(nèi)燃機燃燒數(shù)值模擬方法已成為內(nèi)燃機系統(tǒng)的研究、設(shè)計和優(yōu)化的一個強有力的工具［5］。在此基礎(chǔ)上，Magnussen和Hjertager［7］等人提出了湍流控制渦破碎模型(turbulencecontrolledEBUmodel)；在Magnussen提出的湍流控制渦破碎模型基礎(chǔ)上，Abraham［8］將時間尺度修正為層流一湍流特征時間尺度，應(yīng)用于火花點火發(fā)動機模擬，Patterson［9］將其應(yīng)用于柴油機，形成了層流一湍流特征時間模型；1991年，日本九州大學(xué)城戶裕之等人提出了具有群島狀和分型幾何火焰面的預(yù)混合湍流傳播火焰構(gòu)造模型。事實上，對內(nèi)燃機工作過程的計算直到30年前，內(nèi)燃機理論基本上是建立在理論循環(huán)基礎(chǔ)之上的，常規(guī)的工作過程計算對實際工作進(jìn)行了很大的簡化。計算機技術(shù)和計算流體力學(xué)CFD的飛速發(fā)展，為數(shù)值模擬計算提供了條件，促進(jìn)了數(shù)值模擬內(nèi)燃機瞬時工作過程的蓬勃發(fā)展［10］。從這些文章可看出，我國在燃燒過程模擬計算方面已由起步進(jìn)入比較成熟的階段，特別是在準(zhǔn)維模型應(yīng)用方面，包括汽油機紊流燃燒模型、汽油機紊流卷入模型、柴油機噴注混合模型及柴油機油滴蒸發(fā)模型，都取得了顯著成果。利用這些模型不僅可以計算缸內(nèi)壓力、溫度等參數(shù)在不同燃燒時刻的數(shù)值，還可以模擬計算各種排放值，如氮氧化物及碳煙。此外，用這些模型還可以進(jìn)行預(yù)測計算，即在改變某一運動參數(shù)或者結(jié)構(gòu)參數(shù)，如壓縮比、混合氣濃度、點火提前角、噴油提前角、噴油器噴孔直徑、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等時，計算發(fā)動機各種性能的相應(yīng)變化。1.3論文研究意義21世紀(jì)，面對世界性的能源和環(huán)保問題，提高直噴式柴油機的經(jīng)濟性、減少有害物的排放仍將是柴油機工作者的主要技術(shù)問題之一。目前，日趨嚴(yán)格的世界性環(huán)保法規(guī)已成為推動柴油機技術(shù)快速發(fā)展的動力，而直噴式柴油機燃油經(jīng)濟性和排放品質(zhì)的高低主要取決于柴油機燃燒過程的完善程度。因此，改進(jìn)直噴式柴油機的燃燒系統(tǒng)的性能一直是提高柴油機經(jīng)濟性、動力性和排放性能的一條重要途徑。柴油機燃燒室結(jié)構(gòu)對柴油機的動力性、經(jīng)濟性和排放性具有重大影響，燃燒室凸臺形狀和縮口直徑對于混合氣的形成和燃燒過程具有重要作用，因此對燃燒室進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，組織良好的氣流運動，對改善發(fā)動機性能尤為重要。多維瞬態(tài)數(shù)值模擬能充分反應(yīng)幾何結(jié)構(gòu)的影響，并能很好地預(yù)測缸內(nèi)混合氣的形成、燃燒和排放。本文以CA6DL1-30柴油機為基礎(chǔ)，設(shè)計了3種不同燃燒室形狀，并運用STAR-CD軟件研究了燃燒室形狀對霧化及混合物形成過程的影響，縮口直徑對缸內(nèi)氣體運動的影響；比較了不同燃燒室形狀對缸內(nèi)燃燒溫度以及NO排放的影響，為柴油機燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了非常有價值的理論依據(jù)。2試驗方案設(shè)計2.1發(fā)動機參數(shù)增壓中冷柴油機CA6DL-30的氣缸直徑為110mm，沖程為135mm;連桿長217mm，余隙1.5mm，以1500rpm的速度運轉(zhuǎn)，型式6缸、直列、直噴、增壓、空-空中冷,4氣門/缸，總排量(L)7.7，標(biāo)定功率/轉(zhuǎn)速(kW/r/min)206/2300，最大扭矩/轉(zhuǎn)速(N.m/r/min)1100/1300-1500，全負(fù)荷最低燃油耗率(g/kw.h)<193，煙度(FSN)<2.0噪音dB(A)96.5，凈質(zhì)量(Kg)800(不含離合器、中冷器)，側(cè)面噴孔直徑0.35mm，噴油孔夾角150°，噴油持續(xù)時間為18°CA，噴油提前角為15°CA，燃燒室形狀為縮口尖底深坑燃燒室。2.2三種燃燒室形狀在不改變壓縮比的情況下，設(shè)計了3種燃燒室結(jié)構(gòu)，如圖1所示B圖2.2燃燒室計算方案燃燒室選用如圖2.2所示，分別為縮口尖底深坑燃燒室(簡稱人燃燒室)；直口凸臺燃燒室(B)；敞口尖底①燃燒室(C)。由于氣缸具有軸對稱性，為節(jié)省時間，計算區(qū)域選取燃燒室1/4,從進(jìn)氣門關(guān)閉(上止點前140°CA)開始，計算到上止點后140°CA。2.3計算方法STAR-CD基于有限體積法，將計算區(qū)域劃分成若干網(wǎng)格，用分裂算子求解壓力隱式算法（PIOS）進(jìn)行解算，并加入大量物理化學(xué)模型對氣流運動、燃油霧化、燃燒和排放進(jìn)行描述，因此在發(fā)動機工作過程模擬方面具有極大的優(yōu)勢。由于氣體在缸內(nèi)的運動復(fù)雜，針對其運動劇烈，壓縮性高，瞬變性強的特點，本文選擇高雷諾數(shù)k-8湍流模型，燃油霧化采用Huh模型。Huh模型認(rèn)為發(fā)生在噴嘴孔的湍流在噴射表面產(chǎn)生初始的擾動，通過與周圍氣體（表面波動增長）產(chǎn)生的相互作用，擾動呈指數(shù)級生長，直到擾動作為液滴的形式從噴射表面分離。破碎模型采用Reitz/Diwakar模型，由于液滴周圍存在不穩(wěn)定的壓力場，較低的壓力促使液滴膨脹，最后克服表面張力，造成液滴分解，同時還存在液體被氣流從液滴表面剝離的現(xiàn)象，它的不穩(wěn)定性可以用臨界韋伯?dāng)?shù)來表示。由于影響碰撞因素眾多，造成液滴碰壁過程十分復(fù)雜，可能產(chǎn)生的結(jié)果具有多樣性，如附著、反彈、飛濺或者破碎并沉積在表面上形成油膜等。本文采用的Bai模型可以較好地描述以上各種撞壁現(xiàn)象，精確反映燃油粒子在壁面附近的各種活動。點火模型選擇shell模型，燃燒模型選擇Magnussen等提出的可同時用于預(yù)混合燃燒和擴散燃燒的渦破碎模型。3.實驗數(shù)據(jù)及分析3.1供油規(guī)律-12-60380405O50-15-12-60380405O50-15曲軸轉(zhuǎn)角°CA圖3.1供油規(guī)律噴油持續(xù)時間為18°CA，噴油提前角為15°CA，每循環(huán)供油量為125mm3,如圖3.1所示。初始空氣溫度320K，壓力0.1Mpa。計算區(qū)域的軸對稱面上選擇周期邊界，其它選擇固體壁面邊界，氣缸蓋、活塞表面和缸壁溫度分別為520K、500K、500K。活塞表面一直處于運動狀態(tài)。3.2缸內(nèi)壓力曲線曲軸轉(zhuǎn)角°CA曲軸轉(zhuǎn)角°CA圖3.2缸內(nèi)壓力曲線從圖3.2缸內(nèi)壓力曲線可以看出，在預(yù)混合燃燒階段，三種燃燒室的壓力曲線基本一直。A型燃燒室由于氣流運動劇烈，加速了擴散燃燒，所以壓力上升較快，具有較高的壓力，而B、C型燃燒室的壓力曲線基本重合。3.3-15°CA燃燒室內(nèi)速度場對比缸內(nèi)氣流運動是一種極其復(fù)雜又強烈瞬變的湍流運動，直接決定了各組分在缸內(nèi)的輸運及其空間分布，因此合理地組織氣流可以提高空氣利用率，促進(jìn)燃油霧化，改善燃燒品質(zhì)，提高熱效率，降低排放。在-15°CA時刻燃油開始射入缸內(nèi)，圖3.3顯示此時過噴孔垂直剖面處三種燃燒室的速度場對比結(jié)果。43.8140.7037.5834.46圖3.3顯示此時過噴孔垂直剖面處三種燃燒室的速度場對比結(jié)果。43.8140.7037.5834.4631.3528.2325.1222.0018.8815.7712.659.5366.4203.3040.1876圖3.3-15°CA燃燒室內(nèi)速度場對比在壓縮過程的后期，氣缸內(nèi)的空氣被擠入活塞頂內(nèi)的燃燒室，在燃燒室的縱向平面內(nèi)形成擠流。從圖3.3中可以看出，由于燃燒室A具有較大的收口，中心凸臺起著良好的導(dǎo)流作用，所以活塞表面上方的空氣被壓入燃燒室后沿凹坑壁面向喉口處發(fā)展，在凹坑內(nèi)形成一個較大尺度的逆時針旋渦，并且氣流運動劇烈，最高速度達(dá)43.81m/s，有利于混合氣的形成，使燃燒更為完善。B燃燒室為直口凸臺呈啞鈴狀，擠氣面積較小，且凸臺導(dǎo)向作用沒有A明顯，在靠近壁面形成一個中等尺度的逆時針旋渦，大約占燃燒室空間的一半左右，中心部分的氣流運動較弱。C型燃燒室敞口較大，擠流效果最弱，僅在喉口部分形成一個較小尺度的旋渦，大部分氣流速度不足2m/s，所以這種類型的燃燒室通常需要加強進(jìn)氣渦流，采用小孔高壓噴射來提高霧化質(zhì)量。3.4-5°CA燃燒室內(nèi)濃度場和溫度場分布對比±■■■1519圖3.4-5°CA燃燒室內(nèi)濃度場和溫度場分布對比±■■■1519圖3.4-5°CA燃燒室內(nèi)濃度場和溫度場分布對比從圖3.4可以看出，噴注與燃燒室壁面發(fā)生撞擊，形成油膜和濃混合氣，雖然在垂直于壁面的方向上有很大的濃度梯度，但是擴散率很低，無法摻混大量的空氣，不利于蒸發(fā)，且受較低壁面溫度的影響，燃燒質(zhì)量較差，容易生成大量碳煙和未燃HC。A型燃燒室噴注撞擊壁面的入射角度很小，霧束基本沿燃燒室壁面向下平行發(fā)展，大量燃油以粒子形式存在，在擠流的強烈作用下，較早形成的稀薄混合氣被吹拂到霧束的下方，在燃燒室底部形成著火點。B型燃燒室中噴注撞擊在直口和圓弧的交界處，造成二次霧化摻混大量空氣，可以加速燃油蒸發(fā)，可以看到撞擊點下方有許多細(xì)小的燃油顆粒。在擠流的作用下，霧束的下方形成的混合氣較多，首先形成著火點，此處溫度高達(dá)2486K，分布的范圍也較大；霧束上方

形成的混合氣稍微少一些，溫度也相對較低，形成第二著火點，分布范圍較小。C型燃燒室噴孔到壁面的距離略大于貫穿度，在噴注前鋒處較大的燃油粒子破碎成細(xì)小顆粒，在撞擊點處較細(xì)的燃油粒子又發(fā)生堆積，所以壁面附著較多的燃油。由于C型燃燒室擠流作用不明顯，燃油霧化蒸發(fā)基本呈對稱分布，因此溫度場分布比較均勻。3.55°CA燃燒室內(nèi)濃度場和溫度場分布對比在上止點后5°CA在上止點后5°CA，供油基本結(jié)束，濃度場和溫度場如圖3.5所示。A型燃燒室的燃油主要分布在燃燒室的側(cè)壁，此時整個燃燒室基本都是高溫區(qū)域，表明燃燒主要在燃燒室內(nèi)進(jìn)行，燃燒較為充分。圖3.55°CA燃燒室內(nèi)濃度場和溫度場分布對比3.6缸內(nèi)溫度曲線和NO濃度對比曲軸轉(zhuǎn)角，CA???-10-5 0 5 1G曲軸轉(zhuǎn)角°CA13我圖3.6.1缸內(nèi)溫度曲線圖3.6.2NO濃度曲線從圖3.6.1的溫度曲線上來看，此時A型燃燒室率先達(dá)到最高溫度，說明在相同的供油規(guī)律下，A型燃燒室內(nèi)劇烈的氣流運動加速了混合氣的形成，燃燒更加迅速。但噴嘴處的高溫會造成燃油碳化堵塞噴孔，影響供油質(zhì)量，使柴油機的可靠性和穩(wěn)定性下降。尖底凸臺的溫度較高，且不易散熱，較大的熱應(yīng)力會使活塞燒蝕，應(yīng)設(shè)法避免。B型燃燒室燃油分布在側(cè)壁和凹坑內(nèi)，中心空氣利用不足，高溫區(qū)域分布范圍比A型燃燒室小，缸內(nèi)溫度也比A型燃燒室低一些。C型燃燒室的燃油主要分布在燃燒室上半部與缸蓋之間，燃油進(jìn)入頂隙十分明顯，這個區(qū)域空氣流動變慢，加上壁面處火焰猝熄，因此不完全燃燒產(chǎn)物氧化受阻，這是導(dǎo)致碳煙和未燃HC發(fā)生的原因。從圖3.6.1溫度曲線和3.6.2NO濃度曲線來看，因為A型燃燒室混合氣形成迅速，燃燒充分，所以率先達(dá)到最高溫度，B、C型燃燒室則稍微落后，且最高溫度比A型略低。NO的生成主要受溫度影響，A型燃燒室溫度升高較快，平均溫度高，所以NO的生成速率較大，總質(zhì)量也較高，在上止點后10°CA溫度開始下降，NO被“凍結(jié)”，含量保持不變。B、C型燃燒室NO的生成速率和質(zhì)量基本一致，比A型燃燒室