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燃烧室部件传热时空非均匀性对内燃机工作过程影响的研究

吕继组  
【摘要】: 作为内燃机设计三大组成部分之一的传热过程对内燃机的各种性能都有着至关重要的影响,特别是对工作过程的影响更为突出。因此,研究内燃机传热对工作过程的影响,对准确预测内燃机动力性、排放和缸内过程等都有十分重要的作用。另外,鉴于内燃机数值模拟技术的不断成熟,为了利用数值模拟方法对内燃机传热进行详细预测,需要采用耦合全仿真模拟技术,即将内燃机工作过程、燃烧室部件、冷却系统、润滑系统等耦合起来作为一个整体,进行多维多物理场的模拟计算。本文正是致力于将内燃机全仿真模拟方法应用于实际内燃机传热模拟计算中,进一步推动内燃机模拟仿真技术的发展。通过模拟计算考察燃烧室部件传热对工作过程的影响。 1.利用耦合全仿真模拟思想,建立了缸内工作过程与燃烧室部件、燃烧室部件与冷却系统以及燃烧室部件之间动接触和静接触的耦合传热模型,从而实现燃烧室部件耦合传热的三维稳态和瞬态数值模拟计算,结果表明采用部件耦合法和流固耦合技术对燃烧室固体部件的导热问题进行模拟计算是准确可靠的;稳态耦合传热模拟计算结果显示所有燃烧室部件表面温度分布都呈现极大的空间非均匀性,活塞顶面最大温差为84℃;气缸套在缸内空间范围内壁面沿轴向最大温度差为130℃,周向温度的分布相对来说较为均匀,温差较小,气缸盖火力面范围内温度分布的空间非均匀性最为明显,最大温差为165.1℃;瞬态耦合传热模拟计算结果显示常规金属柴油机在稳定工作状态下,燃烧室部件表面温度随时间的波动幅度小于20℃,深度小于2mm。 2.对柴油机工作过程建立准维数学模型,并利用性能试验验证了整体模型的准确性,且在此基础上考察燃烧室部件传热时间非均匀性对柴油机性能的影响。结果表明燃烧室部件传热时间非均匀性对常规金属柴油机的动力性、经济性和排放的影响十分微小,对传热性能有一定影响,但幅度也小于1%。同时模拟壁面温度变化对柴油机性能的影响,结果显示当温度变化<20℃时,其变化对发动机性能的影响十分微小,可以忽略不计;但温度变化超过100℃以后,其变化对柴油机传热、动力性、经济性和排放的影响显著加剧,特别是对排放的影响,温度变化100℃时,NO_x的生成相差14.9%,碳烟的生成相差16.5%。由此可见,对绝热发动机燃烧室部件壁面循环瞬态温度波动超过100℃时,壁面温度分布的时间非均匀性不能忽略。 3.建立缸内工作过程的多维瞬态数值模拟计算模型,特别是辐射换热模型。通过对比不同壁面流动模型、壁面对流换热模型和辐射换热的模拟计算结果发现,壁面流动模型中复合壁函数法由于是低雷诺数模型和标准壁函数相结合的方法,使缸内多维模拟计算结果更接近于试验值;Han-Reitz模型和标准壁面传热模型比较,其计算结果更接近于试验值:使用DTRM方法对缸内辐射进行计算时,边界单元体壁面特征射线假定数目超过16以后,边界单元体壁面特征射线数量的变化对模拟计算影响极小,可以忽略;燃烧室部件壁面辐射率的变化主要影响壁面辐射热流密度和排放物的生成;辐射换热占柴油机缸内总传热量的30%左右,而活塞传热量占整体热损失的60%左右。进一步利用已经建立的多维数学模型,探讨喷雾提前角对缸内工作过程和传热的影响并进行校验。结果发现不同喷雾提前角状态下缸内压力的预测曲线与试验曲线吻合较好,进一步说明整个缸内工作过程的多维瞬态数值模拟中各种数学模型的准确性和整体模拟计算的真实性;喷雾提前角的加大会造成缸内最高压力、最高温度的提高,进而使缸内壁面换热量增加,从而影响到缸内的燃烧和排放,使NO_x的生成量增加,Soot的生成量降低。 4.在缸内工作过程多维瞬态数值模拟计算校验基础上,利用分区求解、边界耦合法建立了缸内工作过程与燃烧室部件的三维耦合计算模型,从而实现了缸内工作过程与燃烧室部件的耦合三维全仿真模拟计算,以此考察燃烧室部件传热空间非均匀性对缸内传热、流动、喷雾、燃烧和排放的影响,结果表明燃烧室部件壁面温度的空间非均匀分布对传热的影响主要是在压缩过程和膨胀过程后期,由此可推断在进气过程和排气过程中燃烧室部件表面温度分布的非均匀性对传热会有较为明显的影响;燃烧室部件壁面温度的空间非均匀分布对缸内气体流动几乎没有任何影响,缸内流动主要取决于燃烧室部件结构、进气系统部件结构以及喷油嘴结构、喷孔位置和喷射强度等;燃油的雾化效果的计算结果发现,喷雾初期和中期燃烧室部件壁面温度的空间非均匀分布对燃油的雾化有一定影响,主要影响燃烧室底部空间和壁面附近区域,在喷雾后期,此时缸内气体温度主要取决于燃油的燃烧,壁面换热的影响本身就极小,因此壁面温度分布的空间非均匀性对雾化的影响也极小,但辐射传热对燃油雾化效果会产生显著影响,换热量的增加使整体雾化效果下降;喷雾过程燃烧室部件传热空间非均匀性对燃烧产物CO_2的生成会产生一定影响,而燃烧过程后期这种影响逐渐减弱,其对中间产物CO的生成的影响则相反,另外,辐射换热对整个燃烧过程起到至关重要的决定性作用;燃烧室部件传热空间非均匀性影响最明显的是NO_x的生成,对流换热的空间非均匀性主要影响燃烧室壁面附件区域内NO_x的生成,辐射换热的空间非均匀性主要影响整个燃烧室空间内部NO_x的生成,在燃烧室部件壁面附件区域内的影响较小;燃烧室部件传热空间非均匀性对碳烟生成的影响要远远小于对NO_x生成的影响。


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