内燃机燃烧模拟的意义

内燃机燃烧模拟的意义

1、内燃机燃烧模拟的提出：

内燃机己成为现代社会的重要动力设备,是工农业生产和交通运输中应用最广泛的动力机械，它所发出的功率占全世界所有动力装备总功率的50% 以上，消耗的燃料占石油燃料的60% 以上；同时，它也是人类最大的环境污染源之一。因此，从节约能源和保护环境的角度出发，人们对其提出了愈来愈苛刻的要求，既要输出功率大（动力性好），比燃料消耗少（经济性优），又要符合日益严格的排放法规要求(低污染甚至零排放)，新型内燃机代用燃料和燃烧模式应运而生，因而对内燃机燃烧的研究提出了新的挑战。

主要依赖于实验手段和工作经验的传统方法已经不能胜任这一要求，随着计算机技术的发展,借助于计算机仿真技术和实验技术的结合，有可能使燃烧过程研究进一步深入，从而开拓新的技术途径。

随着计算机的进步，计算机仿真技术对内燃机燃烧过程进行仿真研究，对新型内燃机代用燃料和燃烧模式的燃烧机理和特性进行计算机仿真和实验研究有着重要的意义。

2、内燃机燃烧模拟国内外应用现状：

随着计算机硬件和软件的飞速发展，高速CPU、大容量硬盘的不断问世，利用普通计算机进行内燃机缸内过程的三维数值模拟计算成为可能。计算机数值模拟方法可以更好的全面预测内燃机的性能，代替部分发动机试验，在不受时空限制的条件下进行各种变参数研究，指导设计和开发新型燃烧系统发动机，对旧发动机的性能进行优化，还可以降低实验费用，缩短实验时间，节省大量的人力物力，具有很强的生命力和优越性。

以流体力学、传热传质学、化学反应动力学、燃烧理论和计算数学为基础，以高速大容量计算机为主要工具，通过计算手段来探索自然界、工程实际和社会生活中各种燃烧现象的机理，研究各种燃烧系统和装置中燃烧过程的规律和特点，从而实现对各种燃烧现象进行准确的分析和预测。内燃机燃烧数值模拟方法已成为内燃机系统的研究，设计和优化的一个强有力工具，国内外许多研究单位都已开展了这方面的工作，并取得了非常好的效果。

国外在内燃机缸内工作模拟方面的研究开展较早，并开发出了许多商业CFD软件，主要常用的有：RPM、PHOENICS、EPISO、KIVA系列、FIRE、Star一CD、VERTIS、SCRYU、FLUENT、PowerFLOW、CFX一5、SPICE、FIDAP等等，这些程序的差异主要表现在各种描述燃烧和流动过程的物理、化学过程模型的不同有机组合以及采用不同的数值方法上，不同的软件在不同的应用领域有各自的优势。

3、内燃机燃烧模拟建模及仿真过程：

模拟就是“模仿真实世界”，现代又称“仿真”，都是利用模型来分析与研究真实世界，现代模拟或者仿真技术都是在计算机支持下进行的，因此系统仿真也称为计算机仿真。系统仿真有三个基本的活动：系统建模（一次建模）、仿真建模（二次建模）和仿真实验，联系这三个活动的是计算机仿真的三要素：系统、模型和计算机（包括硬件和软件）。

计算机仿真是基于模型的活动。

第一步：数学建摸与形式化。首先要针对实际系统建立其数学模型，根据研究和分析的目的，确定模型的边界，因为任何一个模型都只能反映实际系统的某一部分或某一方面，另一方面，为使模型具有可信度，必须具备对系统的先验知识及必要的试验数据。特别是还必须对模型进行形式化处理，以得到计算机仿真所要求的数学描述。

第二步：仿真建模。即根据系统的特点和仿真的要求选择合适的算法，当采用该算法建立仿真模型时，其计算的稳定性、计算精度和计算速度应能满足仿真的需要。

第三步：程序设计。即将仿真模型用计算机能执行的程序来描述，程序中还要包括仿真实验的要求，如仿真运行参数、控制参数、输出要求等。

第五步:进行仿真实验、处理仿真结果。

依照上述流程，本文对内燃机缸内燃烧过程进行建模、仿真和仿真实验。

4、内燃机燃烧模拟的意义：

燃烧模拟，燃烧的实质是化学反应的流动。对于湍流流的问题，最理想的是DNS，但是不理想也不是主要原因。主要原因是计算量大，尤其是化学流动方面，真实的化学流动不能用一个反应算出来，牵涉到几百个上千个化学反应式，而且目前只有少数的清楚的。另外，湍流和化学反应会相互作用，我们在模拟过程中可以通过离散化，这样可以求解单区反应系统中的过程，通过化学反应速率，牵扯几百个反应，可以知道每一个燃烧位置的变化，实际上并没有考虑到温度和浓度的理想，因此仍然需要实验室标的，如何进行开发燃烧模型标的呢？这个例子是美国国家实验室对三高燃烧的诊断，可以测得燃烧过程中碳烟的生成情况，对模型进行标定，可以进一步预测一氧化碳、温度场、甲醛，这些影响燃烧过程中非常重要的空间产物。

美国做的低温燃烧的情况下，发动机供油及柴油机反应之前，氮氧化物温度升高，碳烟减少，提到一定程度，再往前提会发现进入一种奇怪的现象，这个实际上是模拟这个过程，喷油往后推迟，这种标准是柴油机，这就是为什么柴油机现在扩散燃烧很难避免氮氧化物和碳烟的关系。要尽量避免、进行合理控油的情况，如果再把喷油往后推，可以看到这种燃烧方式，往后推了以后，氮氧化物和碳烟同时降低。这是高压喷射。

汽油机在研究的过程中发现从起到喷射和到缸内喷射，中间还有点燃自燃的燃烧过程。介绍一下这三种燃烧模式。首先研究一下缸内直喷，这是喷雾混合剂形成的，这有喷油器特质，这是喷雾粒子，这个模拟实际上这是一个优化过的实际发动机用的策略，大家可以看到没有用之前发动机出现了低速现象，这种情况往往发生在缸内直喷发动机上，比如说红色的线是正常的，这种超级爆震在火花点火之前发生了这样的现象，产生的危害非常大，振幅可以到一百公斤。做完实验发动机火花电机已经被震断了。可以看到，不仅仅可以排放，而且会产生易燃的情况。通过喷雾角度的变化，通过气流、加强滚流不要打到右边，通过喷嘴的调整，可以做一些优化。最后可以避免因为低速、实际上在所有的都会存在的现象。

压燃这种模拟计算也可以对缸内直喷研究起到很好的作用。这是三维模拟多循环的结果，是模拟结果和实验结果的情况，可以看到是比较好的。排气阶段形成了一个峰，EGR、进气门晚开，着火膨胀、推动排气门活动。这个工作过程模拟出来之后通过实验标，可以研究怎么样控制排放过程，怎么样对实用的方法最大，最容易想到的是湍流循环内调整的，这是燃烧系统、通过实现来实现这种不重叠，这个过程是形成混合器，通过模拟计算可以看到第一次喷射，内部EDR喷射起到加速作用。第二个喷射在进气过程中进行喷射，增加压缩比是喷射的在缸内喷射。我们可以控制，通过调整两次比例，可以获得相应的数据。这是实验的结果，降低20%到25%，接近柴油机，几乎是混合的一条直线。

点燃自燃，燃烧并不一定存在于传播的过程，它们之间还会有点燃自燃的过渡现象，这种现象很难控制，但是怎么样使得这种现象能够成为一种稳定的燃烧模式并对它进行可视化的解析？首先是点火产生火焰传播，然后是周边混合气体大量自燃，最后是全体自燃，解析这个过程，研究中发现，火花点燃和后期自燃可以有效控制燃烧，而且这种燃烧浓度比传统汽油机要好、氮氧化物低、油耗也低。而且可以更容易控制。

可以获取模拟得到的场合、火花点火自燃情况。模拟的温度，可以看到火焰传播，使得自燃情况，二氧化碳、氧气、甲醛的情况，在点燃、自燃的传播过程中，这是氮氧化物和燃烧过程中的变化，氮氧化物在局部还是很低的，总体上更接近，但是使得更加可控。