电控单缸柴油机燃烧室设计与实验研究
发布时间：2021-04-02 22:21
为了满足发动机动力性、经济性和排放的要求,设计与进气系统和燃油喷射系统相匹配的燃烧室构型至关重要。采用数值模拟和实验验证相结合的方法,对电控单缸柴油机的燃烧室进行设计和优化。参考基准机型的主要结构参数,完成燃烧室结构设计,采用Euler-Lagrange联合仿真法对发动机标定点和扭矩点的性能进行计算,并与实验结果对比;对燃烧室结构进行参数化建模,研究标定点和扭矩点工况下燃烧室缩口比、燃烧室深度、燃烧室内径3个关键结构参数对发动机耗油率和排放的影响。结果表明:EulerLagrange联合仿真法满足燃烧室设计要求;在进气系统和燃油喷射系统确定的情况下,燃烧室的3个关键结构参数对发动机性能有显著影响。
【文章来源】：清华大学学报(自然科学版). 2016,56(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图１Ｅｕｌｅｒ多相流与Ｌａｇｒａｎｇｅ喷雾联合仿真流程图数值模型及参数选取
功率／ｋＷ）＠（转速／（ｒ·ｍｉｎ－１））１８．３８＠２２００（最大扭矩／（Ｎ·ｍ））＠（转速／（ｒ·ｍｉｎ－１））８９．０＠１５００扭矩点耗油率／（ｇ·（ｋＷ·ｈ）－１）≤２２０（缸径／ｍｍ）×（冲程／ｍｍ）１１３×１４０压缩比１７．５∶１喷油系统电控单体泵喷射开启压力／ＭＰａ２５过量空气系数＞１．５进气涡流比２．０根据燃油喷射系统形式和发动机总体结构参数，选择深坑缩口ω型燃烧室，燃烧室结构示意图如图２所示。图２燃烧室结构示意图２．２联合仿真分析喷油器中置，考虑到燃烧室对称性和计算时间成本，选择整个计算区域的１／７作为模拟区。数值仿真从进气门关闭５９０°起，到排气门打开８５０°结束，分别计算标定点和扭矩点工况下，单缸柴油机的动力性、经济性和排放特性。部分计算条件如表３所示，其中初始涡流比由专门的气道试验测试（试验地点：天津内燃机研究所）给出，温度边界条件由１维软件ＧＴ－Ｐｏｗｅｒ（ｖ７．３）计算给出。得到的标定点和扭矩点的缸内压强和放热率分别如图３和４所示。表３初始和边界条件计算范围／（°）５９０～８５０喷雾过程计算时间步长／μｓ５转速／（ｒ·ｍｉｎ－１）１５００／２２００初始压强／Ｐａ１０５初始温度／Ｋ３０３初始涡流比２．２初始湍动能／（ｍ２·ｓ－２）１８．３６特征长度尺度／ｍｍ５．３６活塞顶面温度／Ｋ６００气缸顶面温度／Ｋ５５０气缸侧面温度／Ｋ４５０
兰旭东，等：电控单缸柴油机燃烧室设计与实验研究１１１１图３缸内压强和放热率随曲轴转角变化（标定点）图４缸内压强、放热率随曲轴转角变化（扭矩点）单缸柴油机的标定点机械效率取为０．７５，扭矩点机械效率取为０．８０［８］，得到标定点的功率为１９．２６ｋＷ，燃料消耗率为２０７．５ｇ／（ｋＷ·ｈ）；最大扭矩为９３．４Ｎ·ｍ，扭矩点耗油率为２０６．３ｇ／（ｋＷ·ｈ）。从计算结果来看，设计的燃烧室满足单缸柴油机性能指标要求（如表２所示）。２．３单缸柴油机性能试验发动机性能定型试验在山东省内燃机产品质量监督检验站进行，设计指标与检测结果如表４所示。从检测结果来看，设计的单缸柴油机性能全面达到了第二代单缸柴油机性能指标（根据《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）》（ＧＢ２０８９１—２０１４））。３燃烧室结构优化燃烧室主要结构参数如图５所示。其中：Ｄ是气缸直径；Ｄｃ是凹坑内径（燃烧室宽度）；Ｄｋ是燃烧室缩口直径；Ｄｃ／Ｄｋ是缩口比，表示燃烧室缩口程度。Ｓ０是压缩上止点余隙高度，Ｈ是燃烧室凹坑深度，Ｈｃ是燃烧室中心凸台高度。表４电控单缸柴油机设计指标与实测结果对比项目设计指标实测结果（额定功率／ｋＷ）＠（转速／（ｒ·ｍｉｎ－１））１８．３８＠２２００１８．４６＠２２００扭矩点耗油率／（ｇ·（ｋＷ·ｈ）－１）≤２２０２０９．４机油消耗率／（ｇ·（ｋＷ·ｈ）－１）≤１．７０１．１８噪声／ｄＢ≤１１０１１０ＣＯ排放量／（
本文编号：3116065
【文章来源】：清华大学学报(自然科学版). 2016,56(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图１Ｅｕｌｅｒ多相流与Ｌａｇｒａｎｇｅ喷雾联合仿真流程图数值模型及参数选取
功率／ｋＷ）＠（转速／（ｒ·ｍｉｎ－１））１８．３８＠２２００（最大扭矩／（Ｎ·ｍ））＠（转速／（ｒ·ｍｉｎ－１））８９．０＠１５００扭矩点耗油率／（ｇ·（ｋＷ·ｈ）－１）≤２２０（缸径／ｍｍ）×（冲程／ｍｍ）１１３×１４０压缩比１７．５∶１喷油系统电控单体泵喷射开启压力／ＭＰａ２５过量空气系数＞１．５进气涡流比２．０根据燃油喷射系统形式和发动机总体结构参数，选择深坑缩口ω型燃烧室，燃烧室结构示意图如图２所示。图２燃烧室结构示意图２．２联合仿真分析喷油器中置，考虑到燃烧室对称性和计算时间成本，选择整个计算区域的１／７作为模拟区。数值仿真从进气门关闭５９０°起，到排气门打开８５０°结束，分别计算标定点和扭矩点工况下，单缸柴油机的动力性、经济性和排放特性。部分计算条件如表３所示，其中初始涡流比由专门的气道试验测试（试验地点：天津内燃机研究所）给出，温度边界条件由１维软件ＧＴ－Ｐｏｗｅｒ（ｖ７．３）计算给出。得到的标定点和扭矩点的缸内压强和放热率分别如图３和４所示。表３初始和边界条件计算范围／（°）５９０～８５０喷雾过程计算时间步长／μｓ５转速／（ｒ·ｍｉｎ－１）１５００／２２００初始压强／Ｐａ１０５初始温度／Ｋ３０３初始涡流比２．２初始湍动能／（ｍ２·ｓ－２）１８．３６特征长度尺度／ｍｍ５．３６活塞顶面温度／Ｋ６００气缸顶面温度／Ｋ５５０气缸侧面温度／Ｋ４５０
兰旭东，等：电控单缸柴油机燃烧室设计与实验研究１１１１图３缸内压强和放热率随曲轴转角变化（标定点）图４缸内压强、放热率随曲轴转角变化（扭矩点）单缸柴油机的标定点机械效率取为０．７５，扭矩点机械效率取为０．８０［８］，得到标定点的功率为１９．２６ｋＷ，燃料消耗率为２０７．５ｇ／（ｋＷ·ｈ）；最大扭矩为９３．４Ｎ·ｍ，扭矩点耗油率为２０６．３ｇ／（ｋＷ·ｈ）。从计算结果来看，设计的燃烧室满足单缸柴油机性能指标要求（如表２所示）。２．３单缸柴油机性能试验发动机性能定型试验在山东省内燃机产品质量监督检验站进行，设计指标与检测结果如表４所示。从检测结果来看，设计的单缸柴油机性能全面达到了第二代单缸柴油机性能指标（根据《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）》（ＧＢ２０８９１—２０１４））。３燃烧室结构优化燃烧室主要结构参数如图５所示。其中：Ｄ是气缸直径；Ｄｃ是凹坑内径（燃烧室宽度）；Ｄｋ是燃烧室缩口直径；Ｄｃ／Ｄｋ是缩口比，表示燃烧室缩口程度。Ｓ０是压缩上止点余隙高度，Ｈ是燃烧室凹坑深度，Ｈｃ是燃烧室中心凸台高度。表４电控单缸柴油机设计指标与实测结果对比项目设计指标实测结果（额定功率／ｋＷ）＠（转速／（ｒ·ｍｉｎ－１））１８．３８＠２２００１８．４６＠２２００扭矩点耗油率／（ｇ·（ｋＷ·ｈ）－１）≤２２０２０９．４机油消耗率／（ｇ·（ｋＷ·ｈ）－１）≤１．７０１．１８噪声／ｄＢ≤１１０１１０ＣＯ排放量／（
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