摘 要

柴油机总量越来越多，逐渐成为各个行业的首选动力机械产品，虽然柴油机的燃油利用率、热效率比汽油机高出不少，但是其高排放的问题仍然没有得到解决。因此，改善柴油机的排放状况，同时加强柴油机的经济性能、动力性能也就成为了柴油机研究的重中之重。燃烧室对于柴油机的动力、经济、排放等各项性能均有着非常重要的影响，本文借助计算流体力学软件CONVERGE探究不同的燃烧室形状在其他各项条件相同的情况对于柴油机各项性性能的影响。

论文主要研究了两种不同的燃烧室形状（改变活塞顶面凹坑形状）对于柴油机各项性能的影响，因此在模型仿真中，将压缩比、所用燃料、燃料浓度、喷油正时及喷油压力均设置为不变量。

研究结果表明：Ⅱ型浅盆燃烧室的综合性能较优

本文的特色在于：采用内燃机专业模拟仿真软件对燃烧室模型进行仿真计算，降低了成本。

关键词：柴油机；燃烧室；CFD；

Abstract

The total amount of diesel engine is becoming more and more, gradually becoming the preferred power mechanical product in various industries. Although the diesel engine has a higher fuel efficiency and thermal efficiency than gasoline engines, the problem of high emissions has always been criticized. Therefore, improving diesel emissions, and at the same time strengthening its dynamics and economy have become the top priority for the research of diesel engine. The combustion chambers play a very important role on the performance of the diesel engine about power, economy, emissions, etc. This article uses the computational fluid dynamics software CONVERGE to explore how different shapes of combustion chamber affect diesel engines function at same condition.

The paper mainly studied the effects of three different combustion chamber shapes (changing the shape of the piston's top surface pit) on the function of the diesel engine. Therefore, in the model simulation, the compression ratio, fuel used, fuel concentration, injection timing, and injecting-pressure is set to invariable.

The results show that the overall performance of Type II shallow-basin combustion chamber is optimal.

The characteristic of this text lies in: Using the internal combustion engine specialized simulation software to carry on the simulating calculation for the combustion chamber model, has reduced the cost.

Key Words： combustor；diesel engine；CFD

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文主要内容 4

1.4 本章小结 4

第二章 CFD软件简介及各类燃烧室结构的特点 5

2.1CFD软件CONVERGE简介 5

2.2各类燃烧室结构的特点 5

2.2.1 分隔式 5

2.2.2 直喷式 6

2.3 本章小结 7

第三章 研究方法与结果分析 8

3.1研究方法 8

3.1.1建模过程 8

3.1.2网格划分 9

3.1.3参数设置 10

3.1.4数据后处理 10

3.2结果分析 11

3.2.1压力分析 11

3.2.2温度分析 13

3.2.3放热率分析 14

3.2.4排放分析SOOT、NOx、HC、CO 15

3.3 本章小结 18

第四章 总结 19

参考文献 20

致 谢 21

第一章 绪论

1.1 研究意义

21世纪以来，人类面临着严重的能源短缺和环境恶化等问题,而环境问题已逐步成为了现今社会的主要问题，温室效应、臭氧层破坏、厄尔尼诺效应等，在不断地警告人类停止破坏环境的行为。降低柴油机污染物的排放、提高燃油经济性将是柴油机工作者们亟待解决的难题。面对这些问题，数量巨大的车用发动机作为众矢之的遭受到了越来越严苛的排放法规，以减少有害排放，停止污染环境。以欧盟为例，自从2005年推行了欧Ⅳ排放标准后，紧接着又相继推出了再加严苛的欧Ⅴ标准。其排放标准之严苛，甚至可以说排放出来的尾气需要比空气还干净。而对于我们国家来说，问题仿佛更加严重。目前我国已有大部分地区遭遇到了雾霾的侵袭，空气质量难以保证，人民的生活也因为雾霾而有了非常多的不便之处。

然而，除了受到环境问题的困扰外，能源危机也是一个很大的问题。21世纪初的原油热过去之后 ，全世界范围内的原油开采都呈现下降趋势，原油供应十分紧张。而我国目前十分依靠能源进口，一旦脱离能源进口，会产生非常严重的能源危机。恰巧车用发动机，包括汽油机柴油机在能源消耗中占有较大的份额，这就要求发动机有更高的热效率，更好的燃油经济性。

目前柴油机在全世界范围内的数量越来越多，逐渐要成为车用发动机的主流，甚至有数据表明，欧洲的柴油车保有量已经超过了汽油车的保有量。而在我国的能源消耗结构调查中可以发现，内燃机的各种产品年消耗我国60%以上的能源，其中主要是石油能源。因此可以说，柴油机各项性能的改进以及对柴油机的相关研究和探索，无论是对于环境问题还是能源问题，都被赋予了更重大的意义。每一点小小的进步，如果能映射到全世界，都会引发或是制造一场不小的技术革命，帮助人类社会创造更多的财富，或是节省巨额的开支。

由于工作原理的差异，相比于汽油机，柴油机更加高效、节能，在清洁燃烧和动力性方面有着相当大的潜力可挖。柴油机和汽油机的根本区别在于它们的燃料特性不同，汽油更易挥发，容易与空气形成可燃混合气，因此在起燃时，汽油是以均质可燃物形式出现的。而柴油则不同，其难以挥发，需要通过高压力的喷嘴将其喷成雾状，这样才能和空气混合形成可燃气。并且该可燃混合物是凭借压燃实现着火燃烧的。对比以上工作原理可以看出，燃烧室在两种发动机中的作用有很大差异。在汽油机中，发动机动力性能主要取决于可燃混合物的浓度，然而调节浓度所需的节气门却是汽油机功率损失的主要来源之一；汽油机的排放则主要取决于点火提前角的大小，其控制着燃烧的相位；并且汽油机是在两种排放物，即NOx、HC、SOOT中作了一个折中的方案，并没有通过好的燃烧机理来从总体上减少有害物的排放。而在柴油机中，情况则完全不同，柴机油绝大部分的燃烧属于扩散燃烧，即喷出雾状柴油与空气混合后再自燃着火。从中即可看出影响柴油机性能的主要因素就是柴油与空气的混合是否良好，而我们有两种方法来控制柴油与空气的混合。首先，可以使用更大的喷油压力来使得喷雾的粒度更加细小，以便于柴油与空气混合，加快燃烧速度。但是，喷油压力不能无限制的增高，而且喷油压力增大也会带来新的技术难题。于是只能从燃烧室的几何结构角度来改善柴油机的排放性能，燃烧室的对柴油机减排的意义主要在三个方面：1）燃烧室的容积影响到气缸的压缩比，从而直接影响柴油机的动力。动力越强劲，相当于所需的燃油就越少，变相地减少了排放。2）燃烧室形状影响缸内的速度场的分布和可燃混合气的形成，从而影响混合气的燃烧和NOx、碳烟等污染物的生成。有些燃烧室可以使燃烧室内形成二次涡流，改善燃烧室的几何形状，合理利用进气涡流在燃烧室内形成挤流和湍流可以改善燃烧过程的质量，对降低有害物排放具有重要意义，同时还能提高发动机的经济性能和动力性能。3）燃烧室形状也影响到燃油油束与燃烧室几何结构的配合，从而影响燃油与空气的混合程度，进一步影响碳烟颗粒物的排放。不同形状类型的燃烧室具有不同的特点及燃烧特性，分别适用于不同类型的发动机。