燃燒室幾何形狀對柴油機排放特性影響的數值分析

楊 帥， 樓宏偉， 周 毅， 王 磊， 萬 曉， 李秀元

(1.同濟大學 a. 汽車學院，b. 新能源汽車工程中心；上海 201804；2.濟寧職業技術學院，山東 濟寧 272037)

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燃燒室幾何形狀對柴油機排放特性影響的數值分析

楊 帥1a,b， 樓宏偉1a,b， 周 毅1a,b， 王 磊1b， 萬 曉1a,b， 李秀元2

(1.同濟大學 a. 汽車學院，b. 新能源汽車工程中心；上海 201804；2.濟寧職業技術學院，山東 濟寧 272037)

針對兩種不同幾何形狀燃燒室，對柴油機燃燒過程進行數值仿真計算，得到了不同幾何形狀燃燒室的污染物排放情況，用以研究燃燒室形狀對排放特性的影響。得到了柴油機燃燒過程中排放生成物NOx、Soot、HC、CO隨時間歷程的生成規律和空間生成位置，數值仿真還包括了燃燒室溫度場、壓力場等瞬態結果，彌補了實驗過程中無法提供三維可視場結果的缺陷。

燃燒室； 幾何形狀； 排放； 模擬計算

0 引 言

目前，在內燃機性能與排放實驗過程中，先進模擬技術已作為一種重要而有效的工具加以利用。內燃機的燃燒過程很大程度上受燃料與空氣混合程度的影響，這種混合是一種復雜的瞬態流動[1-6]。隨著湍流理論研究和計算數學算法的發展，CFD正被大量應用于各種不同的工業領域[7-11]。目前，CFD研究的主要問題是計算程序的穩定性，分析真實流體的復雜流動狀況的能力和復雜幾何形狀周圍流動狀況的能力，以及計算誤差和解的分辨率等方面[12-16]。

就目前發動機性能與排放實驗而言，實驗結果多為一維結果，且無法反映發動機缸內燃燒室工作過程的三維結果。為此，本文運用CFD數值仿真方法，研究相同排量、壓縮比條件下，燃燒室不同幾何形狀對柴油機排放特性影響，彌補實驗過程中無法向學生提供三維可視場結果的缺陷。

1 模型建立

按照兩種不同幾何參數燃燒室的構造(見圖1)，以E1型燃燒室模型為例，建立的柴油機運動網格如圖2所示(燃燒室1/6部分)，燃燒室模型網格總數為98 325，網格運動區間為活塞下止點到上止點。求解過程中選擇的物理模型和邊界條件：湍流模型k-ε，燃燒模型ECFM-3Z，湍流擴散模型Enable，油滴破碎模型Wave，蒸發模型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型結構E2型結構

圖1 發動機模型燃燒室尺寸

圖2 燃燒室運動網格圖

2 不同燃燒室排放物對比分析

2.1 時間位置分析

圖3～8是E1型和E2型燃燒室缸內燃燒參數和排放特性曲線隨曲軸轉角變化的結果對比。從圖3看出，E1型和E2型燃燒室的缸內各點的平均壓力基本相同，兩條曲線基本重疊，說明兩缸內壓力過程相似，有著相似的燃燒開始時間。由圖4可見，兩缸內溫度隨曲軸轉角的變化基本相同，E1型燃燒室在燃燒末期的溫度略高于E2型燃燒室。由圖5～8可見，不同排放物隨曲軸轉角的變化結果是，CO排放在曲軸轉角365°CA前大致相同，之后E1型燃燒室高于E2型燃燒室；HC排放在大部分曲軸轉角下相同，但到了燃燒末期E2型燃燒室略高于E1型燃燒室。NOx排放在曲軸轉角372°CA 前大致相等，之后E2型燃燒室略高于E1型燃燒室并保持穩定。Soot排放在曲軸轉角372°CA 之后E2燃燒室的增長趨勢明顯高于E1型燃燒室，以至于末期B型燃燒室數值遠大于E1燃燒室；在趨勢上，E1型燃燒室與E2型燃燒室的CO、HC、NOx、Soot生成起始時間、變化趨勢相同。

2.2 空間位置分析

為了明確E1燃燒室與E2燃燒室在缸內平均溫度、壓力基本相同情況下，排放物有較大差異的原因。分析E1與E2燃燒室的排放物在缸內的分布異同，進而得到燃燒室形狀對排放特性的影響規律。數值仿真得到的曲軸轉角365°CA和370°CA時刻E1與E2燃燒室缸內排放物形成的瞬態結果如圖9和圖10所示。重點分析柴油機兩個重要排放物NOx和Soot。

圖3 缸內溫度曲線對比圖4 缸內壓力曲線對比圖5 CO排放曲線對比

圖6 HC排放曲線對比圖7 NOx排放曲線對比圖8 Soot排放曲線對比

E1E2E1E2E1E2(a)當量比(b)缸內溫度(c)CO質量濃度

E1E2E1E2E1?E2(d)HC質量濃度(e)NOx質量濃度(f)Soot質量濃度

圖9 365°CA時刻缸內當量比、溫度、CO、HC、NOx、Soot質量分數分布

E1E2E1E2E1?E2(d)HC質量濃度(e)NOx質量濃度(f)Soot質量濃度

圖10 370°CA時刻缸內當量比、溫度、CO、HC、NOx、Soot質量分數分布

從圖9可見，365°CA時刻E1與E2燃燒室的缸內溫度、CO、HC、NO質量分數分布差異較小，而當量比、Soot質量分數分布差異大于溫度場和濃度場分布的差異，即可以解釋兩種燃燒室污染物排放量的差異。CO是燃料不完全燃燒的產物，E1燃燒室的當量比分布區域比E2燃燒室多，故E1燃燒室的CO排放比E2燃燒室多。HC來源于未燃碳氫，它與當量比是直接相關的，當量比大的區域，燃油較多，未燃HC就多，HC分布與當量比是幾乎完全相同的。

NOx生成的首要影響因素是溫度，由圖9(b)可見，E1與E2燃燒室的溫度場分布差異小，所以兩者的NOx排放差異不大。且E2燃燒室的高溫分布范圍較E1燃燒室略廣，故E2燃燒室的NOx排放量比E1燃燒室略多。Soot的生成對缸內混合氣濃度與溫度都有要求。由圖9(a)可見，E1燃燒室過濃區分布并不比E2燃燒室少，但是E1燃燒室過濃區處于高溫區(高于2 000 K)面積較大，溫度過高反而不利于Soot生成與聚集。而E2燃燒室過濃區處于溫度在1 600～1 900 K的區域，Soot生成相對更多。故E1燃燒室的Soot排放比E2燃燒室低。總體分析，E1與E2燃燒室相比，Soot排放差異最大，NOx、HC、CO排放差異較小。

上述結論從圖10也可以得到證實。由圖可以看出，E1和E2燃燒室的CO、HC、NOx3種排放物質量分數分布差異較小，而Soot差異明顯。以上仿真結果彌補了實驗過程中無法給出三維結果的缺陷，對學生充分理解發動機工作過程、燃燒室幾何尺寸對排放物的影響有較大提升。

通過以上分析可得到以下結論，①Soot出現在燃燒開始之前，在整個燃燒過程中，其總量持續增加；而NOx出現比之較晚，且在短時間內急劇增加后很快保持一個穩定值。②NOx初始生成是在最早著火邊緣處，之后在燃燒室中部以及縮口處大量生成，然后向燃燒室邊緣擴散，最后在燃燒室內均勻分布。③Soot初始生成位置是燃燒室最外圍中部，然后凹坑最深處開始大量生成，隨著燃燒的進行和缸內流動的發展，Soot生成和聚集區集中于燃燒室中央部位呈圓柱形，且縮口與凸臺兩端濃度高于中間部分。④ω形燃燒室的徑深比對4種排放物都有影響，對Soot生成的影響大于對其余的影響。燃燒室凹坑較淺且開口較大的E1燃燒室與凹坑較深且縮口較小的E2燃燒室相比，CO排放方面，E1燃燒室高于E2燃燒室；HC排放方面，E1燃燒室略低于E2燃燒室；NOx排放方面，E1燃燒室低于E2燃燒室；Soot排放方面，E1燃燒室明顯低于E2燃燒室。⑤如要改進柴油機燃燒室的排放特性，燃燒室的開口應在允許情況下取較大值，而凹坑深度可取較小值，即徑深比的比值應增加。

3 結 語

利用發動機三維模擬以及建模軟件，建立發動機燃燒室三維模型及壓縮和做功階段的數值模型，在確定邊界條件設置，明確設計參數物理含義之后，實現了發動機工作過程三維模擬的設計。在給定的邊界條件下，實現了發動機壓縮和做功沖程的瞬態模擬。對不同燃燒室結構的燃燒過程進行對比分析，發現了各種排放物的生成規律以及時間歷程，從而明確燃燒室幾何形狀對發動機尾氣排放物生成規律的影響。本文通過計算手段，明確各種排放物的生成規律、時間演變歷程、以及在氣缸燃燒室空間內的具體生成位置，彌補了實驗過程中無法提供三維可視場結果的缺陷。

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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

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(9005)；同濟大學課程建設實驗教改資助項目(4061)；同濟大學教學改革資助項目(4052)；同濟大學精品實驗項目資助(4065)；同濟大學青年教師英才計劃資助項目(T028)

楊 帥(1980-)，男，上海人，博士，副教授，從事車用動力系統的研究與教學工作。E-mail:mermaid04@126.com

TK 421.5

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1006-7167(2016)05-0032-03