新型環保農用缸內直噴點燃式甲醇發動機仿真技術

王慶合,劉志強

(洛陽職業技術學院,河南 洛陽 471000)

0 引言

隨著現代化農業的發展,很多大型農機被應用到了農業生產過程中,為了達到節能減排的目的,發動機的設計和燃料的采用非常關鍵。甲醇燃料是近幾年來研究的熱點,有實驗表明,甲醇燃料應用在發動機上后可以輸出更高的功率和扭矩,其發熱效率也比傳統的汽油機高,如果將其使用在農用發動機上,不僅可以有效的提高農機的作業效率,對于節能減排也具有重要的意義。直噴稀燃技術有很大的發展潛力,將得到更大發展并將取代現有的進氣道式噴射技術。

1 發動機缸內直噴點燃技術及其仿真模擬

發動機缸內直噴點燃技術是一種節能高效的發動機燃料點燃方式,噴射方法目前主要采用燃油分層噴射。該方法是直噴式發動機的一個創新和技術性突破,改變了傳統的直接燃油由進氣管和空氣進行混合供油的模式,而是通過噴射器將汽油噴射到氣缸內,實現稀薄燃料的點燃。發動機缸內直噴技術和燃料的稀釋技術相輔相成,稀薄燃料的燃燒可以有效降低發動機工作時汽油的供應量,從而達到節能減排的目的。

為了實現燃料在缸體內稀薄,在技術上需要做一些改進:①高能點火,由于燃料稀薄,燃燒速度快,必須采用特殊的火花塞裝置,以利于火核的形成;②需要控制最優點火提前角,從而可以實現分層燃燒;③時間的控制,只有控制好時間,才能使稀薄燃料達到最佳燃燒的狀態;④燃燒室的設計,這也是本次設計的重點,燃燒室結構需要根據火焰的傳播距離進行優化;⑤進氣口的位置,盡量使燃料在燃燒室內更容易形成旋流,提高氣流速度,易于分層。

采用缸內直噴點燃方式需要一個高壓泵,通過高壓泵使汽油在進氣道上產生可變物流,這樣氣體可以以渦流的形式進入燃燒室,并達到最佳狀態。通常情況下,稀薄的燃料不易被點燃,因此采用中間點火帶動周圍點火的方式,使燃燒迅速波及到外層,這對于燃燒室的結構要求較高,可以通過對燃燒室結構的優化,使發動機的性能達到最佳狀態。

農用發動機如果采用甲醇作為燃料,首先需要對燃料的燃燒過程進行仿真,以確定合適的燃燒室結構,甲醇燃燒的仿真需要結論分析和CFD仿真軟件,理論分析主要是對甲醇燃燒過程的化學成分和燃燒熱等進行分析,CFD仿真軟件主要對燃燒溫度和火焰傳播規律進行分析,最后將實驗和數值模擬數據進行對比,優化發動機結構,如圖1所示。

2 甲醇燃料燃燒PDF模型和仿真模擬機理

為了實現甲醇發動機燃燒室的燃燒情況的仿真模擬,實現燃燒室結構的優化,首先需要建立甲醇燃燒的數值模擬的物理模型,目前在非絕熱條件下,甲醇的燃燒可以采用PDF模型,其FLUENT求解的總焓方程為

(1)

假定劉易斯數為1,則式(1)的右側的第1項為組分擴散和導熱項的合并項,第2項為粘性耗散,將總焓H定義為

(2)

組分j′的總焓定義為

(3)

(4)

(5)

該方程是質量守恒的總的形式,可以適合可壓和不可壓流動。其中,Sm表示相。慣性坐標系下,Sm方向的動量守恒方程為

(6)

其中,p為靜壓,τij為應力張量,具體定義為

(7)

其中,ρgi、Fi為重力體積力和其它體積力。

FLUENT提供了幾種傳熱結果的輸出形式,可以以圖形的形式輸出,也可以用下列參數或者函數形式輸出。其中,焓流率定義為

(8)

采用FLUENT自帶的后處理功能,可以給出某個表面的平均換熱系數,即

(9)

FLUENT數值仿真模擬過程主要分為預處理和后處理兩個過程,通過預處理可以設定各種邊界條件及計算參數,然后通過迭代計算可以得到仿真模擬結果。為了將實驗得到的溫度分布曲線等數值仿真結果進行可視化輸出,在后處理過程中本文采用UDF自定義的形式設計了結果數據自動提取的程序算法。數值仿真模擬過程如圖2所示。

圖1 甲醇發動機結構優化理論分析和仿真

圖2 仿真模擬計算流程圖

為了實現農用缸內直噴點燃式甲醇發動機的仿真模擬,首先需要建立裝置模型,為了提高仿真計算的效率,可以對模型進行簡化。模型建立完成后需要對網格進行劃分,網格劃分采用結構化六面體或者非結構化四面體網格,在網格上可以設置各種邊界條件,最后設置好各種仿真和迭代計算參數后進行仿真模擬計算,便可以得到各種仿真結果。

3 缸內直噴甲醇發動機燃燒室仿真

為了驗證甲醇缸內直噴技術在農機發動機上應用的可行性,以農用發動機為例,對發動機燃燒室的燃燒情況進行仿真計算,數值仿真模擬實驗項目主要是火焰的燃燒均勻性和火焰傳播長度。發動機結構示意圖如圖3所示。

圖3 發動機結構示意圖

為了降低數值仿真模擬計算的難度,提高計算效率,將發動機模型進行了簡化,簡化后的模型如圖4所示。

圖4 模型簡化和網格劃分示意圖

通過對模型的簡化降低了網格劃分的難度,為了提高仿真模擬的準確性,本次采用結構化四面體網格,通過設置相關參數并迭代計算后可以得到火焰溫度場的分布情況,如圖5所示。

圖5中,不同的顏色代表不同的溫度數值,而顏色和相應的溫度數值在左側一欄顯示。由圖5可以看出,隨著火焰傳播距離的不同,溫度也會發生變化,隨著傳播距離的增加,溫度逐漸降低。為了更直觀地顯示溫度分布,可以采用FLUENT自帶的UDF編程自定義將溫度提取出來,繪制成溫度隨距離變化曲線,如圖6所示。

圖5 火焰傳播溫度分布示意圖

圖6 溫度隨距離變化曲線

由圖6可知:隨著距離的增加,溫度有降低的趨勢,不過采用的是缸內直噴點燃形式,因此火焰的傳播還是較均勻的。為了優化其結構,將直噴管不同長細比等到的火焰分布進行了計算,并將其數據進行了統計,得到了如表1所示的統計結果。

表1 不同長細比模擬結果

對不同長細比直噴管得到的火焰傳播距離進行了計算,結果表明:采用不同的長細比得到的火焰傳播距離有所不同,可以根據農用發動機實際需求,選用合適的長細比。

為了驗證仿真結果的可靠性,通過燃燒室的燃燒實驗對火焰的傳播距離進行了實驗研究,結果如表2所示。實驗結果表明:其得到的火焰傳播距離和仿真得到的距離基本吻合,從而驗證了仿真計算的可靠性。

表2 實驗和仿真結果對比

4 結論

發動機是農機的核心部件,其性能的好壞不僅影響農機的作業效率,對于節能減排也發揮著重要的作用。筆者將甲醇燃料使用在農用發動機上,并采用缸內直噴點燃的形式對其可行性進行了研究。采用數值仿真和建模軟件建立了發動機的簡易模型,并采用甲醇燃料對燃燒室的火焰分布情況進行了數值仿真模擬,得到了不同進氣管長細比情況下火焰的分布規律,為發動機燃燒室結構優化提供了參數依據。缸內直噴點燃式發動機具有較高的燃燒效率,采用燃燒稀薄燃燒的方式可以達到節能減排的目的;而甲醇燃料的采用更能夠降低污染物的排放,對于新型環保型農機的研發具有重要的意義。