喷雾夹角对高功率密度柴油机快速燃烧特性的模拟分析

（中北大学机械与动力工程学院，太原030051）

喷雾夹角对高功率密度柴油机快速燃烧特性的模拟分析

李树宇，续彦芳，刘若凡，杨海涛

（中北大学机械与动力工程学院，太原030051）

为了研究喷雾夹角对某高功率密度单缸机快速燃烧的影响，建立了三种喷雾夹角方案，采用AVL FIRE软件对该单缸机燃烧过程进行了模拟计算，分析了喷雾夹角对喷雾特性以及燃烧性能的影响，仿真结果表明，喷雾夹角主要影响燃油在燃烧室空间的位置及贯穿距，适当增大喷雾夹角，提高了空气利用率，温度场分布均匀，燃油蒸汽分布较好；本机存在喷雾夹角最佳值为155°，使得做功能力接近上止点，燃油消耗率降低了10.7%，燃烧动力性和经济性提升明显。

柴油机高功率喷雾夹角数值模拟

1 前言

高功率密度柴油机是一种新型的柴油机，具有高转速、体积小、质量轻、输出功率大以及升功率高等特点[1,2]。由于柴油机是边喷雾边燃烧的动力机械，在极短的时间和空间尺度内完成，且采用现代高压共轨喷油技术[3,4]，使得缸内喷雾特性变得更加复杂，因此研究喷雾夹角参数对深入研究燃油破碎、雾化、燃烧、碰壁等过程具有重要意义，是进一步改善燃油经济性的关键。

本文采用AVL Fire和Boost软件针对三种喷雾夹角对HPD柴油机燃烧过程进行联合仿真研究，分析了从进气门关闭（245℃A）到排气门打开（465℃A）的过程，为HPD柴油机改进喷油系统参数，匹配气、室提供了依据。

2 喷油参数设计及网格划分

研究是基于一台某单缸直喷式高功率密度柴油机进行模拟的，该柴油机的基本结构参数见表1，设计燃烧室参数并保证压缩比不变的前提下，设置了三组喷雾夹角方案，其中喷雾夹角示意图见图1。为了方便研究，采用的燃烧室模型是呈轴中心对称，且喷油孔为10个，只需要分析计算域的1/10，减少计算工作量。采用Fire软件对该发动机模型进行自动、半自动网格划分，分别得到上、下止点的网格模型，如图2所示。在建立动网格过程中，为防止出现奇点，需要对网格重新构造和细化处理。

表1 高功率密度柴油机主要技术参数

图1 喷雾夹角示意图

图2 上下止点的网格模型

3 初始边界条件及数理模型

以试验数据为基础，采用一维Boost软件进行验证，图3是验证初始边界条件的整机模型。得到的边界条件与试验接近，误差较小，采用一维仿真得到的边界条件是：缸盖底部的温度为473K，活塞头部的温度为573K，气缸壁面的温度为453K，初始温度为333K，初始压力为2.5 MPa，增压比为4，速度边界条件采用湍流壁面函数边界条件，气缸盖和气缸壁作为固定壁面，设置速度为0，活塞顶面随着活塞作往复运动，作为移动边界条件，其速度与活塞运动速度相同。

图3 单缸柴油机一维整机模型

选择数理模型的好坏，对是否符合实际发动机运行状况有着密切的关系。通过仿真验证采用k-zeta-f湍流流动模型，采用Dukowicz雾蒸发模型；采用WAVE液滴破碎模型，验证C2为23，采用Walljetl燃油撞壁模型，采用涡团破碎燃烧模型，验证A为2，考虑了湍动能和耗散率[5,6]。

4 模型验证

基于全负荷、3 600 r/min工况，在循环喷油不变的前提下，得到了如图4的压力试验值与仿真值的对比曲线。可见，仿真压力曲线与试验值趋势规律大致相符合，仿真的最大爆发压力为20.4 MPa，试验最大爆发压力峰值为20 MPa，仿真值对应的曲轴转角与试验大致吻合，相对误差为2%；指示功率试验值为87.7 kW，仿真值为89.3 kW，误差为1.6%。这表明，模型精确度高，所选择的模型参数基本上合理。

图4 缸内压力仿真值与试验值的对比结果

5 结果分析

5.1 速度场分析

图5显示了上止点及上止点10℃A的速度云场分布。在压缩挤流的作用下，气流运动由挤流区域向燃烧室凹坑移动，加速了上止点时的气流运动，其中三种喷雾夹角对应的油束核心的速度分别增大到148.05 m/s、152.47 m/s、142.04 m/s，可见喷雾夹角对前期速度场影响不大，因为不同的喷雾夹角影响空气的阻力和影响气流运动，导致燃油油束贯穿距发生改变，从而对混合气的形成和燃油空间位置的分布有直接的影响。在喷油中后期，由于逆挤流的作用，燃油不断蒸发、雾化和燃烧，会在油束的上下两侧形成气流涡团。随着喷雾夹角的增大，油束上移，使得上部涡流逐渐增大，下部涡流逐渐减少，整个燃烧室空间内的涡流强度得到增强，因此喷雾夹角适当增大有利于增强气流运动。

图5 速度场分布

图6 温度场分布

图7 当量比分布

5.2 温度场分析

从图6可以看出，145°时燃油油束偏向于凸台壁面，高温区域主要在凹坑底部，最高温度为2523.1 K，这也是形成NO的主要位置；165°时的高温区域主要分布在挤流区域，最高温度只有2490.8 K，凹坑底部温度较低，使得soot排放较高；而155°的最高温度为2536.3 K，油束落点位置几乎在燃烧室的中心，有利于上下两侧空气的卷吸率，高温区域覆盖整个燃烧室，温度场分布均匀，说明混合气混合充分，燃烧较好。三种喷雾夹角下的高温区域在上止点之后分布有较大差异，最高温度则相差不大。

5.3 当量比的影响

图7给出了上止点和390℃A时的浓度。在上止点时刻，燃油已经开始燃烧，燃油喷雾本身携带的动能以及缸内的涡流运动使得油束向燃烧室壁面发展，当量比不断升高，由于喷雾夹角的不同，使得当量比在燃烧室内的空间分布呈现显著差异。145°的燃油在喷射过程中偏向于凸台壁面，使得燃油在凹坑底部浓度较高，而此区域也是高温集中的位置，对NO排放形成了有利的条件，由于油束上方空气的利用率较低，因此燃烧不充分，放热量较少；而喷雾夹角的增大，使得燃油底部混合区浓度降低，有利于改善混合气的形成，提高了燃料的利用率，放热量增加，155°时燃油形成了椭圆形的油束核心，增强了与周围气流的交换，燃油蒸汽分布较好；但在390℃A时，过大的喷雾夹角会在燃烧后期在逆挤流的作用下进入挤流区域，这对燃烧也会造成不良的现象。

5.4 喷雾夹角对性能的影响

图8～图11是不同喷雾夹角下的缸内平均压力和温度、放热率以及剩余质量分数的变化曲线图。由图中可见，随着喷雾夹角的增大，温度和压力曲线呈现先升高后降低的趋势，155°和165°对应的放热率曲线区别不大，只是145°在后期扩散燃烧时发生了后燃现象，使得部分放热曲线出现跳动，燃烧不完全，从剩余燃油质量分数可以看出，对应的未燃燃油质量较多。

图8 平均温度对比曲线

图9 平均压力对比曲线

图10 放热率对比曲线

图11 剩余燃油对比曲线

图12 喷雾夹角对功率和燃油消耗率的影响

图12是在3 600 r/min转速下，相同燃烧室参数下不同喷雾夹角对功率和燃油消耗的影响。得到的结果是：随着喷雾夹角的增大，功率基本上呈现出先升高后降低的趋势，而燃油消耗率呈现出逐步降低再升高的趋势。因此，纵观排放情况，针对特定工况条件下存在的最佳的喷雾夹角，在155°能使动力性能不变的前提下，优化方案能减少燃油消耗，达到了降低排放的要求。

6 总结

（1）喷雾夹角影响空气阻力，从而影响喷雾贯穿距以及燃油在燃烧室空间的分布。

喷雾夹角过大时，油束向上偏移，燃油当量比和高温区域在燃烧室中央以及挤流区域，油束偏向凹坑壁面，凹坑底部燃油浓度较高，发生粘附现象严重，高温区域在凹坑底部，这有利于NO排放。而155°时油束两侧气流运动强烈，形成了不同方向的涡团流动，油束在燃烧室的中心位置，增大了油气接触面积，温度场分布均匀，燃油蒸汽分布较好。

（2）随着喷雾夹角的增大，功率和扭矩先升高后降低，而燃油消耗率先降低再升高，匹配燃烧室结构参数，存在一个最佳的喷雾夹角，使得HPD柴油机综合性能得到提高。对于该型HPD柴油机而言，155°是匹配燃烧室参数的最佳喷雾夹角。

[1]张永锋，张郑，赵晓斌等.高功率密度柴油机研究综述[J].农业装备与车辆工程，2011（7）：36-39.

[2]何兵，平涛.大功率柴油机的研究发展[J].柴油机，2003（1）：4-8.

[3]张玉申.高功率密度柴油机及其关键技术[J].车用发动机，2004（3）：5-7，11.

[4]蒋德明.高等内燃机原理[M].西安：西安交通大学出版社，2002.

[5]史春涛，秦德，唐琦等.内燃机燃烧模型的发展现状[J].农业机械学报，2007，38（4）：181-186.

[6]尤国栋，苏铁熊，孙利魏等.柴油机高密度-快速燃烧过程数值模拟[J].兵工学报，2012（12）：1436-1441.

Simulation Analysis of Effects of Spray Angles on Rapid Combustion Characteristics in HPD Diesel Engines

Li Shuyu,Xu Yangfang,Liu Ruofan,Yang Haitao
（North University of China,Taiyuan 030051,China）

To look into effects of spray angles on rapid combustion characteristics in HPD diesel engines,3 spray angle scenarios were built,combustion processes within single-cylinder diesel engines were simulated through the AVL-FIRE software,and effects of different spray angles on both sprayed fuel distribution and combustion characteristics were analyzed.The simulation findings show that spray angles mainly affect positions and penetration distances of the sprayed fuel in the combustion chamber.As spray angle increases,air utilization rate and distributions of both temperature field and fuel vapor will be, correspondingly,improved.At the optimal spray angle of 155°,power capability is close to TDC,and fuel consumption dropped by 10.7%,resulting in considerable improvement in power performance and cost-efficiency.

diesel engine,high power,spray angle,numerical simulation

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.01.001

来稿日期：2016-03-07基金项目：国家自然科学基金项目资助（51275489）

李树宇（1992-），男，硕士研究生，主要研究方向为内燃机CFD数值模拟。