16V240ZA型柴油機多次噴射數值模擬

第 1 期 ( 總第 1 8 8期 ) 2 0 1 5年 O 2月 機 械 工 程 與自 動 化 MECHANI CAL ENGI NE ER1 NG 8 L AUT0MAT1 0N No．1 Fe b ． 文章編號 ： 1 6 7 2 — 6 4 1 3 ( 2 0 1 5 ) 0 1 — 0 0 7 5 ～ 0 2 1 6 V2 4 0 Z A 型柴油機 多次噴射數值模擬 駱葳 ，周 斌 ( 西南交通大學 機械工 程學院 ，四川 成都 6 1 0 0 3 1 ) 摘要 ：利用流體 動力 學軟件 F I RE對機 車柴油機進行缸 內多次噴射燃燒模 擬 通過仿 真計算 ，得 出不 同噴 油 方案下，柴油機各項 性能參數 的計算結果 。研究結果表 明：在 總循環噴油量不 變的情況 下，采用預噴射 噴油 策略比單次噴射在控 制燃燒放熱率 方面有 明顯優勢 ；當預 一主噴 間隔角為 5 。 時 ，能夠在不 惡化碳 煙排放的 同 時降低氮氧化物 的排放。 關鍵詞 ：柴油機 ；多次噴射 ；數值模擬 中圖分 類號 ：T P 3 9 1 ． 7： TK 4 2 文獻標識碼 ：A 0 引言 近年來 ， 電控 燃 油 噴射 系 統 的 出現 為 柴 油機 機 內 凈化帶來了新的變革。其 中， 電控高壓共軌燃油噴射 系統是 內燃機行業公 認 的柴油機 噴油系統 的發展方 向 。該 系 統最 重 要 的特 點 是 實 現 噴 油 規 律 的 靈 活 調 節 ， 利用該技術可以實現缸內燃油的多次噴射 ， 該技術 被認為是在不影響碳煙排放的情況下降低氮氧化物排 放 的有 效手 段 ， 是 滿足 日益 嚴格 排 放法 規 的關 鍵技 術 。 1 計算模型的建立 1 ． 1燃燒 室的三 維模 型 利 用 軟 件F I RE 中 的E S E D i e s e l繪 制 出 1 6 V2 4 0 Z A型柴油機燃燒室模型。由于燃燒室關 于活 塞頂正中央呈對稱分布 ， 因此為簡化計算 ， 只選取 1 ／ 8 的網格繪制 。柴油機結構參數如表 1 所示 。 表 1柴油機結構參數 燃燒室形式 m形 、 開式 缸徑 ( mm) X行程 ( ram) 2 4 0 ×2 6 0 標定轉 速( r ／ rai n ) 1 1 O O 噴孔直徑( mm) 0 ． 4 5 默認 7 2 0 。 C A( C A為 曲軸轉角縮寫， 下 同) 為壓縮 上止點 ， 則活塞下行到 7 8 0 。 C A時的燃燒室 網格模型 如 圖 1所示 。 1 ． 2 燃 燒 模 型 柴油機燃燒模 型采用 C o h e r e n t F l a me Mo d e l 模 型， 此模型通過火焰面密度 的方法來描述火焰 的發展 過程 。火焰 面 密度 的控 制方 程 為 ： 著 + 擊( ) 一 砉( 蕓) = a k ,Y, 一 I9 z ． JD ^ 其中： t 為時間 ； 為火焰面在 方 向上的距 離； a和 為可調整參數 ， 為常數 ； 為未燃 燃油指數 ； k為火焰 延伸率 ； S 為層流燃燒速度 ； 為湍動能施密特數 ； 為空氣密度； lD 幺 為新鮮空氣中的燃油密度； 為湍流 運 動黏 度 。 圖 1 7 8 0 CA 燃 燒 室 網格 模 型 式( 1 ) 中的生成項 a 取決于湍流對火焰 面產生 一 C 的褶皺效應 ； 耗散項 p e s ． O l y , 取決于局部化學反應速 P s - 率以及物質的濃度。式 ( 1 ) 能夠將生成 項和耗散項分 別處理 ， 使得燃燒模型在物理意義上表達更準確 。 1 ． 3 計算模型的邊界條件 計算模型的邊界條件如下 ： ( 1 )渦流強度 ： 渦流強度是平均渦流 比與轉速 的 乘積 ， 計算時平均渦流比為 1 ． 1 ， 轉速為 1 1 0 0 r ／ mi n 。 ( 2 )初 始溫度 和壓力 ： 查 閱《 船 用柴油機設 計手 冊》 得 到壓 縮 始 點初 始 溫 度 為 3 7 2 K， 初 始 壓力 為 0 ． 271 M Pa。 ( 3 )壁 面 邊界 條件 ： 初 始 活 塞 溫 度 為 5 7 3 K， 初 始 氣缸壁溫度為 4 7 3 K， 初始氣缸蓋溫度為 5 7 3 K。 2 模 型正確 性 驗證 ( 1 ) 查 閱《 船 用 柴 油 機 設 計 手 冊 》 ， 得 到 額 定 工 況 下 1 6 V2 4 0 Z A 型柴油機溫度和壓力隨曲軸轉 角的變化曲 收稿 日期 ：2 0 1 4 — 0 4 — 2 2 ；修訂 日期：2 0 1 4 — 1 1 — 1 0 作 者簡介 ：駱葳 ( 1 9 8 8 一 ) ，男 ，江蘇泰州人 ，在讀碩 士研 究生 ，主要從事 內燃機的研究 。 · 76 · 機 械 工 程 與 自 動 化 2 0 1 5年 第 1期 線 ， 如 圖 2所示 。 87 3 - 田 r 、 ＼／ 溫度 4 7 3 - 壘 1 ＼ ‘ 0 7 3 · 6 7 3 · ／。 曲軸轉角／ ( 。) 圖 2 溫度和壓力隨 曲軸轉角 的變化 曲線 經過仿真計 算得到 的 1 6 V2 4 0 Z A型 柴油機 溫度 和壓力隨曲軸轉角的變化曲線如圖 3所示 ( 7 2 0 。 C A為 默認壓縮上止點) ， 其他參數的對 比結果如表 2所示。 1 蠢 1 2 0 ∞ 驀 ＼ 曲軸 轉角 ／ ( 。) 圖 3仿真計算的溫度 和壓 力隨曲軸轉角的變化 曲線 從圖 3和表 2可以看 出， 計算誤差都在 5 以內， 模擬結果與實驗值吻合較好 ， 模型建立正確 。 3 計算 結 果分 析 在 預噴 油量 ( 取循 環 噴油 總 質 量 的 5 ) 一 定 的 情 況 下 ， 預 一主噴 間隔 分別 取 5 。 ， 1 O 。 ， 1 5 。 三 種 工 況 ( 用 符 號 5 D5 、 5 1 3 1 0 、 5 D1 5表 示 ) 的計 算 結 果 如 圖 4 、 圖 5所 ； ； 贈} { 翟1 1 三 一 1 一 舌 《卜 疆 刪 綦 示 ( 7 2 0 。 C A 為默認 壓 縮上 止點 ) 。 表 2 原機數據 與模 擬值 對比 參數 原機數據 模 擬值 誤差( ) 有效功率 ( k W) 1 6 5 ． 5 1 6 7 ． 6 1 ． 2 8 比油耗( g ／ k W ·h ) 2 1 3 2 1 8 ． 6 2 ． 6 有效壓力 ( MP a ) 0 ． 1 5 3 0 ． 1 5 4 0 ． 9 8 從 圖 4 、 圖 5中可 以看 出 ， 較小 的預 一 主 噴 間隔 可 降低最高燃燒溫度 ， 單次噴射的放熱率具有一個較大 的尖峰， 此尖峰對應單 噴預? 昆燃燒 。預 一主噴 間隔角 為 5 。 時 ， 預 噴燃 油在 7 0 8 。 C A下 放熱 較 快 ， 這 是 由 于在 預噴射初期， 燃燒室內溫度 、 壓力較高 ， 預噴燃油噴入 燃燒 室時 產生 了燃 燒 放 熱 反應 ， 造 成 在 預 噴射 期 間放 熱率較高 ； 預一主噴間隔角為 1