柴油机燃烧室设计.docx

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柴油机燃烧室设计

柴油机燃烧室的设计分析

摘要

此次设计主要在潍柴WP12.480发动机的基础上，对其燃烧室的优化设计。

首先分析了原有发动机燃烧室的设计结构因素，在保持原有压缩比（=17.1）不变的情况下，通过对比燃烧室三组不同缩口直径（d1=71.20mm，d2=74.03mm,d3=75.85mm）对油气混合质量和排放性能的影响。

通过三维建模软件来对1/8个燃烧室进行三维建模，然后导入由AVL公司开发的CFD—FIRE软件之中，根据计算机配置和当前计算条件进行适当网格划分，生成动网格，来模拟计算柴油机从进气门关闭到排气门开启这段时间的燃烧过程，通过对计算结果分析，对压力温度等二维曲线和云图分析，以此确定较为合理的燃烧室形状。

关键词：

燃烧室；三维建模；CFD—FIRE；模拟计算

Dieselenginecombustionchamberdesignandanalysis

Abstract

Thedesignfoucsontheoptimizationofcombustionchamber,whichisbasedontheWP12.480engine.First,analyzedonthechamber’sdesignstructurefactorsoftheoriginalengine,whilemaintainingtheoriginalcompressionratio（=17.1）unchanged,threesetsoftheneckingdiameter（d1=71.20mm,d2=74.03mm,d3=75.85mm）ofchamberaffectthequalityofitsoilandgasmixtureandemissionsperformancebecompared.1/8combustionchamberwasmodeledbyThree-dimensionalmodelingsoftware,andthenimporttheCFD—FIREwhichwasdevelopedbytheAVLcompany.Dependingonthecomputerconfigurationandthecurrentcalculationconditionsforpropermeshing,andthengeneratedthemovingmesh,andsimulateddieselenginefromtheintakevalveclosetotheexhaustvalveopeningtimeofthecombustionprocess.Byanalysingthecalculationresultsandthetwo-dimensionalcurvesofpressureandtemperatureandcloud,amorereasonablecombustionchamberwasdetermined.

Keywords：

combustionchamber;Three-dimensionalmodeling;CFD—FIRE;Simulation

1前言

1.1研究背景

自1882年，德国工程师鲁道夫.迪塞尔根据定压热工循环原理,1896年研制出第一台四冲程压燃式柴油机以来，柴油机随着工业科技的不断发展其性能和用途也在发生着巨大的改变。

柴油机因为有着低油耗、热效率高、经济性好等特点被越来越广泛的人群所接受和使用，无论在车用领域还是非车用领域都有着极其广阔的市场。

现代的调整高性能柴油机由于热效率比汽油机高、污染物排放比汽油机少，作为汽车动力应用日益广泛。

西欧国家不但载货汽车和客车使用柴油机发动机，而且轿车采用柴油机的比例也相当大。

在欧洲，高速轻型直喷式柴油机发展和应用水平很高，不但广泛应用于轻型

商用车/卡车，而且已经广泛应用于轿车，柴油轿车的比例不断增长。

至2005年

末，整个欧洲轿车市场上柴油车辆的比例已经达到49%，2004年末提高了7%，比利时最高达到72%，其次是法国70%，西班牙68%，奥地利66%。

而到2007年末，这个比例又增加到了53.3%。

【1】

但是近年来，随着能源问题和环境问题的日益凸显，对于内燃机的要求越来越高，尤其是在交通运输领域，伴随着人们环保意识的加强以及能源形势的变化，如何提高柴油机的效率、改善柴油机的排放已经越来越受到重视，对柴油机燃烧室结构以及内的流场进行研究是解决这个问题的重要途径。

1.2国内外研究现状及发展趋势

柴油机自诞生以来，其燃烧室形状和结构也在不断发生着变化和完善。

目前在设计柴油机燃烧室这方面，我们做的更多的是如何去优化其燃烧系统。

所谓优化燃烧系统，是指供油系统、进气系统和燃烧室的形状结构的最佳匹配。

若只是单从某一方面看来，无论采用何种强度的涡流、何种程度的高压喷油、何种形式的燃烧室，都不能到达理想的方案。

所以说要三者的最佳配合就是燃烧系统的最优组合。

例如，当喷油压力较低需要借助高强度气流运动来加速油气混合，在重型车用柴油机上，采用较高的喷油压力和较多的喷孔数，可以使进气涡流降低。

中央带凸起的燃烧室气流运动较强，并且可以维持较长时间，这对加速扩散燃烧有利。

中央带凸起的燃烧室燃烧过程急速，主燃期较短，适当延迟供油定时可以在油耗率和烟度变化不大的前提下大幅度降低排放。

目前国外采用内燃机CFD领域的主流软件有KIVA、FIRE、STAT-CD,对柴油机燃烧室内的流场进行模拟计算，分析不同燃烧室形状对流场分布以及对燃烧室涡流强度的影响。

针对不同的发动机运转工况，即不同的转速和负荷同时进行优化，并按照运转工况在欧洲行驶试验循环中的出现率对相应的合理性值进行加权。

通过采用“修改”版的KIVA3V程序模拟每种燃烧室的性能，对遗传学运算法则进行了评估。

按照作为基本型的一种商品化燃烧室几何形状所得的试验数据来调整喷油模型和燃烧模型的参数。

根据发动机的排放水平确定了3种合理性函数，并用一种补偿函数来解释发动机性能。

优化过程的目标是选出一种能使所选定的合理性函数达到最佳折衷的燃烧室。

KIVA程序是由美国LosAlamos国家实验室推出的专门用于内燃机内气体流动、喷雾和燃烧过程模拟的内燃机CFD程序，包括前处理、计算和后处理三大部分，分别完成网络划分、数值计算、数据和图形输出的功能，是目前内燃机CFD领域的主流软件。

【2】

利用公司的软件，对柴油机燃烧室内的流场进行模拟计算，分析不同燃烧室形状对流场分布及对燃烧室涡流强度的影响，同时对柴油机的排放特性进行了对比试验研究。

结果表明，不同燃烧室形状对气体的运动影响明显，通过合理控制燃烧室内的气流运动特性，可有效地改善的排放特性。

目前，国外柴油机为了改善排放，降低烟度和PM排放量，采用底部小平台、顶部缩口的型燃烧室。

1.2.2国内研究现状

国内逐步应用CFD软件进行数值模拟计算，研究不同燃烧室形状对发动机性能的影响。

利用CFD模拟软件FIRE及发动机热力循环模拟软件BOOST对六缸柴油机的工作循环过程及缸内的喷雾与燃烧过程进行了模拟分析，在原型机的仿真计算果与实验值符合较好的前提下，通过对缸内燃油分布的分析，提出了综合考虑燃烧室形状、涡流比及喷孔配置等多因素的最优配置方法。

结果表明，将热力循环模拟和三维燃烧模拟结合起来，既有利于实验验证，又便于对柴油机的缸内工作过程进行深入的分析。

【3】

国内高校采用自制的喷雾燃烧多功能动态可视化试验装置，对柴油机燃烧室几何形状和位置对燃烧过程的影响进行光学法研究。

在自制的可视化装置上，利用高速摄影技术研究燃烧室几何形状和位置对直喷式柴油机燃烧过程的影响。

【4】

应用CFD程序STAR．CD对不同几何形状的燃烧室内燃油雾化、燃烧进行三维数值模拟。

STAR．CD基于有限体积法，将计算区域划分成若干网格，用分裂算子求解压力有隐式算法（PIOS）进行解算，并加入大量物理化学模型对气流运动、燃油雾化、燃烧和排放进行描述，因此在发动机工作过程模拟方面具有极大的优势。

由于气体在缸内的运动复杂，针对其运动剧烈，压缩性高，瞬变性强的特点，选择高雷诺数k．￡湍流模型，燃油雾化采用Huh模型。

Huh模型认为发生在喷嘴孔的湍流在喷射表面产生初始的扰动，通过与周围气体（表面波动增长）产生的相互作用，扰动呈指数级生长，直到扰动作为液滴的形式就从喷射表面分离。

破碎模型采用ReitzJDiwakar模型，由于液滴周围存在不稳定的压力场，较低的压力促使液滴膨胀，最后克服表面张力，造成液滴分解，同时还存在液体被气流从液滴表面剥离的现象，它的不稳定性可以用临界韦伯数来表示。

由于碰撞因素众多，造成液滴碰壁过程十分复杂，可能产生的结果具有多样性，如附着、反弹、飞溅或者破碎并沉积在表面上形成油膜等。

采用的Bai模型可以较好地描述以上各种撞壁现象，精确反映出燃油粒子在壁面附近的各种活动。

点火模型选择shell模型，燃烧模型选择Magnussen等提出的可同时用于预混合燃烧和扩散燃烧的涡破碎模型。

利用AVL公司的FIRE软件对车用柴油机缩口直喷式燃烧室内的气体流动特性进行了数值模拟计算。

结果表明：

采用缩口直喷式燃烧室结构可有效组织燃烧室内的气流运动，并能与喷射系统参数进行优化匹配，在保持动力性和经济性基本不变的条件下有效地改善柴油机的排放特性。

直喷式柴油机的发展趋势是，提高喷油压力；增加喷油器的喷孔数，减少孔径；根据柴油机工况优化喷油定时，使喷油正时不仅随转速而且能随负荷的变化自动调节。

采用分隔式燃烧室，由于火焰高峰温度较低，不利于NOx的生成；碳烟大部分在副燃烧室中产生，进入主燃烧室后，大部分被氧化，有效地减少颗粒和HC排放，分隔式燃烧室比同规格的直喷式燃烧室NOx的排放量低l／3～1／2。

新开发的燃烧系统采用强烈持续的后期扰动，可有效降低碳烟和微粒的排放，几近似于无烟。

这又为进一步采用废气再循环或推迟喷油提前角来降低NOx排放创造了条件。

虽然国内外研究者在多维数值模拟计算内燃机工作过程方面取得了很大的成绩，但仍存在许多问题，如：

三维的计算很不完善，复杂边界的处理很粗糙，对网格处理进行了简化，湍流模型比较简单；计算机速度慢；一系列CFD软件的模拟计算结果经试验验证的不多，并且如何运用这些软件实现逆命题（比方说给出希望达到的气缸内流场，用反求方法得出气道几何形状设计）的研究尚未见报道等等。

1.3本文研究的主要内容

本课题所做的主要工作是查阅柴油机设计相关资料，了解柴油机燃烧室设计的方法，用ProE对柴油机燃烧室进行三维建模，学习AVL—FIRE软件三维移动网格的生成并使用其对柴油机燃烧室燃烧过程进行模拟计算。

最后结合分析各种燃烧室结构特征和气流运动特点以及NO和Soot的排放，确定适合属于柴油机燃烧室的结构类型。

2柴油机燃烧系统

2.1燃烧系统的功用

柴油机燃烧系统是整个发动机的核心部分，也是制造与调节精度最高的部分，其主要功用是及时、优质地为内燃机气缸内提供适量的燃油和空气，以保证缸内混合气形成与燃烧的有效进行。

它对内燃机的主要性能指标如动力性、燃料经济性、排放和噪声以及可靠性、耐久性等都具有十分重要的影响。

2.2燃烧系统的组成

燃烧系统是由燃油喷射系统和气路供给系统组成。

下面对他们分别进行介绍。

2.2.1燃油喷射系统

柴油机的电子控制技术大致可以分为3个阶段：

20世纪70年代的初始研发阶段，此时电控主要用于发电机组用柴油机。

20世纪80年代的实用阶段，发展了多种位置控制式和时间控制式电喷系统，被控量也有原来的一种发展为。

20世纪90年代为成熟阶段，功能更为强大的