摘 要

随着环境问题与能源危机的日益凸现，全球范围内的排放法规日益严格，汽车行业不得不想方设法提高柴油机效率，降低柴油机的排放。柴油机燃烧室作为柴油机燃烧系统重要组成部分，如果加以改进，可以大大改善燃烧，降低排放。随着人们追求柴油机的轻量化，高速小缸径柴油机，越来越受欢迎。本文主要内容是对高压喷射条件下，对高速柴油机的小缸径燃烧室进行设计。根据缩口程度和燃烧室凸台处是否有平台导流来进行燃烧室设计，在保持压缩比不变的情况下，设计出了3种不同形状的燃烧室，采用Converge CFD软件对三种不同形状的燃烧室进行燃烧室建模、网格划分、物理化学模型建立、初始条件设定、模拟仿真计算。第一步的仿真针对B型燃烧室设置中压130MPa、中高压160MPa、高压200MPa三种喷油压力，分析验证高压喷射对柴油机燃烧室内混合气体的形成和燃烧有利。第二步设置喷油压力为200MPa，保持其余初始条件不变，对A、B、C三种燃烧室喷雾和燃烧过程进行仿真计算，分析燃烧室形状对柴油机排放和燃烧的影响，选出最佳燃烧室形状。

模拟研究的结果表明，高压喷射时燃油液滴的直径会更小更易于蒸发，蒸发程度的提高可以进一步提高混合气体的质量，使燃烧更加充分，更易形成更优的可燃混合气体，促进了燃烧，进而引起缸内的温度和缸内压力的升高，Soot的排放也会降低，因此高压喷射对直喷式柴油机混合气的形成有利。

对于同一台柴油机的燃烧室，当压缩比不变时，燃烧室的缩口程度越大，产生的湍流强度越大，对混合气的形成有利，而且A型燃烧室的凸起部位有平台，能够进一步引导气流运动从而使气流运动更强烈，燃烧更好，A型燃烧室的Soot排放较低，但NO的排放较高，可以通过延迟喷油的方式来适当降低缸内温度而减少NO的排放，综合分析之后选取A型燃烧室为最优方案作为本次设计的最终方案。

关键词：柴油机；燃烧室；Converge；仿真分析

Abstract

With the environmental problems and the energy crisis becoming increasingly prominent, emissions regulations around the world are increasingly stringent, and the automotive industry has to find ways to increase diesel efficiency and reduce diesel emissions. Diesel engine combustion chamber is an important part of diesel engine combustion system. If it is improved, it can greatly improve combustion and reduce emissions. As people are eager to reduce the weight of diesel engines, high-speed small-piston diesel engines are becoming more and more popular. The main content of this paper is to design the small bore combustion chamber of high speed diesel engine under high pressure injection conditions. Based on the degree of necking and whether there is platform flow at the boss of the combustion chamber for combustion chamber design, three different shapes of combustion chambers were designed with the same compression ratio, using Converge CFD software for three different types of combustion chambers. The shape of the combustion chamber modeling, meshing, physical and chemical model establishment, initial conditions set, simulation and calculation. The first step of the simulation for the B-type combustion chamber set medium pressure 130MPa, medium and high pressure 160MPa, high pressure 200MPa three kinds of injection pressure, analysis and verification of high pressure injection of diesel combustion chamber combustion mixture formation and combustion beneficial. The second step is to set the injection pressure to 200 MPa, and keep the other initial conditions unchanged. Simulate the spray and combustion process of the three combustion chambers A, B, and C. Analyze the effect of combustion chamber shape on diesel engine emissions and combustion and choose the most Good combustion chamber shape.

The results of simulation studies show that the diameter of the fuel droplets during high-pressure injection will be smaller and easier to evaporate. The increase in evaporation degree can further improve the quality of the mixed gas, make combustion more fully, and facilitate the formation of a better combustible gas mixture and promote combustion. As a result, the temperature in the cylinder and the pressure in the cylinder increase, and Soot emissions also decrease. Therefore, high-pressure injection is advantageous for the formation of a mixture of direct injection diesel engines.

For the combustion chamber of the same diesel engine, when the compression ratio is constant, the greater the degree of necking of the combustion chamber, the greater the turbulence intensity generated, which is beneficial to the formation of the mixture, and the raised part of the A-type combustion chamber has a platform. The air flow can be further guided so that the air flow moves more strongly and the combustion is better. The Soot emission of the A-type combustion chamber is lower, but the NO emission is higher, and the temperature in the cylinder can be appropriately reduced by delaying the fuel injection method to reduce NO. Emissions, comprehensive analysis after selecting A-type combustion chamber as the optimal solution as the final design of this design.

Key Words: Diesel engine; combustion chamber; Converge; Simulation analysis

目 录

摘 要 III

Abstract IV

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2研究背景和意义 1

1.3 国内外研究现状 1

1.4本文研究的主要内容 2

第2章 燃烧室设计 3

2.1 燃烧室的作用 3

2.2燃烧室的分类 3

2.3 燃烧室形状的设计 4

2.4 本章小结 6

第3章 计算模型的建立 7

3.1 Converge网格技术 7

3.2 物理模型 7

3.2.1喷雾模型 7

3.2.2燃烧模型 8

3.2.3湍流模型 8

3.3 初始条件 8

3.4 本章小结 8

第4章 仿真结果分析 9

4.1 喷油压力对柴油机性能影响 9

4.1.1 喷油压力对柴油机的燃烧的影响 9

4.1.2 喷油压力对柴油机的排放的影响 10

4.2 三种燃烧室仿真结果分析 11

4.2.1 三种燃烧室气体流动分析 11

4.2.2 燃烧室几何形状对缸内压力和温度的影响 12

4.2.3 燃烧室几何形状对排放的影响 15

4.3 本章小结 16

第5章 结论及展望 17

5.1论文结论 17

5.2 工作展望 17

参考文献 18

致 谢 19

第1章 绪论

1.1引言

从柴油机被发明出来就一直受到人们的广泛认可，柴油机有很多优点，比如有较高的热效率，较低的单位功率质量，没有点火系统，因此故障较少易于保养，越来越多的柴油机被用在中小型汽车上。柴油机以柴油为燃料。相比汽油，柴油的蒸发性和流动性较差，因此汽油机可以在气缸外形成可燃混合气，而柴油机的可燃混合气要在气缸内形成。柴油机在气缸内部形成混合气的过程主要如下：在压缩冲程终点之前。燃料经高压喷嘴喷入气缸之内，经过雾化、蒸发和混合等过程，与缸内的空气混合形成可燃混合气，并最终燃烧。柴油机主要为扩散燃烧，燃料与空气混合时间较短，因此会导致缸内局部当量比的不均匀，进而会对后续燃烧过程产生较大的影响。而柴油机的燃烧室的设计对其混合气形成过程有着较大的影响，因此柴油机燃烧室对柴油机非常重要，不可或缺。

1.2研究背景和意义

随着环境问题与能源危机的日益凸现，全球范围内的排放法规日益严格，汽车行业不得不想方设法提高柴油机效率，降低柴油机的排放。燃烧系统的优化对柴油机的性能提升非常重要，而燃烧室的设计，又是燃烧系统设计一个非常重要的部分，可以通过改良燃烧室的形状，提高燃烧室的湍流强度，使柴油和空气混合更充分，从而使燃烧更快进行，使涡流强度更大^[1]。而小缸径柴油机由于其重量比较小，还能降低油耗，所以深受人们的喜欢^[2]，同时，高转速的柴油机能使燃料蒸发后与空气混合更充分^[3]，更易形成可燃混合气体，使燃料更充分燃烧。另一方面，喷油压力的提高也对柴油机的燃烧有利，可以降低排放，提高能源利用率，对环境保护有极大的帮助，因此兼具这些特点的高速小缸径柴油机被选为本文的研究对象。

1.3 国内外研究现状

目前国内外很多学者进行过本设计的相关研究，研究过程使用的内燃机CFD软件例如：Converge、FIRE、STAR-CD等对燃烧室内的喷雾燃烧过程进行模拟仿真计算，进而分析不同喷油压力、不同转速及不同燃烧室形状等对发动机燃烧和排放的影响。

国外学者Deshpande^[4]通过CONVERAGE CFD软件对满负荷条件下，四冲程单缸的直喷柴油机在不同喷油正时和不同燃油喷射压力下发动机的燃烧和排放进行仿真分析，研究表明喷油压力增加时发动机的燃油经济性更好，Soot排放更少。杜宪峰^[5]选取了一个高压共轨的直喷式国IV柴油发动机，研究了柴油机喷油压力的变化对柴油机的排放、燃烧性能、燃油经济性和动力性的影响，他们的实验表明随着喷油压力的增加，液滴的直径会减小，雾化程度更优，更能促进缸内燃烧，同时气缸内的温度和压力也会升高，并且NOx的排放升高，Soot排放减小。K.Annamalai^[6]的实验表明，在更高的燃油喷射压力下，气缸内有更好的空气运动，增加了缸内压力峰值和放热率峰值，但增加了NOx的排放。Tao^[7]研究了燃烧室形状对气缸内湍流特性等微观物理场的影响，还研究了燃烧室形状对混合气形成和燃烧的影响。张晶^[8]等人使用FIRE软件仿真研究了某型号直喷式柴油机的喷油压力对燃烧、喷雾、油气混合及排放性能的影响，研究得出的结论是随着喷油压力的升高，喷雾粒子变细，燃油会加速蒸发，促进了油气的混合程度，燃烧的持续时间减少，改善了燃烧，但由于平均的压力升高率会呈线性增长，工作过程的稳定性会有所下降。Yu^[9]研究了混合气体形成对燃烧和排放的影响，他们的研究了靶向喷雾，涡流比和燃烧室几何形状的最佳组合，这个组合会使排放减小到最低，同时也会降低燃料的消耗，为更好的匹配活塞几何形状和喷雾流的几何形状以增强混合气体的形成提供了指导。杨帅^[10]模拟分析了燃烧室不同形状对柴油机排放特性影响，他们通过对两种不同形状燃烧室对柴油机燃烧过程进行仿真模拟计算，得出的结论是缩口大但凹坑浅的燃烧室E1与缩口小但凹坑深的燃烧室E2相比，E1的CO排放比E2高；E1的HC排放比E2低；E1的NOx排放比E2低。Lu^[12]的研究表明燃烧室部件之间的传热空间不均匀性对缸内NOx排放的产生有很大影响。池上真^[13]针对某种直喷式柴油机改变其燃烧室的形状和喷油压力来研究的出了两点结论，第一点为缩口燃烧室相比于浅盆燃烧室能使混合气体更均匀从而有效的减少NOx和微粒的排放，第二点为高压喷射能够通过降低喷孔的面积减小贯穿度从而降低污染物的排放。

1.4本文研究的主要内容

本文选取一台丰田公司生产的，排量为1.34L1ND柴油机^[14]作为原型，根据其发动机参数来设计燃烧室。通过查阅国内外参考文献，了解柴油机燃烧室的分类，选取适合的燃烧室设计方案，设计三种不同形状的燃烧室，并建立所涉及燃烧室的几何模型，通过Converge三维CFD软件对燃料在这三种不同燃烧室的燃烧过程进行仿真分析。对比仿真结果，从而得出较优的燃烧室形状。选取其中一个燃烧室，分析其在不同喷油压力下的排放和燃烧，验证高压喷射对本文燃烧室的设计更有利。

第2章 燃烧室设计

2.1 燃烧室的作用

燃烧室的主要功能是让空气和燃油进行混合和燃烧，作用主要有以下几点^[15]：