CNG发动机燃烧过程的CFD模拟计算_图文

1、CNG 发动机燃烧过程的CF D 模拟计算张惠明沈国华(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津300072摘要:应用AVL -F I RE 软件对某CNG 发动机建立工作过程的计算模型,并对燃烧过程进行数值模拟,通过改变模型中的过量空气系数和点火提前角等工作参数对该机性能的影响进行分析,从而为发动机的参数优化匹配提供方向性指导。关键词:CNG 发动机数值模拟过量空气系数点火提前角中图分类号:TK432文献标识码:A 文章编号:1671-0630(200705-0009-03CF D S i m ul a ti ve Ca lcul a ti on of the Co m busti onPro

2、cess for a CNG Eng i n eZhang Hu i m i n g,Shen GuohuaState Key Laborat ory of Engines,Tianjin University (Tianjin 300072Abstract:I n this paper,a numerical si m ulati on of combusti on p r ocess for a CNG engine is carried out by u 2sing the commercial computati onal fluid dyna m ics s oft w are AV

3、L -F I RE .The paper analyzes the capability of the engine by adjusting the coefficient of excess air and s park advance angle,consequently p r ovides the guid 2ance t o op ti m ize and match the para meters of the engine .Keywords:CNG engine,Numerical si m ulati on,Coefficient of excess air,Spark a

4、dvance angle引言天然气是一种真正的清洁燃料,其主要成分为甲烷(含量86%以上。与燃用柴油相比,甲烷的燃烧几乎不产生碳烟;与燃用汽油相比,CO 和HC 等燃烧产物均有大幅度的下降,而且无铅化物生成。研究表明,天然气汽车的排放性能比液化气汽车更优越。天然气还具有成本较低,经济性好的优势,与汽油、柴油相比,单纯燃用CNG 的燃料成本可降低40%以上。在对传统的汽油机和柴油机进行适当的改装后,汽车就可以燃用天然气,从而可大幅度改善汽车的排放性能。发动机工作过程的研究方法主要有实验方法和数值模拟方法。实验方法是理论研究的前提和基础,对发动机研究起着巨大的推动作用,但其研究周期长、成本高,在发

5、动机工作过程特别是燃烧过程的分析中只能提供有限的信息。随着计算机技术的飞速发展及其计算流体力学、计算传热学、化学动力学等基础理论研究的深入,建立一种与发动机工作机理和实验结果相吻合的计算模型成为可能,它可以更好地预测发动机的性能,在短时间内进行广泛的变参数研究,为开发新型发动机和旧发动机性能的提高提供指导。本文主要采用数值模拟方法进行CNG 发动机工作过程的研究。使用AVL -F I RE 软件对某一涡轮增压中冷CNG 火花点火发动机进行三维模拟计算,旨在为发动机的设计、改进提供理论指导。1移动网格的建立本文主要计算燃烧室在气门关闭时间内的工作过程,因此建立的模型包括进气门关闭后的压缩过程、燃

6、烧过程和排气门开启前的膨胀过程这一阶段。作者简介:张惠明(1942-,男,教授,博导。主要从事内燃机燃烧过程、增压技术及排放技术、清洁代用燃料、电控技术的研究。第36卷第5期2007年10月小型内燃机与摩托车S MALL I N TERNAL COMBUSTI O N ENGI N E AND MOT ORCYCLE Vol .36No .5Oct .2007因为没有包括气道和气门,所以模型的建立比较简单。本文研究的发动机进气门关闭时刻为214.5A,排气门开启时刻为472.5A,需要建立移动网格,生成步骤如下:1用PorE软件建立曲轴转角0A(进气上止点的三维CAD模型;2将曲轴转角0A(进

7、气上止点的三维CAD模型存为.stl格式,导入AVL-F I RE中;3截取一个侧面,绘制平面网格,然后经过旋转和拉伸做出180A时刻的体积网格模型;4移动180A时刻的体积网格,并且为了满足网格的质量和精度,在320A时刻进行网格的再分区;5移动再分区后的网格,在340A、360A、380A、400A、540A时刻重复步骤4的过程;6试运行网格的运动,检查网格的制作是否正确,至此移动网格的制作全部完成。2三维模拟的计算模型及初始条件的定义燃烧模型选用涡团破碎模型(Eddy B reak Up Model。初始条件如表1所示。此模型的基本思想是认为预混火焰,湍流燃烧区中的己燃气体和未燃气体都是

8、以大小不等并做随机运动的涡团形式存在,化学反应在这两种涡团的界面上发生。化学反应率取决于未燃气涡团在涡流作用下破碎成更小涡团的速率,而此破碎速率正比于湍流脉动动能和联系起来。一般情况下,涡团破碎模型的公式为:R fu=Cm fum fu,0×1-m fum fu,0式中:mfu,0是燃料的初始浓度,是湍流混合特征时间。表1初始条件名称设定值单位压力184000Pa温度357.15K湍流动能36.75m2/s2湍流长度尺度0.00575m湍流扩散率6366.49m2/s33燃烧过程分析本文利用AVL-F I RE软件对CNG发动机的燃烧过程进行模拟计算,根据不同的过量空气系数和点火提前

9、角进行计算对比,得出了燃烧过程的变化趋势,进而为发动机台架试验提供了方向性指导。3.1过量空气系数混合气浓度对火焰传播特性的影响非常大,典型的慢速燃烧阻止稀燃发动机达到快速稳定的燃烧。对同一种燃料,火焰速度对火焰温度最为敏感,而对气缸压力敏感性就低得多。在相同压缩比和点火定时,火焰温度主要是空燃比的函数,也就是说在相同压缩比和点火定时,影响稀燃火焰传播速度的最主要因素是混合气的过量空气系数。随着过量空气系数的增加,一方面导致混合气的热值减小,另一方面由于燃料混合气过稀,使火焰传播速度降低,燃烧缓慢,排气管后燃严重,排气温度高,散热损失增多,燃烧终了的温度、压力降低,发动机功率下降。放热率能较直

10、观地反映混合气的燃烧速度变化。如图1所示,通过三个不同过量空气系数下放热率计图1过量空气系数对放热量的影响01小型内燃机与摩托车第36卷算的对比,可以看出随着过量空气系数的增加,混合气浓度越来越稀,放热率的最大值越来越小,即混合气燃烧速度随着过量空气系数的加大而减小。3.2点火提前角点火提前角是影响点燃式发动机性能的重要运转因素。点火提前角的大小直接关系到发动机的燃烧过程,从而影响其输出功率、燃料消耗率和燃烧温度。对于发动机每一工况都存在一个最佳点火提前角,使发动机功率最大,燃料消耗率最低。合理的点火提前角不仅可以使发动机动力性提高,还可以提高其经济性。实验研究表明,天然气的着火温度高,火焰发

11、展期长。在同一空燃比范围内,甲烷混合气的层流火焰传播速度比汽油混合气层流火焰传播速度低12%左右,使得CNG发动机火焰发展期和总燃烧阶段明显变长,燃烧峰值偏离上止点,致使气缸内压力、温度上升缓慢,造成指示热效率降低。在转速一定、同一空燃比时,点火提前角是除燃料性质以外影响火焰发展期和主燃烧阶段的重要因素。点火提前角减小,天然气发动机火焰发展期有少量的减少,但主燃烧阶段随着点火提前角的减少而增长。因此,天然气发动机需加大点火提前角,以缩短总燃烧期,使燃烧峰值接近上止点。如图2所示,CNG发动机随着点火提前角的加大,最高燃烧压力提高,压力峰值点向左(靠近上止点的方向推移,与理论分析相一致。点火提前

12、角减小,由于其火焰传播速度慢,会使最高燃烧压力点偏离上止点距离增加,造成后燃现象,排温升高,从而使有效功率减小;反之,若增大点火提前角,可以弥补由于天然气燃料火焰传播速度慢所导致热效率下降的趋势,从而改善发动机缸内的燃烧过程,使其功率增加。4结论天然气的着火温度高,火焰发展期长,使得CNG 发动机火焰发展期和总燃烧阶段明显变长,燃烧峰值偏离上止点,致使气缸内压力、温度上升缓慢,造成指示热效率降低。其中,混合气浓度和点火提前角是影响火焰发展期和主燃烧期的重要因素,本文主要分析了过量空气系数和点火提前角对天然气火焰燃烧的影响。1混合气浓度对火焰传播速度的影响非常大,混合气燃烧速度随着过量空气系数的加大而减小。2随着点火提前角的加大,总燃烧期缩短,燃烧峰值接近上止点,最终使得有效功率增加 。图2点火提前角对对缸内平均压力的影响参考