噴孔直徑對柴油機燃燒特性影響的仿真分析

羅 堃，崔云翔

（1.東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州545000；2.廣西壯族自治區汽車內燃機質量檢驗站，廣西 柳州 545000）

0 引言

柴油機燃燒會使零部件產生振動、噪音與機械熱負荷，其主要原因與柴油機工作特性、功率、效率和排放有關聯。因此對燃燒過程的研究至關重要。柴油機特性分析與工程師的經驗密不可分，一方面主要體現在燃燒室幾何尺寸和噴油系統等結構性參數上，另一方面主要通過現代數值仿真技術模擬柴油機氣缸內流場的動態變化趨勢，極大地提高工程師開發新機型新技術的能力，達到良好的效果。

本文采用三維CFD軟件：AVL-FIRE，研究不同噴孔直徑變化時，對柴油機缸內燃燒過程進行計算分析，得出了其結構參數對柴油機燃燒特性的影響，可進一步優化燃燒系統參數提供依據。

1 計算對象及初始條件

4L28T型柴油機是一款較為成熟的機型，廣泛應用于皮卡、SUV、輕卡等。其主要技術參數和特點見表1。

表1 柴油機技術參數

為了使其計算得到簡化，將燃燒室以活塞頂正中央進行對稱分布，燃燒室計算網格劃分時只取其的1/8體積（由于燃燒室為周布均勻結構）。仿真計算以進氣門關閉時刻222°CA時作為起始點，排氣門開啟角497°CA作為計算結束循環點。本研究定義上止點角度為360°CA，三維建模建立的活塞與氣缸，以及兩者之間所劃分的網格隨著活塞循環運動而成進行壓縮與擴展，燃燒室內部網格總數目保持不變。設定氣缸內初始壓力、溫度均勻分布。如表2所示為，計算過程中定壁面溫度、活塞、缸套、缸蓋溫度以理想狀態下保持恒定。以柴油機標定轉速r=3 200 r/min為計算工況進行燃燒過程分析。

2 理論分析

三維仿真過程中所應用的物理模型為：定義WAVE模型為噴霧模型；定義模型為湍流模型；定義Dukowicz模型為蒸發模型；定義EBU燃燒模型（eddy break model）－渦團破碎模型為燃燒模型；NOx形成原理以經典的Zeldovich模型為準則；定義Kennedy-Hiroyasu Magnussen模型為碳煙模型等各數值計算模型[1-5]。仿真參數如表2所示。

表2 仿真計算參數

3 噴孔直徑對缸內燃燒過程影響計算

噴孔直徑作為燃油噴射系統中噴油器的重要結構參數，其大小值與燃油油束射程成正比[6]。射程過大，貫穿率則大，射程過小，貫穿率則小，因此在確定噴孔直徑時，匹配柴油機燃燒室時需適中。本文確定0.25 mm、0.35 mm、0.45 mm和 0.55 rnm四個方案（圖1~圖4）噴孔直徑大小來進行計算，分析不同噴孔直徑對柴油機排放性、動力性和經濟性的影響。

方案一：d=0.25 mm

圖1 d=0.25 mm湍動能、濃度場、速度場分布

方案二：d=0.35 mm

圖2 d=0.35 mm湍動能、濃度場、速度場分布

方案三：d=0.45mm

圖3 d=0.45 mm湍動能、濃度場、速度場分布

方案四：d=0.55 mm

圖4 d=0.55 mm湍動能、濃度場、速度場分布

圖1 ~圖4為4種方案在上止點后5°CA時湍動能、當量比濃度、速度場分布結果。由4種方案所得的圖可知：方案1中高湍動能的流場分布最為寬廣。由混合氣濃度分布可知，方案1中混合氣當量比最大，會使燃燒室深坑處會出現油霧碰壁粘著現象，不利于柴油蒸發霧化，會使碳煙生成量增大。方案2中湍動能不大，而燃燒室中心區域則有較高湍動能，該分布形式能提高燃燒速度和燃燒后的火焰傳播速度。從混合氣濃度分布可知，混合氣濃度場分布較為均勻能使燃油霧化在較為寬廣的范圍實現。方案4中湍動能最低，混合氣分布在較小的空間范圍內，易導致燃燒不充分，碳煙排放會趨于增大。方案3湍動能和混合器濃度分布介于方案2和方案4之間。

圖5~圖10為4種不同噴孔直徑方案對應的計算結果。由圖6可知，缸內平均壓力隨著噴孔直徑減小，缸內平均壓力隨之增大。由于隨著噴孔直徑的減小，噴霧霧化直徑變小，霧化質量增強，使其燃燒時缸內壓力升高。與此同時缸內溫度也隨之上升（如圖5所示），導致NOx排放增大，soot排放下降（如圖7、8所示）。

圖6 噴孔直徑對缸內壓力影響

圖7 噴孔直徑對soot生成量影響

圖8 噴孔直徑對NOx生成量影響

圖9 噴孔直徑對NOx生成量影響

圖10 噴孔直徑對soot生成量影響

圖 9、圖 10為 4種方案在 440°CA時 NOx與soot（碳煙）質量分數（ppm）的生成影響變化，結合圖1～圖4不同方案所形成的混合氣濃度分布情況，可知：方案1中噴孔直徑比較小，油束貫穿距較大，但比較容易出現油束碰壁粘著的不良現象；方案2油氣混合氣濃度分布比較的均勻，方案3和方案4混合氣濃度分布兩者較為類似。方案4中噴孔直徑比較大，油束貫穿距也比較小，油氣混合在燃燒室內未達到較好狀態，會使柴油機性能有所下降，包括動力性下降，排放（NOx與soot）不佳等。

通過以上分析可知，噴孔直徑采用方案2較為合理。

4 實驗驗證

由圖11可以看出，計算的示功圖與實測示功圖吻合較好，這是由于仿真分析需要對柴油機進行一定簡化，所使用的計算模型均為經典的經驗模型，因此燃燒壓力實驗值與計算值存在一定誤差，且誤差均在6%以內[7]，說明該計算結果具有一定準確性。

圖11 示功圖對比

5 結論

（1）應用AVL-Fire軟件對柴油機進行三維仿真分析，得出了不同噴孔直徑下的速度場分布情況，燃燒缸內溫度、壓力、排放等情況，有利于分析結構參數對性能的影響。

（2）噴孔直徑大，油束貫穿距小，易使燃燒效果不佳；噴孔直徑小，油束貫穿距大，易使油霧著壁粘著到燃燒室。由計算與綜合分析可確定噴孔直徑為0.35 mm，柴油機性能最佳。