车用柴油机螺旋进气道设计参数优化的数值研究

摘要

随着全球汽车保有量的不断增加，柴油机作为汽车主要动力源的使用，也越来越广泛。然而，随着石油资源的日益短缺与环境问题的不断恶化，使得乘用车用高效低排放柴油发动机的开发显得越来越重要。柴油机属于扩散燃烧方式，提高燃油喷射过程中的缸内涡流比、加速缸内燃油的混合速率、改善柴油发动机的缸内燃烧过程，是实现柴油发动机高效低排放运行的关键技术之一。
　　 本文的研究对象是一台车用四缸增压中冷柴油发动机，通过三维CAD建模软件进行了单缸的气道及燃烧室建模，采用最新的计算流体力学软件-Converge进行CAE研究，以实现对柴油机螺旋进气道结构参数的数值优化。
　　 本文首先对柴油机螺旋进气道的结构参数进行了分析，通过数值模拟的方法研究了单个结构参数改变对缸内涡流比和进气量的影响，得到的结论是单个结构参数的微小变动都会对缸内涡流比产生较大的影响，而在本文的研究范围内对缸内进气量的影响可以忽略不计。接着，本文分析研究了多个结构参数同时改变对缸内涡流比的影响，结论是多个结构参数对缸内涡流比的综合作用效果不是单个结构参数作用效果的简单叠加，缸内涡流比是各结构参数相互作用的结果，各结构参数与缸内涡流比之间存在复杂的非线性关系。
　　 为建立采用Computational Fluid Dynamics(CFD)优化设计螺旋进气道的方法，本文采用均匀设计法，对影响柴油机螺旋进气道性能的五个关键结构参数设计了5因素11水平的数值模拟试验。同时，采用了回归分析的方法对试验数据进行了回归分析，得出了各结构参数与缸内涡流比之间的回归方程。通过对回归方程的分析得出了使缸内涡流比为最佳值的各结构参数取值，并预测了缸内涡流比的最大值和最小值。
　　 最后，将数值模型的结构参数修改为各结构参数的最佳取值，通过对缸内流动的分析，得出了由试验设计回归分析所得的各结构参数与缸内涡流比的回归方程能很好的预测和反映缸内涡流比的大小的结论，并通过分析回归方程，使得各结构参数达到最佳取值，从而获得预期的缸内涡流比，达到优化柴油机螺旋进气道结构设计的目的。
　　 本文的创新点在于采用了最新的CFD计算软件-Converge实现了多结构参数的同时优化，并动态的分析了缸内涡流比在压缩过程和上止点附近的演变过程，从而获得了用一套系统的方法实现柴油机螺旋进气道结构设计参数的优化，对实际气道的设计具有重要的指导意义。