摘 要

柴油机自发明至今，逐渐应用于各个领域，在人们生活中的比重越来越高。燃烧室的几何形状对于柴油机缸内混合气的形成与燃烧均有很大的影响。本文主要对自然吸气柴油机缸内的气流运动、燃烧情况与排放特性进行了探究。

本文设计了三种形状不同的缩口ω形燃烧室，并使用三维数值模拟仿真软件AVL FIRE对三种形状不同的柴油机燃烧室进行模拟计算，保证三种情况下的压缩比相同且为18，随后生成网格，确定初始参数、边界条件、计算模型、喷油提前角、喷油持续期以及燃料质量等参数，然后对三种燃烧室进行数值模拟，获得缸内气流速度矢量图、湍动能、燃烧特性以及排放特性。

本文综合比较了模拟所得的缸内气流速度矢量图、湍动能、燃烧特性以及排放特性，最终发现，本次参与研究的三种燃烧室中，燃烧室B的表现最佳，因此确定燃烧室B为最佳燃烧室。

关键词：柴油机；燃烧室几何形状；气流运动；燃烧；排放

Abstract

Since the invention of the diesel engine, it has gradually been used in various fields and has become increasingly important in people's life. The geometry of the combustion chamber has a great influence on the formation and combustion of the gas mixture in the diesel engine cylinder. This article mainly focuses on the naturally aspirated diesel engine to investigate the air flow, combustion and emission characteristics in the diesel engine cylinder.

In this paper, three different shrinking ω-shaped combustion chambers are designed. This article uses the three-dimensional numerical simulation software, AVL FIRE, to research the three combustion chambers and ensure that the three diesel engines have the same compression ratio which is 18. Then generate a grid, determine the initial parameter, boundary conditions, calculation models, fuel injection advance angle, fuel injection duration, fuel quality and other parameters. Then start the numerical simulation of the three diesel engines, and get a vector diagram of the in-cylinder gas flow velocity, a cloud diagram of turbulent kinetic energy, combustion characteristics and emission characteristics.

This paper comprehensively compares the vector diagram of the in-cylinder gas flow velocity, turbulent kinetic energy, combustion characteristics and emission characteristics. Finally, it is found that among the three combustion chambers that participate in the study, combustion chamber B performes the best. Therefore, combustion chamber B is determined the best combustion chamber.

Keywords: Diesel engine; Geometry of the combustion chamber; Air flow movement; Combustion; Emission

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 柴油机燃烧室的研究现状 2

1.3 本文研究内容及意义 3

第2章 数值模拟平台的建立 4

2.1 应用软件介绍 4

2.1.1 CFD介绍 4

2.1.2 AVL FIRE软件介绍 4

2.2 柴油机基本参数及边界条件 5

2.3 燃烧室形状的设计与网格划分 6

2.3.1 燃烧室形状参数的选择 6

2.3.2 燃烧室网格模型的建立与划分 8

2.4 计算模型的选择 8

2.4.1 缸内气体流动模型 8

2.4.2 燃油喷雾子模型 8

2.4.3 燃烧与排放模型 8

2.5 本章小结 9

第3章 柴油机对缸内气流以及燃烧影响的仿真研究 10

3.1 柴油机燃烧室几何形状对于缸内流场的影响 10

3.1.1 无喷油时速度场分析 12

3.1.2 正常运转工况下速度场分析 12

3.1.3 正常运转工况下湍动能分析 16

3.2 柴油机燃烧室几何形状对于燃烧性能的影响 17

3.2.1 燃烧室形状对放热率的影响 17

3.2.2 柴油机燃烧室几何形状对温度与压力的影响 19

3.3 柴油机燃烧室几何形状对于排放特性的影响 21

3.3.1 燃烧室形状对于NOx排放的影响 21

3.3.2 燃烧室形状对于Soot排放的影响 21

3.4 本章小结 23

第4章 全文总结与工作展望 25

4.1 全文总结 25

4.2 工作展望 25

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1 引言

柴油机自1892年被发明以来，便得到迅速的发展，不仅在国民经济领域应用广泛，而且在国防领域也有着重要的地位。但是，面临着如今愈发严峻的能源问题，研究出更好性能的柴油机是十分必要的。因此增加柴油机的效率、改善柴油机的性能以及减少有害气体的排放等问题便是人们研究的重点所在。这一切都是通过柴油机的燃烧来实现的，而柴油机的燃烧与所需混合气的形成都与燃烧室有着十分密切的关系，所以为了满足当前高效率的市场需求，优化燃烧室的形状会大大促进柴油机的发展^[1]。

经过长久的发展，对于直喷式柴油机来说，该类柴油机燃烧室可以分为两类：浅盆形与深坑形燃烧室。下图1.1为浅盆形与深坑形燃烧室的图片^[2]。浅盆形燃烧室中，存在着一个形状多变凹坑，其中最有代表性的形状是半球形。半球形燃烧室中，进排气门的布置与活塞顶部不平行，从而可以通过气流的运动来增加进排气的效率。如今，这种结构仍在使用，使得柴油机的发展进入了一个新时代。深坑形燃烧室中，形成混合气的方式与浅盆形燃烧室有较大的区别。它不像浅盆形燃烧室只依靠喷射能力，除此之外，还依靠进气涡流与挤流压强的共同作用。深坑形燃烧室如今使用的比较多，主要有三种：球形、深ω形与四角形燃烧室。这三种燃烧室各有优点，球形燃烧室燃烧比较彻底，但起动情况受温度影响较大，起动温度不宜过低；深ω形燃烧室会使得进入燃烧室的燃油形成涡流，这样会更加容易形成混合气，但由于喷嘴易堵塞的缘故，导致尾气排放量比较高；四角形燃烧室的性能较ω形燃烧室有了一定的优化与提高。在增强涡流强度的基础上，大大改善了排放物的影响。所以燃烧室将会发展的更加完善与高效。