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