涡流强度对增压柴油机燃烧和排放特性影响的仿真研究

朱道庆 杨慧明 许文燕 丰建军

摘要：文章首先建立了16V132增压柴油机的燃烧系统仿真模型，之后进行了不同涡流强度方案下的整机燃烧过程CFD仿真计算，分析了涡流强度对发动机发电工况下的燃烧特性和排放特性影响规律，最终确定了合适的燃烧过程涡流比，为16V132增压柴油机燃烧系统的匹配设计提供理论指导。

关键词：柴油机;燃烧特性;排放特性;CFD仿真

0  引言

燃烧系统匹配合适的涡流，可以加速燃油与空气的混合，加速了空气向油滴的传热，并增加氧分子与燃油分子的接触面积，从而起到缩短滞燃阶段加速燃烧过程的作用，最终决定整机动力性、经济性和排放性的优劣[1-3]。随着涡流强度的增大，燃烧室内的燃油平均浓度逐渐减小，涡流强度越大，燃油和空气的混合越均匀。因此，为了改善发动机的燃烧过程，提高燃油与空气的混合质量，在直喷式燃烧系统中要组织合适的空气涡流。

文章应用商用CFD模拟软件AVL Fire模块，对16V132增压柴油机的燃烧过程进行三维瞬态仿真计算，确定了合适的涡流比参数，为发动机燃烧系统的匹配设计提供理论指导。

1  发动机参数

16V132柴油机主要应用于发电机组，其主要技术参数见表1。

2  仿真模型的建立

根据16V132柴油机燃烧室结构参数，建立了燃烧系统的三维计算模型。为了减少计算工作量，对CFD模型进行简化处理：省略进气道和排气道;仿真计算从进气门关闭时刻（165°BTDC）开始到排气门打开时刻（-125°BTDC）结束;通过AVL Boost软件对缸内气流运动涡流比进行模拟计算，将计算值对进气门关闭时刻缸内气流运动进行初始化边界输入（见表2）。

由软件自带的Fame Engine Plus对模型进行动网格划分，因为喷油器布置于气缸中心，具有轴对称结构，喷孔均布，所以计算区域取为喷孔数分之一的扇形区域，而该柴油机采用8孔喷油器，因此本次计算采用1/8的扇形区域构建计算模型。所划分的计算网格见图1，整個计算网格包括44380个单元格。

另外，16V132柴油机采用的供油系统是单体泵系统，计算采用模拟的柴油机单体泵喷油规律，如图2所示。在标定点转速时，喷油持续期假设为33°CA。

燃烧过程仿真所采用的物理模型汇总见表3。

为了考察涡流强度对燃烧过程的影响，本次仿真计算将针对8×0.22×150°的喷孔方案进行的，而且在初始涡流比为0.8的基础上又选取了0.5及1.1两个方案。

3  计算结果分析

3.1 涡流强度对燃烧特性的影响

不同涡流强度下的瞬时放热率计算结果见图3。

由图3可知，涡流强度对瞬时放热率影响不明显，初期的放热峰值随涡流强度的增大而增加。为了便于分析，将各涡流强度方案对应放热规律进行参数分解，如表4。

通过分析1500r/min转速下的三种喷孔方案缸内燃烧特征数据可知，涡流强度对燃烧始点、燃烧重心的影响不太明显，整体趋势随涡流强度的增大而前移，燃烧持续期及累积放热量均则随涡流强度的增大而减小。

图4和图5分别为发动机在1500r/min、100%负荷下，缸内燃烧过程的浓度场及温度场仿真计算结果。其中，剖切面为上止点时距活塞顶面5mm的一水平切面。

由缸内浓度场和温度场分布图可知，随涡流强度增加，油束轴向旋转角度增加，过大的涡流导致两油束间的空气占有率降低，相邻油束间空气量的降低一定程度上降低了油气交接处相互的卷吸，从而对空气的有效利用率降低，而适度的涡流会加强燃油与空气的混合，对空气利用率增加。

3.2 涡流强度对排放特性的影响

图6和图7分别为发动机在1500r/min、100%负荷下的NOx和Soot排放的仿真计算结果。

由排放特性计算结果可知，发动机在1500r/min时，涡流比对于排放物的质量分数影响较大。随涡流比的增大，NOx质量分数增加;随着涡流比的增大，Soot质量分数在燃烧初期较小，但在燃烧过程后期则随着涡流比的增大而增大。

4  结论

通过16V132柴油机燃烧系统中不同涡流强度下的燃烧过程仿真计算及分析，可知发动机在发电工况下，适度增大涡流强度可有效改善燃烧过程，但涡流比太大会导致NOx及Soot排放量增加，指示功率有所下降，因此涡流比=0.8（原方案）时缸内燃烧过程组织较好，可以指导后续16V132柴油机燃烧系统的方案设计。

参考文献：

[1]何学良，李疏松.内燃机燃烧学[M]. 北京：机械工业出版社，1990.

[2]周龙保，刘巽俊，高宗英.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3]A.Uludogan， D.E.Foster， and R. D.Reitz. Modeling the Effect of Engine Speed on the Combustion Process and Emissions in a DI Diesel Engine. SAE962056.