31_喷油器参数对柴油机燃烧特性影响的数值模拟_上内所周苗等

喷油器参数对柴油机燃烧特性影响的数值模拟
周苗，郭天瑞，沈若愚
（上海内燃机研究所，上海 200438）
摘要：应用三维CFD模拟软件FIRE，对一台135柴油机的喷雾与燃烧过程进行了数值模拟。

通过缸内流场分析和浓度分析，研究了喷孔数、喷孔锥角对燃烧过程的影响以及对NO x和碳烟生成的影响。

结果表明，喷孔数和喷孔锥角影响燃油的喷雾质量和油气混合质量，进而影响燃烧过程和排放物的生成；CFD模拟计算对优化喷油器参数，进而改善燃烧系统具有指导意义。

关键词：柴油机；喷孔数；喷孔锥角；燃烧；数值模拟
主要软件：A VL FIRE
传统柴油机的燃烧过程以扩散燃烧为主，其燃烧放热规律和燃油经济性主要取决于燃油的喷射雾化及扩散混合，因此对喷雾质量要求高[1]。

燃油的喷射雾化过程十分复杂，燃油喷入气缸后的油束破裂、油滴碰撞聚合、油滴碰壁、油滴蒸发扩散等过程，都是在极小的时间和空间尺度内完成的[2]。

传统的试验方法很难预测喷雾特性对柴油机燃烧性能的影响，而且花费大、周期长。

多维数值模拟方法可以细致地描绘缸内流场的变化，提供常规试验方法很难获得的结果。

本文应用三维CFD软件A VL FIRE，对不同喷孔数、喷孔锥角条件下的柴油机缸内流动与燃烧过程进行了数值模拟，探讨了喷油器结构参数对柴油机燃烧特性的影响规律，从而喷油器的合理设计与优化提供参考依据。

1. 数学模型
柴油机缸内的气体流动模拟是根据基本的能量守恒定律，对总的混合质量、动量和焓的平均输运方程进行求解而实现的。

考虑到紊流的影响，采用了κ-ε双方程模型（κ是湍流动能，ε是κ的耗散率），它通过求解湍流动能及耗散率的微分输运方程而得出湍流输运系数[3]。

为描述喷油的雾化过程，采用WA VE离散模型。

该模型假设喷射的初始油滴与喷孔出口直径尺寸相同，并且其它分散的小油滴都是由于空气流动促使液-气互相作用而形成的[4]。

燃烧模型采用了涡团破碎模型（Eddy- breakup），该燃烧模型假定在足够精细的流动湍流结构尺度下，一旦组分的混合是以分子量级发生，化学反应在瞬间即可完成。

因为和湍流输运过程相比，化学反应的时间尺度相对很小，所以燃烧的速率是由分子量级的湍流涡旋相互混合的速率即涡的耗散率所决定的[5]。

2. 计算对象及初始条件
本文研究对象为自然吸气式单缸四气门135柴油机。

其主要参数如表1所示。

表1柴油机主要参数
缸径×冲程/mm 135×150
连杆长度/mm 265
压缩比17.5
标定转速/ r·min-11500
标定功率/kW 14.7
考虑到本柴油机燃烧室的轴对称性结构，为减少计算时间，计算区域与喷孔数n 相对应，即选取燃烧室的1/n 。

图2为采用4孔喷油嘴、位于上止点时刻的燃烧室网格模型，其网格数为52050个。

图1 计算模型的网格图
计算从进气门关闭时刻210 ºCA 开始，到排气门打开时刻480 ºCA 结束。

作为计算边界条件，活塞顶部的温度设为523K ，气缸壁和气缸盖底面温度分别设为373K 和423K 。

喷油时刻为上止点前15 ºCA ，喷油持续期为15 ºCA 。

3. 计算结果及分析
3.1 计算模型的验证
为了验证计算模型的有效性，将计算结果与所采集的实际柴油机示功图进行比较。

图2为标定工况下示功图的计算值与试验值比较。

可以看出，计算结果与试验结果基本吻合，说明该计算模型准确可靠。

300
330
360
390
420
450
0123456
7缸内平均压力/M P a
曲轴转角/°CA
试验值 计算值
图2 示功图的计算值和试验值比较
3.2 喷孔数对燃烧特性的影响
在喷油量一定且喷孔总流通面积基本相等的条件下，比较喷孔数对燃烧和排放的影响。

设喷孔锥角保持150°不变，各计算方案如表2所示。

表2 计算方案
方案 孔数×孔径/mm
总流通面积/ mm 2
1 4×0.36 0.407
2 5×0.32 0.402
3 6×0.29 0.396
4 8×0.2
5 0.393 5
10×0.22
0.387
图3显示了各方案在上止点后5 ºCA 时的流场湍流动能、浓度、速度分布计算结果。

视图是以气缸轴线和喷孔轴线所在的面截取而得，可以直观看出：方案1的流场高湍流动能分布最广，在燃烧室的缩口处湍流动能最高，达到210 m 2 /s 2。

但是从浓度分布可以看出，它的油气当量比也是最高的，在燃烧室的深坑处出现了大面积油雾着壁现象，而此处并非最强的湍流中心，这不利于燃油的蒸发和雾化，此处易形成碳烟。

方案2的流场湍流动能最低，
且在燃烧室的侧壁处出现了油雾着壁现象。

方案3的流场湍流动能不是很高，但其中较高的湍流动能分布在燃烧室中心处，这利于提高火焰的传播速度和燃烧速率。

方案3的浓度场分布很均匀，油气当量比最大值为0.52。

基本上没有过浓的混合区域。

方案4、5的流场湍流动能分布相差不大，最高湍流动能均分布在燃烧室的缩口处；两者的浓度场分布较均匀，其中方案4的过浓混合区域较小一些。

从速度分布可以看出，方案1的流场速度最高，方案2的流场速度最低，其它方案介于这两者之间。

方案1
方案2
方案3
方案4
方案5
湍流动能分布 浓度分布 速度分布
图3 湍流动能、浓度、速度分布对比（5 ºCA ATDC ）
图4为各方案计算结果的比较。

从图4（a ）的缸内平均压力计算结果可以看出，随着喷孔数的增加，缸内平均压力不断增加。

这是因为在喷油量一定且喷孔总流通面积基本相等的条件下，喷孔数越多，喷孔直径就越小，则喷雾的液滴直径越小，雾化质量越好，同时着火的燃油增多，压力迅速升高。

同时缸内温度也会上升，导致NO x 生成量增加。

从图4（b ）（c ）可以看出总体趋势：缸内温度越高，NO x 生成量越多。

图4（d ）显示了各方案在480 ºCA 时的碳烟质量分数的对比，结合图3的混合气浓度分布，可以看出由于方案1、2的喷孔数少，喷孔直径过大，导致喷雾贯穿距较大，出现油雾着壁的现象，其碳烟生成质量也较多。

方案3的浓度分布较均匀，过浓混合区域较小，方案4、5的浓度分布与之类似，因此这三个方案的碳烟排放都较少。

另外，注意到方案5的碳烟排放量高于方案4，这是由于过多的喷孔数目导致油束相互干扰和重叠，重叠区域的燃油浓度高，因缺乏足够的空气导致燃油高温裂解形成碳烟。

（a ）平均压力曲线
（b ）平均温度曲线
（c ）NOx 质量分数对比（480 ºCA ） （d ）碳烟质量分数对比（480 ºCA ）
图4 各方案计算结果的比较
综合以上分析，在喷孔总流通面积基本相等的条件下，喷孔数过少，容易导致油雾着壁，碳烟生成较多；喷孔数过多，导致缸内温度较高，而且油束容易发生干扰和重叠，NO x 和碳烟的生成量都较多。

综合考虑柴油机的经济性和排放性，方案3和方案4是比较理想的方案。

3.3 喷孔锥角对燃烧特性的影响
喷孔锥角是柴油机喷雾的一个重要参数，它控制着燃油在气缸中的空间分布，从而影响混合气的浓度分布，对燃烧过程以及排放物生成具有重要的影响。

喷孔锥角α的示意图如图5所示。

本文针对8×0.25喷油嘴，选取了α=140°、150°、160°三种方案进行了模拟计算。

图6为三种方案在不同时刻的缸内气流运动（用流线表示）、浓度分布计算结果。

从图中流线可以看出：在压缩过程中，从挤流区流进燃烧室的气流在燃烧室的深坑处形成涡旋，且三种方案的涡旋强度相差不大。

接近上止点时，三种方案燃烧室内的涡旋强度均迅速衰减。

在上止点处，α=140°的燃烧室内的涡旋已经消失，而α=150°和160°的油束末端附近仍有较强的涡旋，直到370 ºCA 左右，这种涡旋才消失，这有利于提高油气混合质量和燃烧速率。

从浓度场分布可以看出，α=140°和α=150°时，油束落点接近于燃烧室内的气流中心，有利于提高空气的利用率，其中α=150°的浓度场分布更均匀一些。

α=160°时，油束的落点在燃
缸内平均压力/M P a
曲轴转角/°CA
缸内平均温度/K
曲轴转角/°CA
5101520
25
N O x 质量分数/10
-6
方案
0.0
0.10.20.30.40.50.6碳烟质量分数/10
-5
方案
烧室缩口处附近，在365 ºCA时，部分燃油在逆挤流的作用下进入挤流区，会对燃烧过程造成不良影响。

10 ºCA
BTDC
5 ºCA
BTDC
TDC
5 ºCA
ATDC
10 ºCA
ATDC
α=140° α=150° α=160°
图6缸内气流运动、浓度分布对比
图7为不同喷孔锥角计算结果的比较。

从图7（a）的缸内平均压力计算结果可以看出，α=150°时的最高平均压力值最大，说明燃油和空气混合得较好，空气利用率高，燃烧充分，动力性较好。

图7（b）显示了缸内平均温度计算结果，α=150°时的最高平均温度值最大。

一般来说，缸内温度越高，NO x生成量就越多。

但是从图7（c）的480 ºCA时NO x质量分数对比结果可以看出，α=140°的NO x生成量最多，α=150°的NO x生成量次之。

从图6分析得知，上止点后，在三种喷雾锥角中，α=140°的燃烧室内涡旋强度最弱，这不利于提高燃烧速率，造成燃油和富足的氧气在高温下滞留的时间比较长，导致NO x生成量较多。

图7（d）显示了480 ºCA时碳烟质量分数的对比结果，结合图6的流场浓度分布，可以明显看出：α=150°时，浓度场分布比较均匀，过浓混合区域较小，其碳烟生成量也较少。

α=160°时，由于部分燃油进入挤流区，此处温度相对较低，造成燃烧不充分，所以碳烟的排放较高。

综合流场浓度分布、NO x以及碳烟质量分数计算分析结果，本研究选用150°的喷孔锥角是比较理想的。