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直喷式柴油机准维现象学多区喷雾燃烧模型

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第35卷第2期2001年3月浙 江 大 学 学 报 (工学版)JournalofZhejiangUniversity (EngineeringScience)Vol.35№.2Mar.2001

收稿日期:19992052

15基金项目

:天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室开放基金资助项目(96001)作者简介:严兆大(1937-),男,江苏武进人,浙江大学教授,从事内燃机燃烧过程数学模型的研究Λ直喷式柴油机准维现象学多区喷雾燃烧模型

严兆大1,赵洛伟1,芮　阳1,张镇顺2

(11浙江大学能源工程学系,浙江杭州310027;21香港理工大学机械工程学系,香港)

摘　要:以燃料与空气分布状态控制可燃混合气的形成和燃烧过程为基本思路,建立直喷式柴油机准维现象学多区喷雾燃烧模型及碳粒预测子模型,较好地预测了柴油机火焰温度和碳粒浓度,为柴油机气缸内热辐射研究提供一定的依据Λ关键词:喷雾燃烧;火焰温度;碳粒浓度中图分类号:TK401;TK421+.2 文献标识码:A 文章编号:10082973X(2001)0220119205

燃油的喷射、雾化、蒸发及其与空气的混合对柴油机的燃烧和排放有至关重要的作用Λ由于气

缸内宏观的流动,如旋流、滚流,以及微观的湍流脉动等,对喷雾过程都有显著的影响,因而喷雾的

数值模拟是一个难题Λ本文以喷雾场特性为基础,建立工程中较为实用的准维现象学多区燃烧模型

及碳粒浓度预测子模型[1],目的在于预测燃烧室内火焰温度和碳粒浓度的变化规律,以此作为气缸内热辐射研究的基础Λ

1　模型的物理描述

在接近压缩冲程末了,伴随着液体燃料喷入燃烧室,卷吸的空气使微元燃料迅速加热、雾化、蒸

发,一旦燃油蒸汽与空气形成可燃混合气并经历着火迟后,在喷雾边缘首先达到理想混合比而着火

燃烧、释放热量,使微小单元温度急剧升高、体积迅速膨胀,并挤压相邻单元Λ温度的升高加大了剩

余燃料的蒸发速度,新蒸发的燃油蒸气和卷入的空气再次混合,燃烧继续发生,如此连锁进行,使整

个燃烧室内压力和温度迅速升高,直至燃烧结束Λ

上面所描述的柴油机燃烧主要受控于燃料与空气的混合质量和速度,而混合质量和速度又受

到喷雾特性的影响Λ由此就形成了多区喷雾燃烧模型的基本思想,按喷雾中燃料浓度分布的物理和

几何特征现象,将喷雾分区构造了喷雾混合、燃烧、传热和碳粒排放四个子模型Λ然后根据工质的质

量守恒、能量守恒,并以各区容积等为约束条件,建立子模型间的联系,以综合描述整个燃烧过程Λ

图1是开始着火时刻燃烧室内喷雾区域划分的示意图ΛA为喷雾外围空气区,C为喷雾核心

区,两个不同燃油空气混合比的可燃混合区为B1和B2ΛB1区与C区是以富油极限为界限,B2区和

A区是以贫油极限为界限,模型假设B区中混合气为均质Λ在喷雾过程中A区中空气不断卷吸入

B区和C区,C区中可燃混合气将进入B区,在B区以理想混合比进行着火燃烧Λ碳粒主要产生在富油区边界层以及燃烧化学反应的B区Λ

2　准维现象学多区喷雾燃烧模型

2.1　喷雾混合计算假设通过喷嘴的流动为准稳态、一维不可压缩流动,喷雾体呈对称Λ其喷雾中燃料分布规律如

图2所示Λ

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图1　喷雾燃烧区域划分示意图Fig.1　Divisionofzonesinafuelsp

ray图2　喷雾中燃料浓度分布简图Fig.2　Distributionofconcentrationoffuelinthespray 沿x轴方向,

Cx(x,o,t)=1󰃗[1+Φ(t)x],o

0,x>xt,(1)

式(1)中,xt为喷雾体前端贯穿距离,可由式(3)确定;Φ(t)为瞬态参数Ζ沿宽度y方向,

C(x,y,t)󰃗Cx(x,o,t)=1-(y󰃗b)1.5,(2)

式(2)中,b为喷雾宽度的1󰃗2Ζ

喷雾贯穿距和锥角Η可按shahed公式计算:

x=450dn0.5(Θf󰃗Θd)0.41+(Θa󰃗Θo)(Θa󰃗Θo)0.5∃p0.25t0.6,(3)

式(3)中,dn为喷嘴直径;∃p为通过喷嘴的压力降;Θf,Θd,Θa,Θo分别为燃料、参照柴油、燃烧室内气体及大气的密度Ζ

tgΗ=dydx=0.121+ΘaΘj,(4)式(4)中,Θj为喷雾的密度Ζ为求得喷雾中燃料浓度分布必须求取Φ(t),可由在t时刻内喷雾体中燃油总量的关系来求得.

∫t0dGfdtdt=2Πen∫xt0∫b

oCΘjydy󰃖dx,(5)

式(5)中,en为喷油器喷孔数;dGf󰃗dt为喷油率Ζ对式(5)进行数值选代可求得Φ(t),喷雾中燃料浓度分布也随之确定Ζ

2.2　各区燃料和空气质量变化率各区质量守恒

C区:dGCdt=dGfdt+dGaCdt-dGB∃dt;(6)

A区:dGAdt=-dGaCdt-∑2

i=1dGaBidt;(7)

B区:

∑2

i=1dGBidt=dGB∃dt+∑2

i=1dGaBidt.(8)

式(

6)～(8)中,下标f指燃料,a指空气,A,B,C分别指三个区域;GB∃为C区形成并随之进入Bi(i=1,2)区的可燃混合气Ζ将(6)～(8)式相加,得到质量变化率控制方程:

dGfdt=dGCdt+dGAdt+∑2

i=1dGBidt.(9)

各区燃料和空气质量变化率的计算主要为燃烧和放热计算作准备Ζ

2.3　燃烧和放热计算各区能量守恒021浙　江　大　学　学　报(工学版) 2001年　

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.netC区:

d(GCEC)dt=-pdVCdt+dQCdt+dGfdtHf+dGaCdtHa-dGB∃dtHm;(10)

A区:

d(GAEA)dt=pdVAdt+dQAdt-dGadtHa;(11)

B区:d(GBiEBl)dt=-pdVBidt+dQBidt+dGaBidtHa+dGB∃dtHmΖ(12)

式(10)～(12)中,EA、EBi、EC,VA、VBi、VC,QA、QBi、QC分别为A、B、C区工质的内能、容积和传热量;

GaBi,GaC分别为卷入B区及C区的空气量;p为燃烧室工质瞬时压力;Gf为燃油量;Ha,Hf,Hm分别

为空气、燃料及混合气的热焓Ζ

模型假设总热量变化率按工质温度和质量成比例在各区分配,因而各区放热率为

dQAdt=GATAMdQdt,dQBidt=GBiTBiMdQdt,dQCdt=GCTCMdQdt,(14)

式(14)中,M=∑2

i=1GBiTBi+GATA+GCTC,dQ󰃗dt为工质总热量变化率,TA,TBi,TC为各区温度Ζ

由式(10)～(14),加上各区状态方程和容积约束条件VA+∑2

i=1VBi+VC=V,就可以求解出

各区的工质温度、容积、压力等参数Ζ

2.4　燃气温度及燃烧产物模型定义燃气温度为各区工质温度的权重温度:

Tf=GCTC+∑2

i=1GBiTBi+GATA

GC+∑2

i=1GBi+GA.(15)

燃烧产物只是在B区生成,可以通过在理论当量比条件下燃烧,算出10种燃烧产物的组分和

相应的各组分的平衡参数[2],如各组分的分压PO2,PH2O等Ζ

3　碳粒预测子模型

模型认为喷雾燃烧着火后,喷雾温度迅速升高,喷嘴附近燃油核心区(C区)的燃油因卷入空气量不足,高温缺氧而裂解脱氢,形成了以碳为主要成分的固态碳核,它由高碳高分子烃类或碳粒组

成Ζ随着扩散燃烧的进行,燃油核心区裂解出的碳粒,始终处于缺氧状态而成为碳粒形成的主要区域Ζ而对燃烧混合区B1,B2,因A区空气卷入,使得这两个区域中的部分碳粒进一步氧化,因而这两

个区域中净碳粒量将是碳粒形成量和氧化量之差值Ζ

描述碳粒形成机理是较为复杂的,工程计算中一般采用一些符合所研究机型的碳粒生成和氧

化的经验公式Ζ本模型中选择适用本文研究对象G4135直喷柴油机的Hiroyuki的经验公式:

dmsCdΥ=AfGfCp0.5Cexp-EffRTC,(16)

式(16)中,Af为实验常数;GfC为C区中燃料质量;TC,pC为C区工质的温度和分压;Υ为曲轴转角;

msC为C区生成碳粒质量;Eff=5.23×104J󰃗molΖ

B1,B2区采用Morel等提出的经验公式[3]Ζ

碳粒形成量变化率:

dmsfidΥ=A1Mfexp-A2TB

i󰃗(1+4.76YO2)2;(17)

碳粒氧化量变化率:121　第2期严兆大,等:直喷式柴油机准维现象学多区喷雾燃烧模型

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.netdmscidΥ=-B1msi󰃗(Θsds)exp-B2TBiP1󰃗2O2,(18)

式(17)和式(18)中,Mf为燃油燃烧率;YO2为燃烧区中氧气的摩尔百分比;PO2为氧气分压;msi为Bi区中碳粒质量;Θs,ds为碳粒密度和直径;B1,B2为实验常数,A1=0.38,A2=5000Ζ

B区中碳粒生成量为

dmsidΥ=dmsfidΥ-dmscidΥ.(19)

4　模型预测结果与分析

本文研究对象为G4135直喷式柴油机,其技术参数:D×S=135mm×140mm,Pe󰃗n=30

kw󰃗(1500r󰃗min),Ε=16.5,喷油器喷孔数×孔径=4mm×0.35mmΖ

4.1　火焰温度本文引用了光纤多色法测量G4135柴油机气缸内火焰温度和碳粒浓度的结果[4],图3为A,

B,C三个区的火焰温度曲线Λ因缸盖上仅布置一个测点,靠喷油器转动来测取三个区域的参数,图

3中A区实际上是处在A区和B区的边缘,可燃混合气因该处有充足的氧气,而最先着火使温度升高(约3～4°CAATDC),但温度较低Λ而B区由于混合气较浓,虽然温升迟于A区,但温度值最高ΛC区为燃油喷注区,因燃烧迟后及未燃油滴吸收热量,所以温度低于B区Λ图4为本文模型预

测的结果,不难看出,各区温度值和变化趋向与实验结果十分相近Λ

图3　实验所测得的不同区域的火焰温度Fig.

3　Experimentalzonalflametemperature图4　由模型计算的各区温度Fig.4　Simulatedzonalflametemperature4.2　碳粒浓度图5为实验所得各区的碳粒浓度曲线Λ由图可见,C区碳粒浓度早在8°CAATDC左右就上

升,且浓度最大Λ这是因为该区为燃油核心区,燃油密度大、油滴粗、卷入空气量少,由前述实验和计算结果表明火焰温度率先上升,因而造成燃油核心区的边缘高温缺氧,大量碳粒生成,致使C区的

图5　实验所测得的不同区域的碳粒浓度Fig.5

　Experimentalzonalsootconcentration图6　模型计算各区的碳粒浓度Fig.6　Simulatedzonalsootconcentration221浙　江　大　学　学　报(工学版) 2001年　

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缸内直喷发动机快速起动首循环喷雾的数值模拟

缸内直喷发动机快速起动首循环喷雾的数值模拟

缸内直喷发动机快速起动首循环喷雾的数值模拟

韩立伟;洪伟;高定伟;苏岩;谢方喜

【摘 要】基于某缸内直喷（GDI）发动机建立了三维模拟平台，并对喷雾模型进行了验证，进而对GDI发动机起动时第2缸的喷雾和混合气形成进行了数值模拟，分析了不同喷油策略下压缩上止点时混合气的空燃比分布和着火情况，并与试验结果进行了对比分析。研究结果表明：喷油时刻距离上止点相对较远或者在上止点附近时，混合气在压缩上止点倾向于自燃；若混合气偏稀，即使喷油时刻在距离上止点相对中间的位置时，混合气仍倾向于自燃。通过试验结合数值模拟的方法，分析并指出了第2缸在不同喷油策略下发生自燃、可以点燃和失火的区域。%The 3D

simulation platform for a gasoline direct injection (GDI) engine was

established ,the spray model was veri-fied ,and the spray and gas mixture

formation of the second cylinder during engine start was simulated .The

air-fuel ratio and ignition condition at top dead centre (TDC) under

different injection strategies were analyzed and compared with

experimental results .The results show that the compressed mixture is easy

to ignite spontaneously when the injection timing is relatively far from or is

close to TDC .The lean mixture is still inclined to ignite spontaneously even

217_喷孔锥角对柴油机燃烧过程及排放的影响_70所李研芳

217_喷孔锥角对柴油机燃烧过程及排放的影响_70所李研芳

2011 AVL先进模拟技术中国用户大会论文 喷孔锥角对柴油机燃烧及排放影响的数值模拟

李研芳 文明 李云广 徐春龙 强永平 尹艳君

（中国北方发动机研究所，山西大同 037036）

摘要：应用三维CFD模拟软件FIRE研究了不同喷孔锥角对燃烧过程的影响以及对NOx、碳烟、CO及UHC生成的影响。结果表明：喷孔锥角增加，预混放热更迅速且峰值增加，扩散燃烧的峰值先降低后增加，持续时间依次降低，累积放热量逐渐降低，燃烧效率及热效率均降低。soot及UHC排放增加，NOx排放先增加后降低，CO先减少后增加。 关键词：喷孔锥角，燃烧效率，热效率，排放，CFD 主要软件： AVL FIRE

1. 前言

直喷式柴油机的燃烧过程的好坏主要取决于油、气、室三者之间的相互配合。三者的合理匹配决定燃油与空气的混合均匀程度，并最终决定了柴油机的性能。本文主要就不同的喷孔锥角对柴油机燃烧过程及排放进行了数值模拟研究。探讨了喷孔锥角对柴油机燃烧效率、热效率及排放的影响。

2. 数学模型

AVL·FIRE是基于有限体积法，计算域被网格分成许多控制体，对每个控制体分别求多维N-S方程标量输运方程，方程的数值解反映气流及喷雾的运动，燃油的蒸发、混合及燃烧等一系列物理化学过程。采用simplec算法对流场和其他标量进行解耦。计算中所采用的子模型如表1中所示。 燃烧模型ECFM-3Z是基于火焰面密度输运方程以及能描述非均质湍流预混及扩散燃烧的混合模型，其对燃烧的具体描述见图1。 表1 计算中所采用的子模型 湍流模型 RNG k-ε

喷雾模型 湍流耗散 Enable

壁面模型 Walljet1

蒸发模型 Dukowicz

破碎模型 Wave

燃烧模型 ECFM-3Z模型

NOx生成模型 Zeldovich机理

Soot模型 Kennedy_Hiroyasu_Magnussen

2011 AVL先进模拟技术中国用户大会论文

图1 ECFM-3Z模型

直喷式柴油机燃烧过程的CFD研究

直喷式柴油机燃烧过程的CFD研究

科技信息　。科教前沿ｏ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　２０１１年第３ｌ期　

直喷式柴油机燃烧过程的ＣＦＤ研究　

周斌　

（西昌学院汽车与电子工程学院［￣ＪＩＩ　西昌６１５０１３）　

【摘要】本文应用三维ＣＦＤ仿真软件ＡＶＬ　ＦＩＲＥ对ＣＹ４１０２直喷式柴油机的燃烧过程进行了数值模拟计算。再现了缸内流体的运动过程、　

湍流参数的变化、燃油粒子的空间分布、燃烧过程的进展状况、传热过程以及缸内温度场的分布等，结果表明：随着喷油提前角的增大，滞燃期　

变长，最高平均温度、压力和放热率峰值均增大，且其对应的曲轴转角均有前移趋势，同时氮氧化合物（Ｎ０　）的排放增加，碳烟（ｓＯＯｔ）的排放减低：　燃烧室速度场和柴油浓度场随曲轴转角的变化不明显　

【关键词】柴油机；燃烧；数值模拟；性能　

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ＤＩ　Ｄｉｅｓｅｌ　Ｅｎｇｉｎｅ　

ＺＨｏＵＢｉｎ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　ｏｆ　Ｘｉｃｈａｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉｃｈａｎｇ　Ｓｉｃｈｕａｎ，６１５０１３）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｏｆ　３Ｄ　ＣＦＤ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＡＶＬ　ＦＩＲＥ　ｏｎ　ＣＹ４１０　ｄｉｒｅｃｔ—ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｔｏ　ｄｏ　

ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｔｈｅ　ｆｌｕｉｄ　ｆｌｏｗ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ　ｃｈａｒｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ，ｔｈｅ　ｓｐａｃｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｕｅｌ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ．ｃｏｍｂｕｓｔｉ０ｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｈｅａｔ－ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ：ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｕｅｌ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ａｄｖａｌｉｃｅ　ａｎｇｌｅ．ｔｈｅ　

直喷汽油机多孔喷油器的喷雾三维模拟与试验

直喷汽油机多孔喷油器的喷雾三维模拟与试验

2011 AVL先进模拟技术中国用户大会论文 直喷汽油机多孔喷油器喷雾试验与三维模拟 赵铮、申景倩 （长城汽车股份有限公司，河北保定市） 摘 要：对一款直喷汽油机的多孔喷油器进行了喷雾特性试验研究，得到瞬时喷油规律和纹影喷雾照片。通过CFD方法，应用FIRE软件对不同喷油压力和不同背压下的喷雾过程进行仿真计算。先用同样的喷雾模型计算不同工况，得到结果与试验值有一定误差，再经过修正模型计算不同工况，得到了与试验吻合较好的结果，同时也总结出一些校对喷雾模型时的一些规律。 关键词：喷雾；三维模拟；贯穿距；喷雾规律 主要软件：AVL-FIRE 1. 前言 直喷汽油机相比气道喷射汽油机，从理论上可以降低进气过程中气体的温度，以提高充气效率，另外，汽油在进气、压缩过程中蒸发吸收缸内热量，又能够降低压缩终了油气混合气的温度，对爆震又一定抑制作用。因此，直喷汽油机要比气道喷射汽油机的性能较高，而且油耗相对较低。 汽油在空间散开实现预想空间分布的最快途径是让大量细小油滴从不同方向穿透空气分散在空间各处，然后油滴迅速蒸发，与周围空气实现微观混合，这正是采用汽油喷雾的原因。喷雾能否使汽油机在空间中散开并达到预想的空间分布，取决于油滴的穿透性和运动方向的分散性，即喷雾特性。 应用三维CFD模拟缸内进气喷雾过程目前已经是研究直喷汽油机燃烧系统油气混合过程的基本手段，而喷雾的模拟准确与否直接影响着缸内模拟的结果。本文介绍一款增压直喷的多孔喷油器进行的试验和三维仿真模拟。 2. 喷雾特性研究试验 喷油规律试验 为了研究喷油器在不同喷油脉宽下的喷油瞬时规律，分别进行了脉宽1.5ms和5ms的测试，结果如图1所示。 图1 不同脉宽下的瞬时喷油规律

2011 AVL先进模拟技术中国用户大会论文 喷雾试验 为了得到喷雾形态和贯穿距的规律，进行了定容弹喷雾试验，结果如图2、图3所示。 图2 不同背压不同喷油压力下的喷雾贯穿距 （a）背压0.1MPa （b）背压0.22MPa 图3 不同背压和不同喷油压力下的纹影照片 3.喷雾三维模拟 3.1喷雾模型的建立 三维喷雾模型是由AVL-FIRE建立的，根据试验定容弹容积和形状建立网格模型，对喷雾油束方向的网格进行了细化，如图4为网格模型。初次破碎采用初始粒径分布，二次破碎采用HuhGosman模型，主要调节C3、C4，即调整湍流时间尺度和气动时间尺度的因子来校对喷雾模型，本模型用的C3、C4的值在表1中列出。初始速度根据伯努利方程进行推导，