杨志辉 张金花 付艳萍

摘要：本文应用AVL- FIRE软件对某型柴油机的燃烧过程进行模拟计算，比较了两种结构燃烧室在全工况时的燃烧及排放性能，为该型柴油机的燃烧室结构优化提供指导。

Abstract： This article use AVL- FIRE software to simulate the combustion process of a diesel engine，and the combustion and emission performance of two kinds of combustion chambers under full working conditions is compared， which provides guidance for the optimization of the combustion chamber structure of this diesel engine.

关键词：燃烧室;模拟计算;排放性能

Key words： combustion box;simulation calculation;exhaust performance

中图分类号：U464.172                                   文獻标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）16-0065-02

0  引言

柴油机的性能指标与柴油机的燃烧过程密切相关。缸内燃烧过程的好坏，直接影响柴油机的动力性、经济性、排放及噪声等性能。作为柴油机燃烧系统重要组成部分的燃烧室的结构参数对喷射燃油的雾化及油气混合过程有重要影响。优化燃烧室结构，使喷射燃油在燃烧室内雾化充分，油气混合均匀，可以改善燃烧过程，优化柴油机的动力性、经济性、排放性等性能指标。本文运用AVL-FIRE软件对某型柴油机的两种燃烧室结构进行模拟计算，比较两种燃烧室结构在全工况时燃烧及排放性能，为该型柴油机燃烧室结构的优化改进提供指导。

1  数学模型

控制一切流体运动的基本定律是质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，这些方程共同组成纳维尔-斯托克斯控制方程。控制方程就是对这些守恒定律的数学描述，各控制方程可以表示为式（1）的通用形式。

（1）

2  几何模型的建立与网格划分

应用AVL- FIRE软件的柴油机缸内燃烧专用分析模块ESE-DIESEL，能够方便快捷地建立燃烧室的动网格。在ESE-DIESEL分析模块中输入柴油机的基本结构参数、两种活塞燃烧室的剖面参数及喷油器结构参数，形成柴油机的燃烧室的网格划分。

该型柴油机气缸轴线和燃烧室轴线及喷油器轴线完全重合，故为了节约计算时间，计算区域只取中心角为360°/8的扇形体。为了简化计算，本文只分析该型柴油机整个循环的高压循环过程。

3  初始边界条件及计算模型的选取

3.1 初始条件和边界条件

缸内燃烧过程仿真是瞬态计算，初始条件的设置至关重要。在本文中只计算柴油机的高压循环，故初始参数决定了气缸内流体的初始状态。本文设定计算开始时，缸内气体压力、温度处处相等。在本文中，温度和压力的数值采用一维BOOST软件计算后对应时刻（即进气门关闭）的数值，初始温度为100℃，初始压力为3.84Bar，定义了压力和温度后，软件会根据气体状态方程自动更新密度，初始涡流比为0.8，涡流轴线与燃烧室轴线重合，缸内工质与缸壁间存在热量交换。

温度边界采用恒温边界，取气缸盖底部温度、气缸壁温度、活塞顶部温度分别为330℃、290℃、330℃。

补偿容积为建立有限元模型时补偿柴油机的实际压缩比而增加的容积，实际中不存在，所以在分析中设置为热流边界，热流量为零。

速度边界条件设定为：气缸盖和气缸壁静止壁面的速度为零，活塞顶的速度等于活塞运动速度。

3.2 计算模型的选取

本文采用FIRE软件进行仿真计算时，选取的模型参数见表1。

4  燃烧过程多维数值模拟结果分析

在循环供油量和喷油规律不变的情况下，对两种不同的燃烧室结构进行喷雾燃烧仿真分析，对比其对燃烧和排放的影响。

FIRE软件后处理可以提供任意燃烧时刻缸内绝对压力、温度的三维彩色云图，通过对比两种结构燃烧室的压力和温度云图，可形象的反映不同结构燃烧室内压力和温度的差异，为燃烧系统的改进和加强提供理论依据。

FIRE软件除了可以提供三维彩色云图外，还可以提供表示具体数值的二维曲线结果。

图1至图6为两种不同燃烧室在燃烧及排放等性能方面的二维曲线对比。

由图中测量数据可知，采用Ⅰ型燃烧室比Ⅱ型燃烧室，瞬时放热率最大值提高2.4%，平均值提高3.3%;累计燃烧放热量最大值提高3.3%，平均值提高2%;缸压比最大值提高1.9%，平均值提高0.26%;缸温最大值提高0.58%，缸温平均值提高0.74%;NO排放降低5%;soot排放最大值降低15.8%，平均值降低40%。

5  结论

通过对仿真计算结果的分析，可得出以下结论：

①从柴油机燃烧性能来看，Ⅰ型燃烧室无论瞬时放热率和累计放热量均大于Ⅱ型燃烧室，Ⅰ型燃烧室缸内平均压力和缸内平均温度也略高于Ⅱ型燃烧室，故可知Ⅰ型燃烧室燃烧性能优于Ⅱ型燃烧室。

②从排放水平来看，采用Ⅰ型燃烧室NO排放和soot排放均低于Ⅱ型燃烧室，故Ⅰ型燃烧室排放性能优于Ⅱ型燃烧室。

参考文献：

[1]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]AVL FIRE General Gas Phase Reactions Module Manual. AVL LIST GmbH. 2018.

[3]AVL FIRE BOOST Aftertreatment guide.