DM425天然气发动机燃烧室仿真分析.pdf

第3期(总第206期)
车用发动机
No. 3(Serial No 206)
2013年6月
VEHICLE ENGINE
Jun.2013
性能研究?
DM425天然气发动机燃烧室仿真分析
高莹,曹志浩,姜在先2,李书华,葛迪,刘铁刚3
(1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,吉林长春130022;
2.中国重型汽车集田有限公司,山东济南250002;3.卡特彼勒技术研发中心,山东青岛266061)
摘要:为了适应CNG燃料的燃娆,需要増加燃燒室的容积并降低压编比。利用CFD三维仿真方法,针对在重
型柴油机平台上开发的DM425天然气发动机,分别对不同压编比和不同燃烧室碗径条件下的燃烧过程进行了分
析和对比。通过仿真分析,确定DM425天然气发动机的压缩比为11:1、然烧室碗径为85mm是最优设计方案。
关键词:天然气发动机;压缩比;燃烧室;计算流体动力学
DO1:10.3969/j,issn.1001-2222.2013.03.008
中图分类号:TK433.6文献标志码:B文章编号:1001-2222(2013)03-0035-05
随着排放法规的日益严格和石油资源的渐趋匮其压缩比为11:1,碗径为85mm(见图1)。
乏,天然气发动机已经成为研究和开发的热点。
同时,我国能源结构具有富煤、贫油、多气(天然气)
的特点,因此,基于重型柴油机改装的天然气发动机
在我国有广闹的市场前景。发动机的工作核心是燃
烧过程,燃烧室的设计直接影响发动机动力性、经济
性与排放性等关键指标。如果不对原柴油机压缩比
1盆形燃烧室模型
进行改进,当发动机燃烧过程从非均质混合气扩散
1.2网格划分
燃烧变化到均质混合气火焰传播燃烧时会引起
该DM425CNG发动机燃烧室形状是回转体,
爆震。
燃烧室中心线与气缸中心线同轴,几何结构比较简
传统的试验测试需要消耗大量的人力、物力和
单,所以选用CFD软件Fire下的ESE-D模块进行
财力,而日益成熟的CFD( Computational Fluid Dy
网格划分,先对燃烧室回转截面进行2D网格划分,
namics)技术已经成为研究燃烧室燃烧的重要手段,
再通过旋转方式生成3D六面体网格(见图2),能很
本研究利用CFD三维仿真方法,分别对不同压缩比
好地保证网格划分的质量。该机燃料供给系统采
和不同燃烧室碗径条件下的燃烧过程进行了分析和
用国际主流的电控调压器燃料控制系统,在缸外形
对比,从而为DM425燃烧系统的优化提出了指导
成混合气,进气门关闭后缸内空间、气流运动和燃烧
性建议23
情况可视为以气缸中心线为中心对称的,所以取燃
烧室的1/4进行网格划分,以减少计算网格的总数
1几何模型的建立与网格划分
量,缩短仿真计算的时间。
1.1模型的建立
建立准确的燃烧室几何模型是CFD仿真计算
和正确分析燃烧过程的前提和基础。原柴油机
的燃烧室不能适应CNG燃料的需要,盆型燃烧室
能够更好地利用燃烧室内的气流运动,增大火焰传
a燃烧室回转截而2D网格
b径向间截而网格
播速率,不仅经济性好,也易于起动。本研究选用三
维CAD软件Pro-E绘制了盆型燃烧室的几何模型,
图2网格划分
收稿日期;2013-04-01;修回日期:2013-04-28
作者简介:高莹(1972-),女,教授,博士,主要研究方向为汽车动力系统仿真与控制; ying-gao(@vip.sina,com
通讯作者:曹志浩(1988-),男,硕土,主要研究方向为汽车动力系统仿真与控制;caozhi_hao@126.com。
车用发动机
2013年第3期
在对回转截面进行2D网格划分时,平均网格燃烧过程优劣的重要依据。。本研究主要选取了压
尺寸设为0.001m,在保证计算精度的前提下,减少
力场、温度场、火焰面密度和湍动能的计算结果进行
计算网格的总数量。此2D网格旋转90°,这90°扇对比和分析,以提出DM425系列重型CNG发动机
面圆周方向网格划分数设为25。ESE模块会根据燃烧系統的优化方案
发动机的结构参数和3D静网格自动生成随曲轴转
表1压缩比和碗径的参数设定
角变化的动态网格,最终生成的3D网格见图3。
模型编号10.5-85118511.5-85118311-87
压缩比10.5:111:111.5:111:11111
碗径/mm85
85
83
3.1压缩比的优化
在排量确定的条件下,压缩比直接影响活塞运
h RTICOO
行至上止点时燃烧室的容积以及点火时刻缸内混合
图33D动态网格
气的状态。较大的压缩比可以加快火焰传播,提高
2控制参数的设定
发动机的动力性,但是压缩比太大会使燃烧速度过
快、压力升高率过大、缸内燃烧压力过大,导致爆震
由于 CFD-WM的计算是瞬态计算,因此选择燃烧、燃烧过程恶化、发动机振动和磨损严重。选取
曲轴转角表示时间的变化,并定义压缩上止点为编号为10.5-85,1-85和11.5-85的3个计算模型,
360°曲轴转角。由于只关注燃烧室体积、燃烧室形计算后提取缸内火焰面密度、压力场、温度场以及湍
状及涡流比对燃烧过程的影响,所以本研究只对进动能的计算结果进行分析
气门关闭到节气门打开这一高压循环进行计算。根
由图4火焰面密度云图可以看出,火花塞跳火
据进气门关闭推迟角和排气门打开提前角,可以得以后,缸内的混合气并没有立刻燃烧,而是先在火花
出计算的起点为212,终点为489°选取最大功率塞附近形成一个火焰核心,然后火焰锋面呈球状向
转速点附近的1400r/min,100%负荷作为模拟工周围空间辐射。3个模型的燃烧过程都是在上止点
况。DM425发动机采用增压中冷技术和稀薄燃烧后20附近结束,燃烧比较迅速,能够满足动力性的
技术,通过相关试验数据确定了进气门关闭时刻缸要求。压缩比为11.5:1的模型燃烧速度明显大于
内压力为140kPa,温度为420K,天然气与空气混压缩比为10.5:1和11:1的模型,火焰面密度也
合气的当量比为0.67,混合气密度为1.2kg/m3。大ー些
由于天然气燃点高,不能实现柴油机式的压燃火焰面密度/m
299.87
点火,故选用火花塞点燃式点火模型,点火时刻为
10.5-85
l-85
11.5-85
28
BTDC207。一且形成稳定的火焰核心,计算过程
转入燃烧模型。由于CNG以预混合气的方式进行
29987
火焰传播式燃烧,同时缸内呈现剧烈瞬变的湍流流
动,它对火焰的传播、拉伸与熄灭等现象具有决定性
作用,进而极大地影响着火焰传播速度和燃烧速率,
为此选择Fire软件推荐的适用于气体燃烧的
b356°
MCFM模型。
仿真计算与结果分析
通过改变压缩比和碗径来研究这两个因素对缸
内燃烧过程的影响,共设计了5个计算模型,具体参
数设定见表1。
燃烧模型经过 CFD-WN的求解计算得到2D
d380°
和3D的结果,其中缸内平均压力、放热率、压力场、
温度场、速度场、火焰面密度以及湍动能等,是分析