喷油提前角对柴油机燃烧特性的影响

（哈尔滨工程大学，哈尔滨150001）

喷油提前角对柴油机燃烧特性的影响

陆瑶，王银燕
（哈尔滨工程大学，哈尔滨150001）

为了研究柴油机在不同喷油提前角下的燃烧特性，采用三维流体数值分析软件AVL FIRE建立了某型柴油机燃烧计算模型。在不同喷油提前角下，对燃烧滞燃期、油气混合程度、温度、燃空当量比、放热率和压力进行分析，得出：随着喷油提前角的增大，滞燃期延长，着火时刻形成的可燃混合气增多，缸内最高燃烧压力和最高温度也随之升高同时放热规律相对更加集中，燃烧初期的放热速率和压力升高比较高。

柴油机喷油提前角燃空当量比温度蒸发率

1 引言

柴油机以其高效、经济、节能等优点，广泛应用于船舶，电站，工程机械中。随着国民经济的发展，人们对柴油机燃烧效率及排放性能的要求也越来越高，这就对柴油机研究方法提出了更精细的要求。随着计算机技术的高速发展，仿真技术在柴油机的开发与性能预测方面应用越来越广泛，采用计算流体动力学（CFD）技术预测缸内气体流动，燃烧以及排放物生成[1]。

本文应用AVL FIRE软件建立了某柴油机的仿真模型，对从进气门关闭到排气门开启整个喷雾燃烧过程进行了三维仿真计算，分析了该型柴油机不同喷油提前角下的燃烧特性，得到了一些通过试验无法直接观测的信息，对优化柴油机燃烧与排放性能有一定的指导作用。

2 数学模型

2.1 基本控制方程

内燃机缸内燃烧过程是包含化学反应的复杂流动过程，其遵循化学反应流体力学的基本控制方程，即质量、组分、动量和能量守恒方程。在直角坐标系下，方程形式如下（以i方向为例）：

（1）连续方程

（2）动量方程

式中，

ρ——流体混合物密度；

P——压力；

ui——方向速度；

gi——重力；

fi——其他阻力；

τij——黏性应力张量。（3）能量方程

式中，

h0——总焓；

ml——组分m在混合物中的质量分数；

Γl——组分l的输运系数；

Γh——组分h的输运系数；

qR——辐射热。

（4）组分方程

式中，

Rl——由于化学反应引起的组分l的产生率。

2.2 燃烧和喷雾模型

燃烧和喷雾模型的选择如表1所示。

表1 计算模型

3 计算模型的建立和验证

3.1 柴油机的基本参数

本文研究对象是一台12缸V型增压中冷柴油机，其基本参数如表2所示。

3.2 几何模型的建立与计算网格的划分

对于柴油机缸内过程的多维数值模拟，因存在活塞的往复运动，采用动网格可以真实地反应柴油机实际工作情况。本次研究采用了FIRE软件中的ESE模块建立燃烧室的动网格。计算采用六面体网格，下止点处网格数为247 112，上止点处网格数为157 760，网格示意图如图1所示。

表2 柴油机基本参数

图1 计算网格

3.3 计算模型验证

通过计算模型的调试，计算得到额定工况下的示功图，并与实测示功图作比较，如图2所示。可见，计算值与试验值吻合较好，说明所选模型与参数设置是合理的。

图2 计算结果与实验值对比

4 不同负荷下燃烧特性分析

4.1 计算工况

本文模拟不同喷油提前角的燃油燃烧特性。选取转速为1 800 r/min，负荷为89%，在相同的喷油持续期下，计算了喷油提前角在-33、-23、-10℃A和0℃A（上止点）4种工况。

4.2 喷油提前角对滞燃期的影响

计算过程从压缩冲程末期燃料开始喷入气缸，直到燃烧终了，燃料全部燃烧形成燃烧产物为止的柴油机的燃烧过程，以形成火焰为界而划分为着火阶段和燃烧阶段。着火始点和滞燃期是影响整个燃烧过程的重要参数，本文滞燃期选择温升滞燃期[2]。

图3为不同喷油提前角下的滞燃期和着火始点。由图可知，滞燃期随着喷油提前角的提前而变长，整体呈半U形曲线。这是因为喷油提前角越大，喷油时缸内的温度和压力越低，反应速率越低，反应时间越长。

图3 不同喷油提前角的滞燃期

图4 为不同喷油提前角时的压力升高率。由图可知，由于滞燃期随喷油提前角的提前而变长，滞燃期越长，滞燃期内喷入燃烧室的燃料就越多，燃油与空气混合时间越长，在着火前形成的可燃混合气就越多，这些燃料在急燃期内几乎同时燃烧，使压力升高率较高（参见图4中提前角-33℃A所对应的曲线）。压力升高率高，在柴油机工作过程中运动件受到强烈的冲击负荷，发动机运转粗暴，影响发动机使用寿命。

图4 不同喷油提前角下的压力升高率

4.3 喷油提前角对油气混合的影响

图5为不同喷油提前角下着火时刻的燃油蒸发率。由图可知，喷油时刻从0℃A提前到-33℃A时，着火时刻燃油蒸发率不断提高，在-33℃A喷油时刻时，燃油蒸发率已经到达80%左右。

图5 不同喷油提前角下的燃油蒸发率

图6 为不同喷油提前角下着火时刻燃油蒸发率分布情况。由图可知，在提前角为-33℃A时，着火时刻的缸内燃油蒸气最多，分布也最广泛，随着喷油时刻的后移，着火时刻的燃油蒸气越来越少。这是因为提前角-33℃A所对应的滞燃期长，滞燃期内喷入燃油较多，燃油蒸发率较高，故在着火时刻已经形成大量的燃油空气混合气，可以预见其缸内温度、压力及NOx生成量都会提高。而在较小的喷油提前角下，大量燃油表现为边燃烧边蒸发扩散。

图6 不同喷油提前角着火时刻燃油蒸发率分布

图7 为不同喷油提前角下索特平均直径随曲轴转角的变化情况。由图可知，在各个喷油提前角下，在喷油初始阶段索特平均直径均存在一个明显的高峰。此后随着燃烧的开始和推进，缸内温度急剧升高，索特平均直径开始大幅降低，其中喷油提前角为-33℃A时，降幅最为剧烈，0℃A最为缓慢。除喷油提前角-33℃A外，其他三种喷油正时在排气阀开启时刻还存在一定直径的燃油粒子，且喷油提前角0℃A时的燃油粒子直径最大。这些未燃的燃油粒子最终随尾气排出，对排放和热效率产生不利影响。

图7 不同喷油提前角下的索特平均直径

4.4 喷油提前角对温度的影响

图8为缸内平均温度曲线。由图可知，在燃烧过程的前期，缸内温度呈现出随着喷油正时的提前而升高的趋势，温度升高将对NOx的排放产生不利影响。

图8 缸内平均温度曲线

4.5 喷油提前角对燃空当量比的影响

图9为不同喷油提前角下，放热率峰值时刻所对应燃空当量比的分布。燃空当量比分布反应了气态燃料浓度分布。由图可知，在放热率峰值时刻，随着喷油时刻的延后，缸内燃空当量比分布范围也越来越广。对于喷油提前角0℃A，出现局部燃空当量比过高的情况，对比0℃A时燃油蒸发率可知，在着火时刻缸内燃油蒸发得最少，故在整个燃烧过程中边燃烧边蒸发，出现了局部燃空当量比过高。而喷油提前角为-33℃A时，由于在着火前大部分燃油已经蒸发，在到达放热率最高时刻燃油蒸气大部分已经燃烧，故虽然燃空当量比分布广泛，但其数值并不高。

图9 不同喷油提前角下放热率峰值时刻燃空当量比的分布

图10 不同喷油提前角下的最高温度分布

对缸内温度分布的分析选用缸内温度最高的时刻。图10为在不同喷油提前角下，对应的缸内最高温度分布。由图可知，随着喷油提前角的增大，缸内温度最高温度时刻缸内高温区域分布越来越广，缸内最高温度也越高。

4.6 喷油提前角对放热率及缸内压力的影响

图11为不同喷油提前角下的缸内压力曲线。由图可知，缸内最大平均压力随着喷油时刻的提前而增大，其中喷油提前角-33℃A的最高燃烧压力最高，达到将近18 MPa。由上文分析可知，随着喷油时刻的提前，滞燃期加长，滞燃期内的燃油蒸发量增加，在着火时刻形成更多的可燃混台气，这些可燃混合气在急燃期内几乎同时燃烧，使最高燃烧压力明显升高。

图11 不同喷油提前角下的缸内压力曲线

图12 为不同喷油提前角的放热率曲线。由图可知，随着喷油时刻的提前，放热率曲线整体前移，同时放热率峰值提高。喷油提前角-33℃A和-23℃A分别在曲轴转角-12℃A和0℃A达到放热率峰值，且放热率曲线包围的面积主要集中在上止点附近，说明这两种喷油正时热效率较高；喷油提前角为-10℃A和0℃A的放热率曲线峰值均推迟到上止点之后，且放热率两个峰值相差无几，这是因为当喷油提前角减小时，参加混合燃烧的燃料越少，放热率第一峰值大为下降，而放热率第二峰值却相应提高，说明在这两种喷油定时下的后燃现象严重，导致热效率较低。

图12 不同喷油提前角的放热率曲线

5 结论

本文建立了某型柴油机缸内燃烧模型，分析了不同喷油提前角对该型柴油机燃烧特性的影响以下结论：随着喷油提前角的增大，滞燃期延长，着火时刻形成的可燃混合气增多，缸内最高燃烧压力和最高温度也随之升高同时放热规律相对更加集中；随着喷油提前角的增大，燃烧初期的放热速率和压力升高比较高，容易引起燃烧噪声和机械负荷的增加。

1李云清.CFD在柴油机燃烧系统开发中的应用[C].AVL用户大会，2008.

2蒋德明.内燃机燃烧与排放学[M].西安：西安交通大学，2001.

Diesel Fuel Injection Timing on Combustion Characteristics

Lu Yao,Wang Yin Yan
（Harbin Engineering University,Harbin 150001,China）

In order to study diesel engine fuel injection timing under different combustion characteristics,three-dimensional computational fluid dynamics software AVL FIRE is use to establish a model of diesel engine combustion.An analysis of ignition delay,degree of air and fuel mixing temperature, fuel-air ratio,heat release rate and pressure is carried out with different fuel injection timing.It results in that the combustible mixture formed at ignition increase with prolonged fuel injection timing ignition,so that the maximum cylinder pressure and temperature increase,the maximum heat release rate more highly concentrates,and the heat release rate and pressure rise at initial combustion are higher.

diesel engine,injection timing,fuel/air ratio,temperature,evaporation rate

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.02.002

来稿日期：2011-01-14

陆瑶（1986-），女，硕士研究生，主要研究方向为内燃机性能、燃烧与排放。