某柴油机多次喷射策略的数值模拟及优化

摘要

内燃机的出现极大的丰富了人们的出行生活，被广泛的应用到生活的各个方面，它给人们带来便利的同时也产生了很多的环境问题。尤其是当代石油、天然气等能源被不断的消耗，人们越来越关注能源节约和环境保护的问题。研究发现柴油机的电控高压共轨系统对柴油机喷油参数的控制非常的灵活，它可以使柴油机在一个工作循环中实现预喷的两次喷油或者更多次的喷油。这种多次喷油策略可以更好的组织缸内的气流运动进而改善柴油机的燃烧过程，提高柴油机的性能，尤其是控制氮氧化物和碳烟排放方面。因此通过数值模拟的方法对多次喷射策略进行研究具有很大的现实意义。　　本文以某高压共轨直喷式柴油机为研究对象，通过计算流体力学（CFD）软件FLUENT对柴油机的单次喷射进行了数值模拟。研究了预喷-主喷的多次喷射策略对缸内燃烧及排放的影响，最后选用优化方法探究了匹配较好的多次喷射策略组合。具体研究内容如下：　　1. 根据柴油机的结构参数运用Design Modeler建模软件建立简化燃烧室模型，再运用Meshing软件对燃烧室模型进行了网格的划分，生成计算所需的动网格模型，对柴油机模型进行燃烧模拟，将得出的缸压曲线与实际缸压曲线进行对比分析，验证所用模型的合理性。　　2. 进行一次预喷射加一次主喷射的两段喷射的燃烧模拟，研究预喷射参数对柴油机缸内压力，湍动能，NO排放，SOOT排放，缸内温度场，速度场的影响。分析预喷对NO生成的影响及原因，得出匹配较好的预喷油策略组合。　　3. 采用基于克里精（Kriging）代理模型的第二代非劣排序遗传算法(NSGA-II)对预喷射参数进行多目标优化计算。设计变量为预喷射时刻，主喷射时刻，预喷射质量流率，目标函数为缸内最大压力、最大温度，一氧化氮（NO）与碳烟（SOOT）平均质量分数。运用数据挖掘的总变差分析方法和自组织映射方法对优化结果进行分析，研究设计变量对目标变量的影响以及目标变量之间互相的影响关系。　　结果表明较高的温度和压力需要较小的预喷时刻，较迟的主喷时刻使得缸内温度，压力，NO和SOOT排放均较低，预喷质量流率的变化规律与四个目标函数变化规律基本相同，SOOT排放与缸内温度，压力和NO排放没有很明显的对应关系。通过本研究可以为工程应用提供参考，对以后的工程设计提供新思路，同时多目标优化分析，可以解决传统优化方法的机械化，工作量大的问题，并且能使设计人员更加直观的看到设计变量与目标变量之间的影响关系及影响大小。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 多次喷射技术介绍及其研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 柴油机燃烧过程中数值模拟理论基础

2.1 基本控制方程

2.2 湍流模型

2.3 喷雾模型

2.4 燃烧模型

2.5 排放物模型

2.6 流场数值计算常用方法

2.7 网格介绍

2.8 本章小结

3 柴油机缸内燃烧的数值模拟

3.1 燃烧室模型的建立

3.2 网格划分

3.3 初始条件与边界条件设置

3.4 模型验证

3.5 本章小结

4 单次喷射结果分析及多次喷射数值模拟研究

4.1 单次喷射燃烧分析

4.2 多次喷射模拟分析

4.3 本章小结

5 柴油机预喷油策略优化

5.1 多目标优化方法介绍

5.2 多目标优化过程

5.3 数据挖掘

5.4 优化结果展示

5.5 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果