基于国四排放标准的非道路柴油机燃烧系统多参数优化匹配研究

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摘要：提高油气混合质量是柴油机节能环保的关键。燃烧室的形状会严重影响气缸内的气流运动。因此，它在石油和天然气混合分配中发挥着极其重要的作用。研究燃烧室形状对缸内流场的影响，对于改进柴油机缸内均匀混合的形成过程，提高其有效控制燃烧室内气流分布和运动强度的总体性能十分重要。柴油机运行仿真所涉及的燃烧系统参数主要是燃烧室几何结构参数、进气参数和喷油参数，这些参数共同影响缸内空气流动、油气混合排放性能等。

关键词：柴油机；燃烧系统；参数

1 整机布置设计的概念和基本思路

柴油机具有代表整个环境的系统特性。各柴油机系统的有机匹配整合提供的功能比组成它的各个子系统功能的纯、简单总和还要多。柴油机产品开发时，通常根据柴油机的总体设计目标，确定各种需求之间的重要关系，共同协调，形成柴油机的总体设计方案。整体设计是柴油机设计中不可或缺的组成部分，不仅贯穿整个设计过程，而且贯穿各个系统和部件的框架设计。整体设计质量低，对柴油机的设计质量、使用性能、进展和产品寿命起着决定性作用。由于参与全面建设规划的变量范围广泛，因此开发新平台产品不仅需要设计者的实际经验和专业知识，而且还需要用于支持复杂决策、优化参数和优化设计的理论核心价值。

2 三维模型及子模型

使用三维建模软件对原型燃烧粗糙的三维几何图形进行建模。由于模拟样机是双层柴油机，因此需要润滑油中心、气缸中心和燃烧室中心的不对称偏心模型。显示喷嘴中心、气缸中心和燃烧器中心的相对位置图1（a）。燃烧室的几何模型基于上述三个元素的相对位置和燃烧室的实际几何参数，如图1 b所示。使用三维建模软件创建三维几何图形模型后，生成. stp格式并将其导入到网格软件中，以手动分隔燃烧空间的二维和三维网格，从而确保网格质量。创建三维网格后生成格式nas将继续在CFD导入软件中创建动态网格。圆柱中活塞的运动是另一种运动。活塞顶部的工作体积在活塞运动过程中发生变化。因此，必须在曲轴上的特定位置的圆柱上创建多个工作表，如图1（c）所示。仿真计算功能是发动机的压缩和充电通道，无论进气流量如何，在打开排气阀时都会关闭进气阀。

（a）燃烧室中心、喷油嘴中心在气缸中的位置

（b）燃烧室CATIA模型

（c）燃烧室动网格

湍流模型是一个名为cheng-δ的两部分模型，广泛应用于工程计算中，是根据基于湍流动能方程的湍流耗散系数的新方程形成的。DDM（离散化方法）：被选作燃料汽化工艺；火灾模型选择外壳自燃模型；燃烧模型选取小自旋破断模型（eddy-break-up）：NOX生成模型采用zeldovich模型，该模型认为空气中的nO2是NOX的主要来源。soot生成模型在油籽与Naber壁碰撞模型中使用流动模型。

3 Pareto前沿参数优化结果

利用遗传算法进行多目标参数优化的过程中，以NOx排放、soot排放和ISFC共3个参数作为优化目标，得到的Pareto最优前沿解集具有较低的排放和燃油消耗率，柴油喷射正时始终分布于上止点前0°～16°CA内，说明不同喷油时刻均有各自的排放或燃油消耗率的优势，因而能够被选为Pareto前沿解．Pareto前沿喷孔夹角向160°、153°、135°和128°集中．当喷孔夹角高于150°时，油束主要位于燃烧室上部空间，油束撞击碰撞平台后，分为上、下两层，气缸内的空气利用率较为充分．当喷孔夹角较小时，油束主要位于燃烧室中下部空间，上层燃烧室内空气利用率较小．最优解集的涡流比分别为1.96、1.72、1.52、1.27和0.25左右，说明较大的涡流比有利于降低柴油机的排放及油耗水平．优化后的压缩比分别为15.2、17.7和19.5．优化后的燃烧室的中心凸台高度在0.55～1.40cm之间，下层燃烧室喉口与底部半径的差值在-0.09～0.42cm之间．其中负值表示喉口半径小于底部半径，为缩口型燃烧室；正值为敞口型燃烧室，当差值在0～0.05cm之间时，可以称之为竖直型燃烧室．上层燃烧室优化后的高度为0.37～0.55cm、宽度为0.24～0.42cm．

4寻优分析

为了更直观地选择能减少排放量的无损区域，重叠等高线中黄色阴影周围的区域是符合排放标准的首选区域，具体取决于区域的造型特征，请在区域的左下角选择一个点，然后在右上角选择一个中心点，最佳化解决方案343 c a机油起点，比率为优化选项345 c a机油起点，转速比0.9，并对照数值模拟值检查排放标准。

优化平面与原缸压力曲线和热释率关系。从气缸压力曲线可以看出优化平面和原机床平面的气缸压力峰值基本相同。从升温曲线可以看出，情景1是最先着火的，升温率最高。范围（365 ～ 375 ） a的热释放率优化方案比原计算机略低，原平面的大涡能显着改善燃烧减缓期间的空气流动，加速混合物形成，375 a后优化方案的燃烧率高于原计算机不同情景下的NO排放与碳排放的比较曲线，优化方案通过采用较小的涡旋降低低速燃烧期间缸内的最高温度，减少了NO排放和碳排放。湍流比越小，在燃烧开始时对石油和天然气快速快速组合的支持就越少，这可能导致燃烧开始时混合过于密集，一开始容易破裂形成碳烟。因此，在将近385 CA的情况下，优化方案1的碳烟质量分数高于优化方案2，在最终排放量方面，方案2优于方案1。

结束语

以正交设计法为因子，针对声发射，采用燃烧室收缩比、燃烧室深度比、进气涡比、喷油锥角、喷油口膨胀高度等五个参数，对各因子的影响规律作出反应 使用非常差的质量分析方法获得了最佳的参数组合，并对优化前后的结果进行了比较分析。

参考文献：

[1]柳佳辰.高热效率重型柴油机燃烧系统优化数值模拟[D].天津大学，2020

[2]余国平.柴油机燃烧系统参数对整机噪声影响研究[J].内燃机，2019