內燃機燃燒的模擬

balipoyu

2017年5月15日 17:13

內燃機燃燒的模擬

1，內燃機燃燒模擬的提出

內燃機己成為現代社會的重要動力設備,是工農業生產和交通運輸中應用最廣泛的動力機械，它所發出的功率占全世界所有動力裝備總功率的50% 以上，消耗的燃料占石油燃料的60% 以上；同時，它也是人類最大的環境污染源之一。因此，從節約能源和保護環境的角度出發，人們對其提出了愈來愈苛刻的要求，既要輸出功率大（動力性好），比燃料消耗少（經濟性優），又要符合日益嚴格的排放法規要求(低污染甚至零排放)，新型內燃機代用燃料和燃燒模式應運而生，因而對內燃機燃燒的研究提出了新的挑戰。主要依賴于實驗手段和工作經驗的傳統方法已經不能勝任這一要求，隨著計算機技術的發展,借助于計算機仿真技術和實驗技術的結合，有可能使燃燒過程研究進一步深入，從而開拓新的技術途徑。

隨著計算機的進步，計算機仿真技術對內燃機燃燒過程進行仿真研究，對新型內燃機代用燃料和燃燒模式的燃燒機理和特性進行計算機仿真和實驗研究有著重要的意義。

2、內燃機燃燒模擬國內外應用現狀：

隨著計算機硬件和軟件的飛速發展，高速CPU、大容量硬盤的不斷問世，利用普通計算機進行內燃機缸內過程的三維數值模擬計算成為可能。計算機數值模擬方法可以更好的全面預測內燃機的性能，代替部分發動機試驗，在不受時空限制的條件下進行各種變參數研究，指導設計和開發新型燃燒系統發動機，對舊發動機的性能進行優化，還可以降低實驗費用，縮短實驗時間，節省大量的人力物力，具有很強的生命力和優越性。

以流體力學、傳熱傳質學、化學反應動力學、燃燒理論和計算數學為基礎，以高速大容量計算機為主要工具，通過計算手段來探索自然界、工程實際和社會生活中各種燃燒現象的機理，研究各種燃燒系統和裝置中燃燒過程的規律和特點，從而實現對各種燃燒現象進行準確的分析和預測。內燃機燃燒數值模擬方法已成為內燃機系統的研究，設計和優化的一個強有力工具，國內外許多研究單位都已開展了這方面的工作，并取得了非常好的效果。

國外在內燃機缸內工作模擬方面的研究開展較早，并開發出了許多商業CFD軟件，主要常用的有：RPM、PHOENICS、EPISO、KIVA系列、FIRE、Star一CD、VERTIS、SCRYU、FLUENT、PowerFLOW、CFX一5、SPICE、FIDAP等等，這些程序的差異主要表現在各種描述燃燒和流動過程的物理、化學過程模型的不同有機組合以及采用不同的數值方法上，不同的軟件在不同的應用領域有各自的優勢。

3、內燃機燃燒模擬建模及仿真過程：

模擬就是“模仿真實世界”，現代又稱“仿真”，都是利用模型來分析與研究真實世界，現代模擬或者仿真技術都是在計算機支持下進行的，因此系統仿真也稱為計算機仿真。系統仿真有三個基本的活動：系統建模（一次建模）、仿真建模（二次建模）和仿真實驗，聯系這三個活動的是計算機仿真的三要素：系統、模型和計算機（包括硬件和軟件）。

計算機仿真是基于模型的活動。

第一步：數學建摸與形式化。首先要針對實際系統建立其數學模型，根據研究和分析的目的，確定模型的邊界，因為任何一個模型都只能反映實際系統的某一部分或某一方面，另一方面，為使模型具有可信度，必須具備對系統的先驗知識及必要的試驗數據。特別是還必須對模型進行形式化處理，以得到計算機仿真所要求的數學描述。

第二步：仿真建模。即根據系統的特點和仿真的要求選擇合適的算法，當采用該算法建立仿真模型時，其計算的穩定性、計算精度和計算速度應能滿足仿真的需要。

第三步：程序設計。即將仿真模型用計算機能執行的程序來描述，程序中還要包括仿真實驗的要求，如仿真運行參數、控制參數、輸出要求等。

第五步:進行仿真實驗、處理仿真結果。

依照上述流程，本文對內燃機缸內燃燒過程進行建模、仿真和仿真實驗。

4、內燃機燃燒模擬的意義：

燃燒模擬，燃燒的實質是化學反應的流動。對于湍流流動的問題，最理想的是DNS，但是不理想也不是主要原因。主要原因是計算量大，尤其是化學流動方面，真實的化學流動不能用一個反應算出來，牽涉到幾百個上千個化學反應式，而且目前只有少數的清楚的。另外，湍流和化學反應會相互作用，我們在模擬過程中可以通過離散化，這樣可以求解單區反應系統中的過程，通過化學反應速率，牽扯幾百個反應，可以知道每一個燃燒位置的變化，實際上并沒有考慮到溫度和濃度的理想，因此仍然需要實驗室標的，如何進行開發燃燒模型標的呢？這個例子是美國國家實驗室對三高燃燒的診斷，可以測得燃燒過程中碳煙的生成情況，對模型進行標定，可以進一步預測一氧化碳、溫度場、甲醛，這些影響燃燒過程中非常重要的空間產物。

美國做的低溫燃燒的情況下，發動機供油及柴油機反應之前，氮氧化物溫度升高，碳煙減少，提到一定程度，再往前提會發現進入一種奇怪的現象，這個實際上是模擬這個過程，噴油往后推遲，這種標準是柴油機，這就是為什么柴油機現在擴散燃燒很難避免氮氧化物和碳煙的關系。要盡量避免、進行合理控油的情況，如果再把噴油往后推，可以看到這種燃燒方式，往后推了以后，氮氧化物和碳煙同時降低。這是高壓噴射。

汽油機在研究的過程中發現從起到噴射和到缸內噴射，中間還有點燃自燃的燃燒過程。介紹一下這三種燃燒模式。首先研究一下缸內直噴，這是噴霧混合劑形成的，這有噴油器特質，這是噴霧粒子，這個模擬實際上這是一個優化過的實際發動機用的策略，大家可以看到沒有用之前發動機出現了低速現象，這種情況往往發生在缸內直噴發動機上，比如說紅色的線是正常的，這種超級爆震在火花點火之前發生了這樣的現象，產生的危害非常大，振幅可以到一百公斤。做完實驗發動機火花電機已經被震斷了。可以看到，不僅僅可以排放，而且會產生易燃的情況。通過噴霧角度的變化，通過氣流、加強滾流不要打到右邊，通過噴嘴的調整，可以做一些優化。最后可以避免因為低速、實際上在所有的都會存在的現象。

壓燃這種模擬計算也可以對缸內直噴研究起到很好的作用。這是三維模擬多循環的結果，是模擬結果和實驗結果的情況，可以看到是比較好的。排氣階段形成了一個峰，EGR、進氣門晚開，著火膨脹、推動排氣門活動。這個工作過程模擬出來之后通過實驗標，可以研究怎么樣控制排放過程，怎么樣對實用的方法最大，最容易想到的是湍流循環內調整的，這是燃燒系統、通過實現來實現這種不重疊，這個過程是形成混合器，通過模擬計算可以看到第一次噴射，內部EDR噴射起到加速作用。第二個噴射在進氣過程中進行噴射，增加壓縮比是噴射的在缸內噴射。我們可以控制，通過調整兩次比例，可以獲得相應的數據。這是實驗的結果，降低20%到25%，接近柴油機，幾乎是混合的一條直線。

點燃自燃，燃燒并不一定存在于傳播的過程，它們之間還會有點燃自燃的過渡現象，這種現象很難控制，但是怎么樣使得這種現象能夠成為一種穩定的燃燒模式并對它進行可視化的解析？首先是點火產生火焰傳播，然后是周邊混合氣體大量自燃，最后是全體自燃，解析這個過程，研究中發現，火花點燃和后期自燃可以有效控制燃燒，而且這種燃燒濃度比傳統汽油機要好、氮氧化物低、油耗也低。而且可以更容易控制。

可以獲取模擬得到的場合、火花點火自燃情況。模擬的溫度，可以看到火焰傳播，使得自燃情況，二氧化碳、氧氣、甲醛的情況，在點燃、自燃的傳播過程中，這是氮氧化物和燃燒過程中的變化，氮氧化物在局部還是很低的，總體上更接近，但是使得更加可控。

總結：

內燃機燃燒模擬模擬促進了內燃機發展，利用湍流反應，可以實現反應，有潛力的高效排放路線，實現理想排放目標，點燃、自燃、壓燃等高效的模式。具備降低煉油成本、能耗、又可以降低發動機制造成本，在高效燃燒的內燃機方式，有顯著的潛力。內燃機燃燒技術正在不斷進步，創新和節能的空間很大。有很多科學問題，等著我們去研究，探索和發現。