车用机械泵柴油机燃烧室优化的仿真研究

1、指导老师：吕林 教授答辩人：祝能2011年全国机动车颗粒排放总量：62.1万吨柴油机颗粒排放较高欧洲重型车用柴油机颗粒排放限值排放法规越来越严格2单因素分析单因素分析 1建立模型建立模型3正交设计正交设计4优化方案验证优化方案验证建立模型1活塞模型燃烧室模型燃烧室特征参数标示图上止点时刻的计算网格缸径（mm）114压缩比16.6冲程（mm）14542.4连杆长度（mm）216湍流长度尺度（m）0.00409缸数6喷射燃油温度（K）350排量（L）8.9喷嘴升入气缸长度（mm）3.5额定功率（kW）250供油提前角（CA）14额定转速（r/min）2200喷油持续期（CA）31额定点油耗（kg/

2、h）55.5喷雾锥角（）144循环喷油量（g）0.1365喷孔数/喷孔直径（mm）7/0.25初始压力（Pa）303000初始温度（K）386蒸发模型Dukowicz破碎模型WAVE湍流扩散模型Enable喷雾碰壁模型Walljet1燃烧模型Coherent Flame ModelNO模型Heywood+Radiation Correction ModelSoot模型Lund Flamelet Model项目项目实验结果实验结果仿真结果仿真结果缸内平均压力峰值缸内平均压力峰值（bar）147.36147.16Soot单点比排放单点比排放（g/kWh）0.550.533仿真结果与实验结果对比Ba

3、seABCDE燃烧室燃烧室Soot（%）质量分数相对原机原燃烧室原燃烧室0.0008770A燃烧室燃烧室0.000776-11.5B燃烧室燃烧室0.000693-21.0C燃烧室燃烧室0.00096510.0D燃烧室燃烧室0.00097611.3E燃烧室燃烧室0.0009649.9喷油持续期喷雾锥角喷孔数/直径喷嘴凸出高度燃油喷射系统缩口比径深比中央凸台结构燃烧室形状2单因素分析喷油持续期喷油持续期（CA）（喷射压力（喷射压力barbar）Soot（%）质量分数相对原机28.14（12501250）0.000477-45.628.78（12001200）0.000531-39.529.47（1

4、1501150）0.000601-31.531.00（10501050）0.0008770不同喷油持续期下的Soot质量分数喷油持续期越短，Soot生成量峰值越低，且Soot氧化速率越快，最终Soot排放越低。不同喷雾锥角下的Soot质量分数喷雾锥角（喷雾锥角（）Soot（%）质量分数相对原机1360.00133852.61400.0009154.31440.00087701480.000855-2.51520.00112227.9对于一个燃烧室，存在一个最佳的喷雾锥角，使其Soot排放最低。目前，原模型燃烧室最佳喷雾锥角在140148范围左右。不同喷孔数下的Soot质量分数喷孔数喷孔数喷孔直

5、径（喷孔直径（mm）Soot（%）质量分数相对原机4/0.3370.00126744.55/0.2990.000837-4.66/0.2710.000773-11.97/0.2500.00087708/0.2330.00111026.6随着喷孔数的增多，燃油的雾化效果更好，混合更充分，Soot排放有所改善，但喷孔数过多，油束的贯穿距离较小，局部混合气过浓，Soot排放反而升高。不同喷嘴凸出高度下的Soot质量分数对于一个燃烧室，存在一个最佳的喷嘴凸出高度，使其Soot排放最低。目前，原模型燃烧室最佳喷嘴凸出高度在2.73.5mm范围左右。喷嘴凸出高度喷嘴凸出高度（mm）Soot（%）质量分数相

6、对原机2.30.00102516.92.70.0008982.43.10.000847-3.43.50.00087703.90.0008861.0缩口比：Rb / Ri径深比：Da / T中央凸台结构：Tm & Dm不同缩口比下的Soot质量分数缩口比缩口比Soot（%）质量分数相对原机0.8210.000786-10.40.8610.000706-19.50.9080.000718-18.10.9590.00087700.9980.0009053.2对于该柴油机的燃油喷射系统，缩口比在0.861左右时可达到最佳匹配，使最终Soot排放较低。径深比径深比Soot（%）质量分数相对原机2.970

7、.0008952.13.170.000856-2.43.370.000794-9.53.610.00087703.810.000867-1.1不同径深比下的Soot质量分数对于该柴油机的燃油喷射系统，径深比在3.37左右时可达到最佳匹配，使最终Soot排放较低。不同中央凸台结构下的Soot质量分数对于该柴油机的燃油喷射系统，中央凸台深度在9.15mm左右时可达到最佳匹配，使最终Soot排放较低。中央凸台结构中央凸台结构Soot（%）质量分数相对原机7.15/4.80.000849-3.28.15/9.40.00087709.15/14.650.000784-10.610.15/21.020.0

8、00850-3.13正交设计因素因素ABCDEFG水平水平喷油持续期（CA）喷雾锥角（）喷孔数/直径（mm）喷嘴凸出高度（mm）缩口比径深比中央凸台结构T/D（mm）128.141405/0.2992.70.8213.178.15/9.40228.781446/0.2713.10.8613.379.15/14.65329.471487/0.2503.50.9083.6110.15/21.02仿真结果：Soot排放（相对原机）试验号试验号喷油持续期喷油持续期（CA）喷雾锥角喷雾锥角（）喷孔数喷孔数/直径直径（mm）喷嘴凸出高度喷嘴凸出高度（mm）缩口比缩口比径深比径深比中央凸台结构中央凸台结构T

9、/D（mm）SootSoot质量分质量分数（数（%）6A1B2C2D2E3F1G10.00031628.141446/0.2713.10.9083.178.15/9.418A2B3C1D2E3F3G10.00041128.781485/0.2993.10.9083.618.15/9.422A3B2C1D3E1F1G30.00042729.471445/0.2993.50.8213.1710.15/21.02因素因素ABCDEFGAEBE权重权重0.29 0.10 0.08 0.17 0.03 0.08 0.06 0.09 0.10 A1B2C1D2E2F1G3SootSoot质量分数质量分数（

10、%）喷油持续期喷油持续期（CA）喷雾锥角（）喷孔数/直径（mm）喷嘴凸出高度（mm）缩口比径深比中央凸台结构T/D（mm）28.141445/0.2993.10.8613.1710.15/21.020.000322结果表明，对于Soot排放而言，各因素对其影响的程度由大到小依次为：ADBBEAECFGE，即喷油持续期喷嘴凸出高度喷雾锥角喷雾锥角缩口比喷油持续期缩口比喷孔数/直径径深比中央凸台结构缩口比。4优化方案验证方案方案喷油喷油持续持续期期（CA）喷雾锥角喷雾锥角（）喷孔数喷孔数/ /直径直径（mm）喷嘴喷嘴凸出凸出高度高度（mm）缩口比缩口比径深比径深比中央凸台中央凸台结构结构T/D（m

11、m）Soot质量分数质量分数（%）相对相对原机原机（%）A燃烧室燃烧室试验试验16A2B3C1D2E1F1G20.000528-39.828.781486/0.2713.20.8233.398.15/9.4B燃烧室燃烧室试验试验10A2B1C2D3E1F2G30.000336-61.728.781447/0.2503.50.8613.429.15/13.05原燃烧室原燃烧室试验试验18A2B3C1D2E3F3G10.000411-53.128.781485/0.2993.10.9083.618.15/9.4B燃烧室(No.10)为了验证优化方案的有效性，将该优化方案分别在最大扭矩点、怠速点和E

12、SC13工况中Soot单点比排放较大的点（B75、B100和C100）进行仿真计算。工况点工况点转速转速（rpm）扭矩扭矩（Nm）Soot（g/kWh）原机优化后额定点额定点220010850.5330.198最大扭矩点最大扭矩点140013500.2400.100怠速点怠速点7009050.5200.586B7516209540.2670.138B100162012710.5000.169C100194011700.5780.301优化后Soot排放相对原机降幅可达50%左右。1)应用AVL Fire软件建立柴油机缸内燃烧过程仿真模型，并验证模型的可靠性；2) 基于正交设计方法的极差分析，以Soot质量分数作为评价指标，获得各燃烧系统参数的权重系数，结果表明，喷油持续期对Soot排放影响最大，权重系数为0.29，喷嘴凸出高度次之，权重系数为0.17;3)应用正交设计方法得到燃油系统参数和燃烧室形状参数的多参数优化匹配结果，与原机对比分析，结果表明，优化后Soot排放相对原机降幅可达50%左右。