基于CFD的小型增压汽油机燃烧系统优化设计

摘要

当前能源与环境问题不断加重，节能减排任务日益严峻。增压小型化作为汽油机节能降耗的有效手段之一，得到了广泛关注。本文以一款1.0L三缸增压汽油机为研究对象，针对汽油机增压强化后爆震倾向增加、压缩比提高受限等问题，从优化缸内流场结构的角度，采用CFD手段对多套燃烧系统进行了瞬态仿真，深入研究气道、燃烧室、活塞结构对提高缸内滚流比、湍动能的作用和影响。
　　首先，依据气道设计原则，设计了3组进气道，并分别与基础燃烧室组成3套燃烧系统，在5500r/min全负荷工况下进行瞬态仿真。结果显示，PortC气道能产生最强的缸内滚流运动，缸内瞬态滚流比与平均湍动能分别达到2.85和377m2/s2；3套燃烧系统压缩末端的湍动能都超过了200m2/s2，但湍动能都偏进气侧，会导致火焰传播不对称，爆震倾向增加。
　　其次，对燃烧室 masking结构进行了深入研究。对比样机开发阶段 PortA+masking燃烧系统的瞬态仿真与试验结果，对计算模型的准确性进行了验证。以PortC为优化气道，研究了燃烧室masking对增大缸内滚流比、规范湍动能位置的作用。在基础燃烧室的结构上，设计了3组带masking结构的燃烧室，并分别与PortC气道组成3套燃烧系统。5500r/min、2000r/min全负荷工况下的瞬态仿真结果显示，相比PortC气道+基础燃烧室，带进排气masking结构的C03燃烧系统使缸内滚流比、湍动能分别增加10％和6.9%；单独采用masking结构不能使2种典型工况下的湍动能居中。
　　然后，以PortC气道+C03燃烧室为基础，重新设计了3组不同顶部形貌的活塞，仿真分析了3套新活塞燃烧系统缸内流场与湍动能分布。依据仿真结果，在3组活塞基础上调整凹坑结构、倾斜面高度，设计了2组优化活塞。2组优化活塞5500r/min、2000r/min的瞬态仿真结果显示，P04活塞在高速、低速下都能使湍动能居中；P05活塞在低速时缸内湍动能居中，高速时湍动能偏进气侧；活塞顶面凹坑结构会在一定程度上降低缸内滚流比及湍动能数值。
　　最后，分别对PortC燃烧系统、C03燃烧系统与P04燃烧系统进行的燃烧模拟显示，C03燃烧系统缸内火焰传播速度快于PortC与P04燃烧系统，但缸内进气侧火焰传播速度快于排气侧，P04燃烧系统缸内进、排气侧火焰面对称传播。通过气道、缸盖燃烧室结构的优化，可以提高滚流比、增加缸内湍流强度，进而提高火焰传播速度；优化的活塞顶面凹坑结构可以使湍动能分布更加合理，进而有利于火焰对称传播，两者都有助于降低小型增压汽油机爆震倾向，提升性能。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 汽油机燃烧系统与CFD研究现状

1.3 课题研究内容及意义

第二章 流体动力学与数值计算理论

2.1 流体控制方程

2.2 湍流模型

2.3 湍流燃烧模型

2.4 有限体积法

2.5 本章小结

第三章 气道结构对缸内流动的影响

3.1 小型增压汽油机及其燃烧系统

3.2 燃烧系统性能评价指标

3.3 仿真边界条件与求解设置

3.4 气道结构对缸内流动的影响

3.5 本章总结

第四章 模型试验验证与燃烧室masking结构

4.1 采用masking结构的燃烧计算

4.2 台架试验验证

4.3 燃烧室masking结构对缸内流场的影响

4.4 本章小结

第五章 活塞结构对缸内流动的影响

5.1 活塞几何形状

5.2 5500r/min全负荷工况仿真结果分析

5.3 活塞优化设计

5.4 2000r/min全负荷工况燃烧仿真分析

5.5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢