（动力机械及工程专业论文）高速柴油机最优配气正时研究及应用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着环境和能源问题的加剧，人们对发动机综合性能的要求愈来愈高。可变配气 正时技术通过微调配气系统参数来改善柴油机的动力性、经济性和排放性能，因此受 到越来越多的重视。此外，调节配气正时参数也是实现米勒循环的有效途径。米勒循 环在提高柴油机理论热效率的同时，可显著降低排放物生成量。但是采用经验计算或 简单实验的方法来优化配气正时参数很难满足现代发动机参数优化的要求，因此寻求 准确、快速的研究方法成为优化配气正时和米勒循环工作的首要目标。 为研究配气正时对高速柴油机综合性能的影响，并据此优化配气正时参数，本文 以某型号高速车用柴油机为参考机型，采用c f d 方法仿真计算了其连续工作循环，并 结合实验结果验证了计算结果。在经过验证的仿真模型基础上，在6 种转速下调整配气 正时参数，计算了各工况下的功率、燃油消耗率、气缸内新鲜空气量和排放物( n o 。 和s o o t ) 的生成量，并且为定量分析扫气效率，提出了根据缸内n o 质量来定量计算残 余废气系数的方法。计算结果表明，排气提前角的改变对柴油机扫气性能和排放性能 的影响很小；从减小排气损失功角度，随着转速增加，各转速最佳排气提前角增大。 低转速时，进气迟闭角提前可减少倒流，从而增加缸内充量系数，提高柴油机的动力 性和经济性；高转速时，适当推迟进气提前角和迟闭角，可提高柴油机的综合性能。 在优化配气正时的基础上，采用可变配气正时可实现米勒循环。为优化米勒循环 配气正时参数，本文计算了高、中、低3 种转速下，改变实际压缩比、调整涡轮增压压 力，以及采用不同配气正时参数时米勒循环对柴油机综合性能的影响。计算结果表明， 以各转速下的进气倒流点为参考点，保证喷油量和过量空气系数不变的前提下，低转 速时进气门推迟关闭，而高转速时迸气门提前关闭，可使缸内初始温度和压力、缸内 最高燃烧温度和压力变小，有效功率略有降低的同时显著降低n o 的生成量。 关键词：高速柴油机；综合性能；有限体积法；配气正时；米勒循环 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t p e o p l eh a v et od e m a n dt oi m p r o v et h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo fd i e s e le n g i n e f u r t h e rd u et og l o b a le n e r g ya n de n v i r o n m e n ti s s u e s v a r i a b l ev a l v et i m i n gs y s t e m ( w t ) i m p r o v e st h ee n g i n ep e r f o r m a n c et h r o u g hf i n et u n i n gt h ep a r a m e t e r so ft h ev a l v es y s t e m ， a n di tg e t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n a d j u s t i n gv a l v et i m i n gp a r a m e t e r si sae f f e c t i v ew a yt o r e a l i z et h em i l l e rc y c l e m i l l e rc y c l ec a nn o to n l yi n c r e a s et h e r m a le f f i c i e n c y , b u ta l s or e d u c e t h ee m i s s i o n s t r a d i t i o n a lw a y , e i t h e rr u l eo ft h u m b0 1 e x p e r i m e n t ，c a n n o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fo p t i m i z i n gm o d e me n g i n ev a r i a b l ev a l v et i m i n g t h e r e f o r ei th a sb e c o m e t h ef i r s ta i mf o rp r a c t i t i o n e r st of i n da l le f f e c t i v ea n df a s tw a yt oo p t i m i z et h ev a l v et i m i n g a n dm i l l e rc y c l e i nt h i st h e s i s ，t h ew h o l ew o r k i n gp r o c e s so fah i g hs p e e dd i e s e le n g i n ew h i c hc o n t a i n s v a r i a b l ev a l v et i m i n gs y s t e mw a ss i m u l a t e db yt h ec f dm e t h o d t h es i m u l a t i o ni st h e n v e r i f i e db ye x p e r i m e n td a t a i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fv a r i a b l ev a l v et i m i n ga f f e c t o ne n g i n ep o w e rc h a r a c t e r i s t i c s ，f u e le c o n o m ya n de m i s s i o np e r f o r m a n c e ，a n dp r o c e e dt o o p t i m i z ei t , t h ee f f e c t i v ep o w e r , s p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n ，q u a n t i t yo fn o xa n ds o o t ，a n d m a s so ff r e s hc h a r g ew e r ec a l c u l a t e da sv a l v et i m i n gp a r a m e t e r sw e r em o d u l a t e da t6s p e e d r u n n i n gc o n d i t i o n s am e t h o do fc a l c u l a t i n gc r g ( c o e f f i c i e n to fr e s i d u a lg a s ) w a ss u g g e s t e d t oq u a n t i t a t i v ea n a l y s i st h es w e e pe f f i c i e n c y t h ec a l c u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a te x h a u s t a d v a n c ea n g l eh a sal i t t l ee f f e c to ns w e e pa n de m i s s i o np e r f o r m a n c e ，b u tab i ge f f e c to nt o t a l l o s sp o w e r ( i n c l u d ep o w e rl o s so fe x p a n s i o na n d p u s h ) t h eo p t i m u me x h a u s ta d v a n c ea n g l e s h o u l di n c r e a s ea se n g i n es p e e dr i s e st or e d u c et h ee x p a n s i o nl o s sa n df o r c e de x h a u s tl o s s i n c r e a s i n gi n t a k el a ga n g l ei nl o we n g i n es p e e dc o u l di n c r e a s ec o e f f i c i e n to fc h a r g e ，t h e r e b y i n c r e a s ep o w e rc h a r a c t e r i s t i c sa n df u e le c o n o m yp e r f o r m a n c e c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 c o u l db ei n c r e a s e db yd e c r e a s i n gi n t a k el a ga n g l ei nh i g he n g i n es p e e d b a s e do nt h er e s e a r c ho fo p t i m i z i n gv a l v et i m i n g ，m i l l e rt i m i n g c y c l ew a sr e a l i z e da n d o p t i m i z e db ye m p l o y i n gt h ev a r i a b l ev a l v et i m i n gw a y t h em e t h o dw h i c hw a su s e dt o a n a l y z et h ev a l v et i m i n gc o u l db eu s e dt or e a l i z ea n do p t i m i z et h em i l l e rc y c l e ，t h ee f f e c t s t h a tm i l l e rc y c l ea f f e c t0 1 1c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo fd i e s e le n g i n ew e r ec a l c u l a t e d 觞 c h a n g e dt h e e f f e c t i v e c o m p r e s s i o nr a t i or u n n i n gc o n d i t i o n s ，a d j u s t e dt h et u r b o c h a r g e d p r e s s u r e ，m o d u l a t e dm i l l e rt i m i n gp a r a m e t e r si n3s p e e dw o r k i n gc o n d i t i o n s t h ec a l c u l a t i o n r e s u l t ss u g g e s tt h a t ，t a k et h ea i rf l o w b a c kp o i n tf o rr e f e r e n c e ，a n de n s u r ei n j e c t i o nq u a n t i t y a n de x c e s sa i rc o e f f i c i e n tu n c h a n g e d ，i n t a k ev a l v ew a sd e l a y e dc l o s ei nl o ws p e e da n d a d v a n c e dc l o s ei nh i g hs p e e d ，t h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r el e v e lo fi n i t i a la n dm a x i m u m c o m b u s t i o ni nc y l i n d e rc a nd e c r e a s e s ，a n dt h en oq u a n t i t yw a ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e da s e f f e c t i v ep o w e rl i t t l ed e s c e n d k e y w o r d s ：h i g hs p e e dt u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e ；c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e ； f i n i t ev o l u m em e t h o d ；v a r i a b l ev a l v et i m i n g ；m i l l e rc y c l e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究的背景和意义 第l 章绪论 自1 8 9 6 年第一台实用柴油机研制成功以后，经过1 0 0 多年的不断发展和技术上的 完善，柴油机凭借其高压缩比和高热效率的显著优势，被广泛应用于交通运输、机械、 船舶等领域。 人类工业文明的发展造成了能源危机和环境污染问题不断加剧。进入2 1 世纪以来， 全球汽车保有量的飞速增长使发动机成为了“众矢之的”，因此世界各国都对柴油机这 样的动力机械的综合性能提出非常严格的要求，特别是在排放性方面，都制定了更为 严格的法律和法规。所以，面对非常严格的性能和排放要求，相关的柴油机研究机构 和生产制造商需要全力优化柴油机的结构和性能参数，进一步提高柴油机的综合性能 1 - s 。 为满足对现代柴油机综合性能越来越高的要求，需要深入研究柴油机整个工作过 程中气缸内的流场信息。为此，在对柴油机工作过程进行研究的过程中人们一直在尝 试各种新方法和新技术。在工程实践领域，一直采用实验方法对柴油机的工作过程进 行研究。但是，实验方法、设备和技术的局限性大、费用高，对未制造出的柴油机无 法进行实验，而且大部分实验只能获得某些特定流场区域的数据，很难得到柴油机整 个工作过程中全面的缸内流场信息睁9 1 。 为了弥补实验方法的不足，随着数值分析、燃烧热化学、计算流体力学等内燃机 相关学科的发展，利用数值模拟方法来研究柴油机的工作过程受到越来越多的研究机 构和汽车企业的重视。计算机硬件性能的飞速提高使数值模拟方法的计算精度越来越 高、耗时越来越少、费用越来越低。同时，各国研究人员针对内燃机工作过程开发并 完善了许多数值计算模型，很多专用的商业计算软件也大量出现，内燃机工作过程一 维仿真软件有g t - s u i t e ，三维仿真软件有f i r e 等，一些通用流体计算软件像f l u e n t 等也加入了发动机工作过程仿真计算模块。由于利用数值计算方法模拟内燃机工作过 程费用低、耗时短，而且能模拟不同参数下发动机整个工作过程中缸内的瞬态流场， 特别是利用实验验证结合商业软件的研究方法，在内燃机性能研究领域已进入比较广 泛的实用化阶段。 配气正时对内燃机的进排气过程、气缸内涡流状况、混合气的形成以及燃烧过程 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 有直接的影响，因此会影响到内燃机的动力性、经济性和排放性能。但是，在目前产 品化的柴油机上采用可变配气正时技术还十分鲜见，这一方面可能是因为与汽油机相 比，柴油机的转速范围相对较窄，可变配气正时对综合性能的影响有限：另一方面或 许是还并不十分清楚可变配气正时与柴油机综合性能之间的定量关系。如上所述，采 用试验方法来改造配气机构和实验测试费用昂贵，而且对未制造出来的柴油机无法进 行实验，采用经验公式估算内燃机配气正时计算结果较粗糙，不能满足近代柴油机设 计时精确定量分析的要求。因此，采用数值计算方法来优化内燃机配气正时参数已受 到广大研究者和发动机研发机构愈来愈大的重视【1 2 。7 】。 很多研究资料表明，应用可变配气正时技术是实现米勒循环的有效途径。米勒循 环是美国机械工程师米勒于二十世纪四十年代提出的基于传统的狄赛尔循环的一种压 缩比不变，膨胀比增大的发动机循环工作方式。米勒循环的实现是通过改变进气门关 闭角到下止点之前或者之后的方式来减少“有效压缩比 ，从而可以使压缩比小于膨胀 比，不仅提高了发动机的热效率，而且适当降低了缸内的最高燃烧温度和爆发压力， 同时降低了n o 。的生成量。随着电子技术、增压中冷技术和可变气门配气相位( v 订) 技术的发展使得米勒循环发动机得到了越来越广泛的应用。但从公开发表的文章和文 献来看，针对采用配气正时方式来实现米勒循环进行的定量分析和研究并不多见。 为进行针对性研究，本文选择一台高速车用涡轮增压柴油机为模型，采用三维c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 数值计算方法，在定量分析配气正时对柴油综合性能 影响的基础上，获得不同工况下各转速的最佳配气正时参数；同时进一步将可变配气 正时技术应用在米勒循环上，研究配气正时对米勒循环柴油机综合性能的影响，为发 动机可变配气正时和米勒循环提供技术参考。 1 2 研究现状 配气正时对柴油机综合性能的影响需要考虑发动机整个工作循环，其中包括进排 气过程，燃油喷射、燃烧和污染物生成等过程，米勒循环对柴油机综合性能的影响还 需进一步考虑缸内进气量、发动机不同转速时涡轮增压器的参数匹配、气缸内初始温 度场和压力场等。这就使柴油机配气正时分析和米勒循环的研究经历了十分复杂的发 展历程f 2 0 】。下面分别介绍配气正时和米勒循环相关的几个研究领域的国内外研究现状。 1 进排气过程数值模拟的发展 从上世纪7 0 年代起，针对内燃机进排气过程国内外研究者做了很多数值模拟的研 究工作，基本的发展过程是由零维模拟到三维模拟，由稳态模拟到瞬态模拟，由进排 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 气过程模拟到包含进排气、燃烧做功的内燃机工作循环的全过程模拟。 1 9 8 7 年，g o s m a n 和a h m e d 做了进气道气门缸内稳态流动实验和模拟计算研究 2 h 。1 9 9 6 年，m i t 的w o l f b a u e r 和j o h nb h e y w o o d 针对包括进气管、气缸、排气管 的单缸内燃机进行了计算模拟，分析研究了进气流动过程【2 3 1 。在国内，2 0 0 2 年焦天民 等人通过模拟柴油机进排气过程，优化了配气正时【2 4 】。2 0 0 4 年康秀玲等人针对4 气门 柴油机做了进气特性的数值模拟计算，并与实验进行了对比研究【2 5 】。 然而，多数研究者在进行模拟计算时常把气缸内初始流场假定成均匀流场，或假 定一定的恒定涡流比，这与内燃机工作的实际情况偏差较大，因为在进排气过程中缸 内的初始紊流场对流体流动特性有重要影响，所以研究进排气过程应该分析柴油机一 个完整的工作循环，模拟计算的结果才更为合理。 2 柴油机的喷油、燃烧和排放物生成过程仿真的发展 柴油机喷油过程的计算模型主要有连续液滴模型( c d m ) 和离散液滴模型( d d m ) 。 d d m 模型由于针对物性参数做了一些离散化的假设，求解的是一组常微分方程，大大 缩减了计算成本，所以应用比较广泛【2 6 1 。常用的喷油过程液滴破碎和整合模型主要有 试验模型、混合模型、理论模型和现象模型【2 7 1 。从理论上来讲，上述的几种模型各有 优缺点，但是从工程实践的角度上来讲，上述的几种模型已具有比较高的精度。 早期的研究中，由于受内燃机相关理论及计算机软硬件水平的限制【2 8 】，均忽略柴 油机工作过程的复杂性，对柴油机工作过程模拟时，主要采用零维和准维模型进行计 算 2 9 1 。最近这些年来，对内燃机燃烧过程模拟的主流方法是采用三维c f d 中加入化学 反应动力学模型，可以仿真计算燃烧过程和初步计算排放物的生成。随着燃烧理论的 不断发展和完善，现在主要采用适当缩减化学反应机理和计算机并行计算技术进行模 拟计算【3 0 】，这样不仅可以保证计算精度，而且明显减少了计算时间。如2 0 0 6 年王夺等 人对涡流室柴油机燃烧过程进行了模拟【3 ，2 0 0 7 天津大学焦运景等人研究了直喷式柴 油机燃烧室几何形状对排放的影响 3 2 1 。 在排放物生成模型研究领域，目前没有非常成熟的理论。在模拟计算n o 。的生成 时，一直采用扩展的z d d o v i c h 理论【3 3 3 4 】；在模拟计算碳烟s o o t 生成时，一直使用的是 t e n s e r 的3 阶段说法。在对排放物生成三维模拟计算的研究中，结果比较合理的仿真 分析是2 0 0 8 年苏州科技大学的苏石川等人采用c f d 方法研究了增压柴油机不同喷油 提前角对污染物n o 。和s o o t 生成的影响【3 5 1 。 3 配气正时的研究现状 随着数值模拟技术的发展，近年来很多学者采用此方法研究了配气正时 3 6 1 ，如 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 2 0 0 6 年张海艳针对配气定时对柴油机综合性能的影响做了比较全面的一维研究【3 7 】， 2 0 0 9 年西南交大杨永涛等人进行了柴油机工作过程三维数值模拟研究，并优化了配气 相位【3 8 】。 。 采用一维计算可建立包含进排气道、气缸和涡轮增压器在内的整机模型进行分析， 研究不同工况下配气正时对内燃机综合性能的影响。但一维计算建立的内燃机模型相 对简单，计算燃烧和排放时采用了很多经验函数，而且不能描述柴油机工作过程中缸 内复杂的三维紊流场。三维计算可在很多方面弥补一维计算的缺陷，但受模型精度、 燃油喷射和燃烧等理论的限制，多数的三维计算只针对内燃机进排气过程，未对完整 工作循环进行模拟分析，或未考虑配气正时对内燃机综合性能的影响。 4 米勒循环的研究现状 米勒循环是美国工程师米勒于二十世纪四十年代提出的基于狄赛尔循环的一种发 动机循环工作方式。具有代表性的采用米勒循环技术是马自达公司的m i l l e rc y c l e e n g i n e ，运用在该公司2 3 lk j z e m 的v 6 引擎上。通过改变配气正时是在不 改变柴油机结构的前提下实现米勒循环的有效途径。2 0 0 8 年，w a s e d au n i v e r s i t y 的 y u t a k am u r a t a 等人针对h s d id i e s e le n g i n e 实现米勒循环采用的v v t 系统的结 构和配气正时参数，进行了详细的三维c f d 分析。2 0 l0 年，上海七一一所的李 翔等人针对低速大功率船用柴油机进行了米勒循环的仿真与试验研究f 1 9 】。2 0 11 年，大连理工大学的朱琳等人针对1 2 v2 4 0 型柴油机的工作过程和米勒循环进 行了模拟仿真计算【1 8 】。 多数研究者针对米勒循环进行的一维工作过程仿真时通常针对的是中低速柴油 机，未对比分析改变实际压缩比和增压压力及两种不同配气正时方式( 提前和迟闭关 闭进气f - j ) 对米勒循环的影响，且未全面定量分析米勒循环对柴油机综合性能的影响。 1 3 本文的研究方法和内容 随着计算流体力学的发展，c f d 数值求解法求解流体流动问题已经被广泛接受。 c f d 数值求解法主要有以下几种：有限体积法、有限元法和边界元法等。有限体积法 ( f i n i t e v o l u m em e t h o d ) 是将计算区域离散成一系列的控制容积，通过将守恒的控制方程 对控制容积积分，导出离散方程。目前多数商用c f d 软件均把有限体积法作为求解基 础理论。本文的仿真计算就采用有限体积法。 本文的主要工作分为两部分：一是建立并验证仿真计算模型，并定量计算出配气 正时对柴油机综合性能的影响，进而优化配气正时参数；二是应用可变配气正时途径 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 实现米勒循环，并对米勒循环的配气正时参数进行优化。 建立准确的仿真计算模型是本文研究工作的基础。为此，本文参照某机型高速车 用柴油机的几何参数建立包含进排气道、进排气门、气缸体和燃烧室的准确三维几何 模型，利用动网格技术实现进排气门和活塞的配合运动过程，然后选用合适的紊流模 型、差分格式和压力一速度耦合算法、燃油喷射和燃烧模型，最后根据台架实验数据 来设定模拟计算的边界条件进行仿真计算，获得柴油机完整的工作过程中每个时刻缸 内流场的瞬态数据【3 8 1 。通过与实验数据对比，反复调整计算模型参数，使各转速工况 下模拟计算的结果( 有效功率、有效燃油消耗率、污染物排放量等) 与实验结果之间 的误差在合理的工程应用范围之内。 在经过验证的合理的仿真模型的基础上，本文研究了最优配气正时及其应用。在6 种转速下调整配气正时参数，计算了各工况下的功率、燃油消耗率、缸内进气量和主 要排放物( n o x 和s o o t ) 的生成量、残余废气系数，根据配气正时对柴油机综合性能 的影响优化了配气正时参数【6 1 1 。然后，利用可变配气正时途径实现了米勒循环，并计 算了高、中、低3 种转速下；改变实际压缩比、调整涡轮增压压力，以及采用不同配 气正时参数时米勒循环对柴油综合性能的影响，进而优化了米勒循环的配气正时参数 【6 0 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章流体数值模拟的理论基础 。本文对柴油机的工作过程的主要研究手段是数值模拟计算中的有限体积法，下面 针对相关的理论做简单描述。 2 1 流动和传热问题的控制方程 内燃机整个工作过程中气缸内发生着复杂的燃油和空气流体流动与传热过程。一 般认为，所有流动与传热过程都受到质量守恒、动量守恒、能量守恒【3 9 1 规律的支配。 连续性方程的基本思想是：单个微元的质量变化率等于流入该微元的净质量率， 数学式表示为【2 2 3 8 】： 望+ 型+ 型+ 型：0 ( 2 1 ) a t融 诱 挠 1 9 世完，那维和斯托克两位数学家在动量守恒基础上分别独立推导出了那维斯托 克( n s ) 方程，其数学表达式为 2 2 3 8 】： 百a ( p u ) + d i v ( p u u ) = 击“，即枷一砉+ ( 2 - 2 ) 讲c贸 f 2 2 l 亟丝+ 卉“：击“g r a d v ) 一字+ 西 砂 ( 2 3 ) 掣+ d i v ( p w u ) = 历吠。胛柳一考+ ( 一2 4 ) 讲 仍 f4 、 能量守恒方程可以表述为：单个微元的能量变化率等于外界对流体微元的加热率 与外界作用力对流体微元做功的能量之和 2 2 3 8 】，公式如下： 警+ d i v ( p i u ) = 州七。胛d 乃一p 州+ + 品 ( 2 5 ) 0 i f 1 2 5 、 流体状态方程也是非常重要的求解方程，数学表达式为： p = p ( p ，丁) 和江f ( p ，乃( 2 6 ) 在以上方程中， = 2 ( 尝) 2 + ( 考) 2 + ( 暑) 2 + ( 考+ 塞 2 + 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 謇+ 罢) 2 + ( 耄i + 茅 2 ，+ 力c 西v u ，2 。2 7 ， u = u i + v j + w k 2 u ，w 流体速度在x 、y 、z 方向上的分量； p 密度； 二动力粘度； f 内能； 一一五容积粘度； k 导热系数； 丁温度； p 压力； & ，流体源； s ，热源； 西“彳) 为矢量彳：p i + 办+ 厩的散度，疣1 ，( 彳) ：芒+ 笔+ 娑 g r a d ( u ) ：o 当u ? + 罢歹+ 罢云为场“中某一点的梯度。 2 2 紊流数值模拟 2 2 1 紊流数值模拟的方法 发动机整个工作循环中的缸内流体发生的是十分复杂的三维紊流流动。流体的各 种物理特性参数在时间和空间上均发生复杂的随机变化。目前可用那维斯托克方程来 求解复杂的紊流运动1 4 0 。 目前采用的数值模拟方法大致可以分为三类： 1 直接模拟d n s ( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ) 这种方法是用三维非稳态的n s 方程对紊流进行直接数值计算，需要使用很小的 空间与时间步长，才能准确分辨出紊流的特性。d n s 方法对计算机的内存和c p u 的计 算速度要求非常高，目前还无法将此方法很好低用于工程实际中 2 2 3 8 】。 2 大涡模拟l e s ( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) 大涡模拟是一种基于旋涡学说的数值算法，假设紊流是由大小不同的旋涡组成。 其中，尺度较大的旋涡主要完成质量、动量和能量的交换，而尺度小的旋涡作用表现 为耗散。l e s 方法不仅对边界条件和初始条件要求很高，而且对计算机性能要求也很 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 高1 4 1 1 。 3 r e y n o l d s 时均方程法( r e y n o l d st i m e a v e r a g ep a r a m e t e rm e t h o d ) 目前工程流场计算中应用最为广泛的流体计算方法是r e y n o l d s 时均方程法。这种 方法将紊流的各种物理参数的瞬态量表示成时均值与脉动值的叠加。由于控制方程中 多出了r e y n o l d s 应力项，所以造成控制方程组不封闭。为解决此问题，b o u s s i n e s q 假 设层流粘性应力和r e y n o l d s 应力项类似，可以与时均应变率建立关联关系式。因此， 要使控制方程组封闭的话，就要对紊流粘性系数，进行合理的模型假设和求解【4 2 】。 2 2 2 紊流模型 为确定，研究者们针对不同的问题提出了不同的紊流模型。主要有以下几种： 舻以幽 1 混合长模型 io y ( 2 - 8 ) 式中p 一密度： u 一流体平均速度； y 一流体流动流方向的垂直方向； ，。一混合长。 2 单方程模型鸬2 群j | 2 7 ( 2 - 9 ) 式中 c ：。一经验常数； z 一紊流脉动的长度； k 一紊流的动能 后：! 萨+ + 万) 2 、 7 ( 2 1 0 ) 利用n s 方程可以推导出k 所满足的微分方程如下： 掣+ 讲“肚= 历哑+ 箦) 胛司尼一巳p 竿 。， 式中w 阿饼倒 + ( 暑爹+ 罢) 2 + ( 老+ 罢) 2 + ( 宝+ 茅) 2 。2 ，2 ， 吼一脉动能的普朗特数，吼1 0 ； c n 一经验常数； ，一紊流脉动长度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 3 标准k 一占两方程模型 舻孵譬 仁 式中 c 。，一经验常数； 占一紊流动能耗散率，定义为 一，占2 删2 竽一 亿 据的定义，可推导占所满足的微分方程如下： 挈+ 圳刎，= 冰+ 箦) 胛如 - 鹏譬g 妻尼亿。5 ， 式中尼由式( 2 - 1 2 ) 表示，仃。为紊流动能耗散普朗特数，c 。，o k ，吒，g ，c 2 为经验常 数，大量计算和实验中取得较一致结果的一组参考值为c 。= o 0 9 ，c l = 1 4 4 ，c 2 = 1 9 2 ， 吼= 1 0 ，c r 。= 1 3 。按照式2 1 4 中占的定义，k 的微分方程可写成如下形式： 掣砌c 棚= 出+ 箦 叫解 协 2 3 柴油喷射和燃烧模型 柴油喷射过程的模拟包含气、液两相流动，所以需要对气、液相的守恒方程同时 求解。目前工程上多采用离散液滴法模拟计算喷油过程。其基本思想是把气相当做连 续介质，而把液相离散成若干个细小液滴。通过求解独立液滴的动量方程、轨迹方程 和质量输运方程来完成对喷油过程的模拟【2 】。 从燃烧热化学的领域来看，直喷柴油机的燃烧模型的研究，是当前相对其他燃烧 模型中最不成熟的 2 2 , 3 s 】。目前适合模拟柴油机燃烧的模型有： ( 1 ) 涡耗散模型 ( 2 ) 层流和紊流特征时间燃烧模型 ( 3 ) 拟序火焰模型 ( 4 ) 概率密度函数法 近年来研究燃烧的概率密度函数法( p d f ) 法加强了所建立的紊流燃烧模型的合 理成分同时减少了经验或半经验的成分。在保证合理的计算时间和计算精度的前提下， 本文选用了2 0 组分概率密度模型进行燃烧过程的模拟计算【2 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 柴油机的有害排放物主要是n o 。和s o o t ，而c o 和h c 的生成较少。污染物n o , 中压倒多数的是n o ，其生成采用基于z e l d o v i c h 机理的t h e r m a l n o 。和p r o m p t n o 。模 型h 3 1 。s o o t 生成采用m o s s b r o o k e s 模型h 3 1 ，该模型早期用于甲烷的燃烧反应，经过改 进后已可用于模拟柴油燃烧的强氧化反应。 2 4 流体流动与传热的数值计算方法 2 4 1 有限体积法的基本思想 通过引入一个特征变量妒将前文中的( 2 1 ) - - 一( 2 6 ) 和式( 2 1 5 ) - - 一( 2 - 1 6 ) 至j 成统一形 式： 掣o t + 讲1 ，( 户妒= 蛳胛帅s 9 ( 2 1 7 ) r 2 17 、 有限体积法求解流体问题的时候要将求解域离散成有一定数量的的网格。在离散 网格中，每一网格节点周围按一定规则定义一个控制容积v ( 见图2 - 1 ) 。在图2 - 1 中 圆点表示节点，实线表示网格，阴影区域表示节点p 的控制容积h 钔。将( 2 1 7 ) 式在所定 义的控制容积内进行合理积分，得到下式： 掣仉，矿a i v ( p 伊啷5 眇删缈+ 炒y 亿 一1 i pi 1 i i 1 睾 l i 控制容积 图2 - 1 有限体积法的节点网格和控制容积 2 4 2 差分格式 有限体积法早期采用的差分格式主要是中央差分，中央差分格式计算精度较高，但 其不能很好的反应流体的输运特征，普朗特数在计算中会失真，为解决这一问题，研 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 究者们陆续提出了很多改进的差分格式 2 2 3 8 】。常用的一阶差分格式有：上风差分、指数 差分和乘方差分 2 2 3 8 】。综合考虑流场特性、计算成本和计算精度等因素，本文计算选择 一阶上风差分进行数值计算 2 2 3 8 】。 2 4 3 计算区域的离散 对计算区域的离散通常通过空间网格的划分来实现，针对不同流场计算的要求， 需要采用不同的网格划分技术，而柴油机缸内流场的流体流动过程十分复杂，需要深 入理解和运用不同的网格技术 2 2 3 8 】。 ( 1 ) 网格划分的原理 计算网格基本分为两种：结构化网格和非结构化网格。结构化网格是指在空间位 置上网格节点与其序号存在对应关系。结构化网格对物理区域的要求也很高，基本要 求几何形状是规则的，结构化网格的形状也必须规整。而非结构化网格不需要网格序 号与其空间位置有直接的对应关系。正因为网格形式要求相对随意，方程的离散及程 序设计比较麻烦，不过在目前商业计算软件发展比较成熟的条件下，这一问题得到了 很好的解决 2 2 3 8 。因此，目前进行流体计算时，针对不同的流场区域采用分块结构化 或非结构化网格划分技术【2 2 3 8 】。本文中的柴油机进排气道几何形状十分复杂，曲面较多 且不规则，因此采用非结构化的四面体网格进行网格划分；而气缸体的上半部分被切 分成若干个规则回转体后，采用结构化六面体网格进行网格划分；气缸体下半部分w 型的活塞顶面区域采用尺寸相对较小的四面体网格进行网格划分，在与燃烧室上部相 接的部位采用一层金字塔型五面体网格过渡 2 2 3 8 】。 ( 2 ) 动态网格的划分 由于柴油机缸内的进排气门和活塞进行配合运动，而且模拟计算空间在曲轴转角 不同时不断变化，所以在模拟柴油机工作过程的时候，必须采用动网格技术 2 2 3 8 】。 动网格技术的实现主要有以下3 种方式：弹簧近似光滑法、动态分层法、局部网 格重生成法 2 2 3 引。弹簧近似光滑法网格数量不变，网格尺寸按一定的压缩和拉伸比例在 变化，故不适用于大变形情况。动态分层法是在发生运动的网格边界处，根据相对运 动规律和设定的网格比例参数来实现网格层数的增加或减少，使变形区域的网格不断 更新。但是要求运动区域的网格为比较规则的结构化网格。局部网格重组法通常用在 非结构网格区域的网格重生成 2 2 3 8 】。局部网格重生成法，当运动边界的位移过大时，将 那些超出网格尺寸标准的网格合并，重新划分网格，直到新生成的网格满足了尺寸标准 h 卅 。对复杂流场区域的进行动态网格划分时，这三种动网格技术基本都会用到。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第3 章仿真计算模型的建立与验证 本章着重讲述了柴油机仿真模型的建立与其合理性验证。主要工作包括建立准确 的三维几何模型、划分计算网格、设定模型初始条件和边界条件、选定燃烧和排放模 型，然后根据实验数据和仿真计算结果间的误差来修正模型的相关参数，最后完成计 算模型的验证，进而为进行配气相位和米勒循环问题的研究做好准备 2 2 3 8 】。 3 ：1 计算模型的建立 本文要模拟计算柴油机完整的工作循环，进而研究配气正时对柴油机动力性、经 济性和排放性的综合影响，并且分析采用配气正时实现米勒循环后对柴油机相关性能 的影响，所以首先需要建立包含进排气道、进排气门、气缸和活塞项部的精确三维几 何模型，然后运用动网格技术划分出模拟活塞、气缸和气门配合运动的计算网格，进 而选择合理的喷油、燃烧和污染物生成模型，最后根据实验数据设定模型的边界条件， 根据经验参数设定部分初始条件，进行仿真模拟计算 2 2 3 5 】。 3 1 。1 柴油机基本参数 本文研究选用的仿真模型是一台高速车用4 气门涡轮增压直喷柴油机( 变压增压) ， 该柴油机的原机型设定的进气提前角为4 0 。c a ，进气迟闭角为6 0 0 c a ，排气提前角为 6 0 0 c a ，排气迟闭角为4 0 0 c a ，喷油提前角为1 3 0 c a 。表3 1 列出了该柴油机的主要结 构和性能参数。不同的转速下涡轮增压器的进出口压力匹配有所不同，图3 1 为柴油 机不同转速下涡轮增压器出口压力曲线。 表3 - 1 柴油机结构与性能参数 结构数值名称单位数值 气缸数 4 额定转速r p m 3 6 0 0 气缸直径n u n 9 6 转速范围r p m 16 0 0 4 0 0 0 连杆长度m m 1 0 2 额定功率瓜w 9 6 活塞行程r a m 1 5 4 5 喷孔数个 8 压缩比 1 6 9 喷孔直径m m 0 1 6 活塞顶隙m m 1 喷油压力m p a 1 8 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 2 2 急 电1 8 r 1 6 磬1 4 1 2 1 1 2 0 016 0 02 0 0 0 2 4 0 0 2 8 0 0 3 2 0 0 3 6 0 0 4 0 0 0 转速( r - r a i n 一1 ) 图3 - 1不同转速下涡轮增压器出口压力曲线 3 1 2 三维模型的建立 本文根据机型的精确几何参数，首先分析确立建模思路，然后采用三维造型软件 p r o e 建立包括两个独立的螺旋进气道、一体排气道、气门座圈、活塞项部和燃烧室的 柴油机准确三维几何模型。图3 2 为三维几何模型，具体部件如图示。 图3 - 2 三维几何模型图 由于采用的柴油机排气门开启时对应1 2 0 度曲轴转角，考虑到模拟计算的过程应 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 从排气门开启前的适当曲轴转角开始，所以本文建立的初始几何模型对应1 1 0 度曲轴 转角。考虑节省计算机资源，需要在保证模拟计算结果精度的前提下控制网格尺寸和 网格数量，所以针对模拟计算中对本文研究方向影响不大的细节结构做了适当简化， 如气缸顶部进排气道间“鼻梁区”的复杂表面，还有一些尺寸很小的倒圆角等。最后 根据划分的网格质量来微调几何模型的细小结构的具体参数，几何模型的建立是十分 复杂的过程，约占仿真工作量的3 0 。 3 1 3 计算网格的划分 采用前文所介绍的网格划分技术，结合本文的柴油机模拟计算的具体情况，在保 证合理计算时间的前提下，尽量保证网格的质量和规则的网格形式，对发动机模型采 用如下的方式划分网格： ( 1 ) 进排气道及气门区域 为采用动网格技术实现进排气门的配合运动，首先要分析几何模型，将进排气道 内的气门扫掠过渡区和气道切分开，并采用六面体结构化网格对气门运动区域进行划 分( 具体网格划分结果见图3 3 ) ；由于进排气道的计算区域形状非常复杂，很难实现 六面体结构网格进行划分，故除气门运动区域外的进排气道区域采用四面体非结构化 网格划分，在和气门运动区域连接的区域进行局部网格细化，提高网格划分质量；六 面体和四面体网格连接区域用金字塔形网格过渡。进排气道区域的网格划分结果如图 3 _ 4 所示。 ( 2 ) 气缸体和燃烧室区域 气缸体包括气缸主体和气缸上部的气门座圈和气门底部凹坑，主体区域为较规则 的圆柱体，且圆柱体区域高度较大，所以首先将气门座、气门凹坑切分开，然后根据 进排气门和活塞的运动规律将相对运动区域切分开，最后根据模拟计算中的数据交换 面的映射规律，分别划分为六面体结构化网格( 具体网格划分结果见图3 5 ) 。活塞项 部凹坑为国型燃烧室，为保证计算精度，需要细化喷油区域网格，燃烧区域上部用六 面体结构化网格进行划分；燃烧区域下部无法划分为回转映射的关系网格，采用四面 体网格进行划分；网格过渡区域采用一层金字塔形网格过渡( 具体网格划分结果见图 3 6 ) 。 经过将整体几何模型先切分然后划分网格，在