CN114970404B - 基于缸内燃烧cfd分析的发动机油耗计算及优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于缸内燃烧CFD分析的发动机油耗计算及优化方法，通过缸内燃烧CFD分析的结果来进行发动机油耗计算，结合缸内燃烧过程中的气体做功和换热情况，对油耗产生的主要原因和油耗水平进行分析，在正向设计阶段就可以判断发动机的油耗水平，并且通过缸内燃烧仿真分析结果计算发动机油耗可靠性较高，分析油耗的同时还可进行缸内燃烧水平、缸内涡流比、油气混合分布、放热率、缸内压力和废气排放等发动机燃烧性能的评估。本发明方法由于对缸内燃烧的流体运动状态进行了整个工作循环的仿真计算，可以统计缸内当量比、涡流比、放热率、Soot、NOx等多项参数，对于分析高油耗原因或者评估缸内燃烧性能的研究都可借助本方法进行分析。

Description

基于缸内燃烧CFD分析的发动机油耗计算及优化方法
技术领域
本发明涉及发动机油耗计算与燃烧性能评估技术领域，具体涉及基于缸内燃烧CFD分析的发动机油耗计算及优化方法。
背景技术
随着燃油经济性要求的不断提高，对发动机油耗的关注度也越来越高，发动机油耗同时也是发动机性能的一项重要指标。无论是从客户角度出发考虑的经济性问题，还是从汽车本身的性能角度出发，发动机油耗都是需要重点关注的问题。
现阶段计算油耗多采用测试和统计装置，测试和统计装置与车辆进行实时通讯连接，采集发动机转速、发动机气缸排量、进气温度等数据，再调用油耗计算处理模块进行计算。但是，市面上大多油耗计算装置只针对汽油机，无法针对柴油机，因为汽油机和柴油机在工作方式上存在较大差异。根据发动机工作原理，汽油机燃烧过程中，燃油和空气的混合比是按一定标准比例进行燃烧，汽油机基本保持在理论空燃比的附近，油耗统计装置可以根据空气流量，换算出燃烧过程中参与的汽油油品质量，从而统计出燃料累计消耗量。但是，柴油机燃烧特性有所不同，为保证排放达标，柴油燃烧大多为稀燃过程，燃烧做功过程的油气混合比远小于理论混合比，若直接通过理论空燃比计算燃油消耗误差将较大，因此工程应用中存在较多问题。
此外，这些测试和统计计算方法都有一个前提，即发动机已生产装机，可以进行试验测试，如果在正向设计阶段，并没有发动机实物时，该方法将无法使用。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供基于缸内燃烧CFD分析的发动机油耗计算及优化方法，可以根据发动机缸内燃烧情况来进行发动机油耗的预测计算，结合缸内燃烧过程中的气体做功和换热情况，对油耗产生的主要原因和油耗水平进行计算，在正向设计阶段就可以判断发动机的油耗水平，无需等到台架试验阶段通过油耗检测装置测试油耗水平，并且通过缸内燃烧仿真分析结果计算发动机油耗可靠性较高，分析油耗的同时可以进行缸内燃烧水平、缸内涡流比、油气混合分布情况、放热率、缸内压力、排放情况、喷嘴和燃烧室选型等燃烧性能的评估。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于缸内燃烧CFD分析的发动机油耗计算及优化方法，包括以下步骤：
步骤1、从数据库或工程师处获取发动机设计数据，并据此建立发动机缸内及进排气道分析模型；
步骤2、对步骤1中建立的发动机缸内及进排气道分析模型进行动网格划分；
步骤3、对划分网格后的发动机缸内及进排气道分析模型进行一维热力学仿真分析，得到其边界条件数据；
步骤4、从数据库或零件供应商处获取喷油器油嘴参数，并在发动机缸内及进排气道分析模型中进行设置；
步骤5、对发动机缸内及进排气道分析模型就缸内燃烧CFD分析求解作进一步设置；
步骤6、对发动机缸内及进排气管道分析模型进行CFD燃烧分析，统计燃烧过程中缸内压力及容积变化结果；
步骤7、对步骤6中统计的发动机燃烧过程中缸内压力及容积变化结果进行积分求解，计算发动机指示燃油消耗率，计算公式如下：
Figure 648580DEST_PATH_IMAGE002
上式中：ISFC——指示燃油消耗率，单位g/kwh；
Mi——整个燃烧过程中一个循环720°CA的喷油量，单位为g；
P——缸内压力随曲轴转角变化的瞬态值，单位为Pa；
v——容积随曲轴转角变化的瞬态值，单位为m3；
步骤8、根据发动机缸内及进排气管道分析模型的CFD燃烧分析结果，进一步对发动机各项燃烧性能进行评估，进而确定是否需要对发动机设计参数进行优化，若是则根据评估结果对相应设计参数进行优化，否则执行步骤9；
步骤9、结束。
具体的，步骤2中所述对步骤1中建立的发动机缸内及进排气道分析模型进行动网格划分，具体包括以下步骤：
步骤2.1、确定发动机气门升程曲线；
步骤2.2、根据气门升程曲线确定进排气门开启和关闭时刻，从而确定各阶段的网格模型；
步骤2.3、根据不同阶段的不同网格模型进行动网格划分。
具体的，步骤3中所述对划分网格后的发动机缸内及进排气道分析模型进行一维热力学仿真分析，得到其边界条件数据，发动机缸内及进排气道分析模型的边界条件数据包括：进气道入口的流量、温度随曲轴转角变化的瞬态值；排气道出口的压力、温度随曲轴转角变化的瞬态值。
具体的，步骤4中所述获取喷油器油嘴参数，喷油器油嘴参数包括喷油量、喷嘴数、喷孔位置、喷油锥角和喷油速率。
具体的，步骤5中所述对发动机缸内及进排气道分析模型就缸内燃烧CFD分析求解作进一步设置，还需要设置的参数包括：发动机参数设置、边界条件设置、求解控制设置、求解结果输出设置、组分模型设置、燃烧模型设置、喷油模型设置和排放模型设置。
具体的，步骤8中所述根据发动机缸内及进排气管道分析模型的CFD燃烧分析结果，进一步对发动机各项燃烧性能进行评估，所述发动机各项燃烧性能包括：缸内燃烧水平、缸内涡流比、油气混合分布、放热率、缸内压力、废气排放和喷嘴与燃烧室选型。
进一步地，所述根据评估结果对相应设计参数进行优化，油耗计算完之后，通过逐一评估发动机各项燃烧性能，以分析油耗产生的主要原因，并逐一进行针对性的优化，从而进一步改善油耗水平，具体内容如下：
首先，计算整个工作循环通过壁面的热能W：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中，Q——每个曲轴转角通过壁面的热能；
C——曲轴转角；
如果整个工作循环通过壁面的热能相较气体做功的值更大，则油耗的产生与缸内滚流或者涡流水平有关，相应的优化方法为改善气道，如果通过壁面的热能相较气体做功的值更小，则油耗的产生与缸压和缸内燃烧情况相关，相应的优化方法为优化喷油器和燃烧室的配型，通过对比仿真不同喷油器、燃烧室、喷油时刻、喷油角的结果选取最佳的喷油器、喷油时刻和燃烧室的搭配；
其次，评估喷油后每间隔10°的当量比云图中当量比为1的面积，即油气混合情况，如果当量比小于0.8则代表燃油太稀，当量比大于1.2则代表燃油过浓，过稀过浓都不利于燃烧，同时排放也会较差，需要优化喷油量以及喷油器和燃烧室的配型来改善油耗；
最后评估氮氧化物NOx和碳烟Soot的排放水平，其中，氮氧化物NOx主要是喷油期间形成的，燃烧越快温度越高，氮氧化物NOx生成就越多，温度下降后氮氧化物NOx质量不再改变，氮氧化物NOx越多代表燃烧越好；碳烟Soot是喷油结束后的燃烧过程产生的，主要产生于局部混合不好的浓混合区，碳烟Soot越少代表浓混区越少，单独氮氧化物NOx和碳烟Soot的曲线不足以判断排放情况，故通过建立NOx-Soot曲线来进行判断，具体通过对比不同方案在相同氮氧化物NOx下的碳烟Soot水平来判断各方案的排放情况，排放水平的优化方法为通过调节喷油时刻、调节燃烧室和喷油器的配型，来改善油气混合情况，防止出现燃油过浓区，从而降低碳烟Soot排放。
本发明相对现有技术的有益效果：
1、本发明方法根据发动机缸内燃烧情况来进行发动机油耗的预测计算，结合缸内燃烧过程中的气体做功和换热情况，对油耗产生的主要原因和油耗水平进行计算，在正向设计阶段就可以判断发动机的油耗水平，而无需等到台架试验阶段通过油耗检测装置测试油耗水平；
2、本发明方法通过缸内燃烧CFD仿真分析结果计算发动机油耗，可靠性高，并且通过缸内燃烧CFD仿真分析得到的缸内压力和容积变化的曲线，相较传统方法，所得到的缸内压力和容积变化曲线与实际曲线拟合度更高；
3、本发明方法在分析油耗的同时还可进行发动机缸内燃烧水平、缸内涡流比、油气混合分布、放热率、缸内压力、废气排放等燃烧性能的评估，进而辅助设计人员完成对发动机喷嘴和燃烧室的选型。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种基于缸内燃烧CFD分析的发动机油耗计算及优化方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中建立的发动机缸内及进排气道分析模型的结构示意图；
图3是本发明实施例中边界条件数据曲线图；
图4是本发明实施例中缸内压力随曲轴转角变化的瞬态曲线图；
图5是本发明实施例中缸内容积随曲轴转角变化的瞬态曲线图；
图中：1、进气道；2、排气道；3、进气门；4、排气门；5、火力面；6、燃烧室；7、活塞顶面。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明基于缸内燃烧CFD分析的发动机油耗计算及优化方法，包括以下步骤：
步骤1、从数据库或工程师处获取发动机设计数据，并据此建立发动机缸内及进排气道分析模型；
步骤2、对步骤1中建立的发动机缸内及进排气道分析模型进行动网格划分；
步骤3、对划分网格后的发动机缸内及进排气道分析模型进行一维热力学仿真分析，得到其边界条件数据；
步骤4、从数据库或零件供应商处获取喷油器油嘴参数，并在发动机缸内及进排气道分析模型中进行设置；
步骤5、对发动机缸内及进排气道分析模型就缸内燃烧CFD分析求解作进一步设置；
步骤6、对发动机缸内及进排气管道分析模型进行CFD燃烧分析，统计燃烧过程中缸内压力及容积变化结果；
步骤7、对步骤6中统计的发动机燃烧过程中缸内压力及容积变化结果进行积分求解，计算发动机指示燃油消耗率；
步骤8、根据发动机缸内及进排气管道分析模型的CFD燃烧分析结果，进一步对发动机各项燃烧性能进行评估，进而确定是否需要对发动机设计参数进行优化，若是则根据评估结果对相应设计参数进行优化，否则执行步骤9；
步骤9、结束。
如图2所示，步骤2中所述建立发动机缸内及进排气道分析模型，在具体实施操作中，首先需要建立完整的仿真模型，包括：燃烧室（活塞顶面、火力面）、进气道、进气门、排气道、排气门等三维模型以及喷嘴的相关参数，借助使用CFD仿真分析软件，建立发动机燃烧分析模型，建立的模型包含火力面5、燃烧室6、活塞顶面7、进气道1、进气门3、排气道2、排气门4等零件，按发动机设计时的装配方式将各零件组装在一起。
步骤2中所述对步骤1中建立的发动机缸内及进排气道分析模型进行动网格划分，在确定了气门升程曲线以及发动机的基本参数（冲程、缸径、连杆长度等）后即可开始对三维模型进行网格划分。
具体的，由于气门与活塞为运动件，需要划分整个瞬态720°循环的运动网格以用于计算分析，不同阶段的分析模型各不相同，根据气门升程曲线确定进排气门开启和关闭时刻，从而确定各阶段的网格模型；根据不同阶段的不同模型（进气门关闭后模型则不包括进气道，同理，排气门关闭后模型则不包括排气道）进行具体的动网格划分，具体步骤如下：
步骤2.1、确定发动机气门升程曲线；
步骤2.2、根据气门升程曲线确定进排气门开启和关闭时刻，从而确定各阶段的网格模型；
步骤2.3、根据不同阶段的不同网格模型进行动网格划分。
进一步地，本实施例中给出了一种常用的发动机缸内及进排气道分析模型网格划分示例，首先依据进排气门开启和关闭时刻将整个瞬态720°循环分为四个阶段（排气门开、气门叠开、进气门开、压缩冲程），从而确定各阶段的网格模型，进行具体的动网格划分，动网格划分结果如下表1所示。
表1 发动机缸内及进排气道分析模型网格划分示例
循环阶段 排气门开 气门叠开 进气门开 压缩冲程
曲轴转角分段 143°—318° 318°—360° 360°—492° 492°—863°
各阶段网格数水平 180°时刻网格数139万±2万 360°时刻网格数171万±2万 450°时刻网格数137万±2万 720°时刻网格数38万±2万
步骤3中所述对划分网格后的发动机缸内及进排气道分析模型进行一维热力学仿真分析，得到其边界条件数据，具体的，如图3所示，在动网格划分好之后，还需要收集边界条件数据，不同工况下边界条件是不一样的，需要确定进气道入口的流量、温度随曲轴转角变化的瞬态值，以及排气道出口的压力、温度随曲轴转角变化的瞬态值。
本实施例中，步骤4中所述获取喷油器油嘴参数，喷油器油嘴参数包括喷油量、喷嘴数、喷孔位置、喷油锥角和喷油速率。
步骤5中所述对发动机缸内及进排气道分析模型就缸内燃烧CFD分析求解作进一步设置，在需要的各种参数都准备齐全之后，就根据缸内燃烧仿真分析求解模型一步一步进行设置，包括发动机参数设置、边界条件设置、求解控制设置、求解结果输出设置、组分模型设置、燃烧模型设置、喷油模型设置和排放模型设置。
如图4、5所示为本实施例中统计的缸内压力和容积随曲轴转角变化的瞬态曲线图，进一步对统计的发动机燃烧过程中缸内压力及容积变化结果进行积分求解，进而计算发动机指示燃油消耗率，发动机指示燃油消耗率的计算公式如下：
Figure 247051DEST_PATH_IMAGE004
上式中：ISFC——指示燃油消耗率，单位g/kwh；
Mi——整个燃烧过程中一个循环720°CA的喷油量，单位为g；
P——缸内压力随曲轴转角变化的瞬态值，单位为Pa；
v——容积随曲轴转角变化的瞬态值，单位为m3。
进一步地，上述指示燃油消耗率是单位指示功的耗油量，通常用单位千瓦时指示功率的耗油量可数（g/kWh）来表示；指示功指活塞完成一个工作循环所获得的有用功。
具体的，步骤8所述根据发动机缸内及进排气管道分析模型的CFD燃烧分析结果，进一步对发动机各项燃烧性能进行评估，所述发动机各项燃烧性能包括：缸内燃烧水平、缸内涡流比、油气混合分布、放热率、缸内压力、废气排放和喷嘴与燃烧室选型。
进一步地，所述根据评估结果对相应设计参数进行优化，油耗计算完之后，通过逐一评估发动机各项燃烧性能，以分析油耗产生的主要原因，并逐一进行针对性的优化，从而进一步改善油耗水平，具体内容如下：
首先，计算整个工作循环通过壁面的热能W：
Figure 795844DEST_PATH_IMAGE003
其中，Q——每个曲轴转角通过壁面的热能；
C——曲轴转角；
如果整个工作循环通过壁面的热能相较气体做功的值更大，则油耗的产生与缸内滚流或者涡流水平有关，相应的优化方法为改善气道，如果通过壁面的热能相较气体做功的值更小，则油耗的产生与缸压和缸内燃烧情况相关，相应的优化方法为优化喷油器和燃烧室的配型，通过对比仿真不同喷油器、燃烧室、喷油时刻、喷油角的结果选取最佳的喷油器、喷油时刻和燃烧室的搭配；
其次，评估喷油后每间隔10°的当量比云图中当量比为1的面积，即油气混合情况，如果当量比小于0.8则代表燃油太稀，当量比大于1.2则代表燃油过浓，过稀过浓都不利于燃烧，同时排放也会较差，需要优化喷油量以及喷油器和燃烧室的配型来改善油耗；
最后评估氮氧化物NOx和碳烟Soot的排放水平，其中，氮氧化物NOx主要是喷油期间形成的，燃烧越快温度越高，氮氧化物NOx生成就越多，温度下降后氮氧化物NOx质量不再改变，氮氧化物NOx越多代表燃烧越好；碳烟Soot是喷油结束后的燃烧过程产生的，主要产生于局部混合不好的浓混合区，碳烟Soot越少代表浓混区越少，单独氮氧化物NOx和碳烟Soot的曲线不足以判断排放情况，故通过建立NOx-Soot曲线来进行判断：即在同样的氮氧化物NOx水平下，碳烟Soot越少的设计方案最优。
同样的，有时评价一个发动机的燃烧性能不能单看油耗，需要让油耗的排放综合水平最优，本发明通过建立油耗与排放的关系曲线来判断综合水平，即在同样的氮氧化物NOx水平下，油耗越低的设计方案最优。
需要说明的是，本发明方法由于对缸内燃烧的流体运动状态进行了整个工作循环的仿真计算，可以统计缸内当量比、涡流比、放热率、Soot、NOx等多项参数，涉及到分析油耗高的主要原因或者评估缸内燃烧性能的研究都可以通过本方法进行分析。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明的技术方案范围内。

Claims (7)

1.基于缸内燃烧CFD分析的发动机油耗计算及优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、从数据库或工程师处获取发动机设计数据，并据此建立发动机缸内及进排气道分析模型；
步骤2、对步骤1中建立的发动机缸内及进排气道分析模型进行动网格划分；
步骤3、对划分网格后的发动机缸内及进排气道分析模型进行一维热力学仿真分析，得到其边界条件数据；
步骤4、从数据库或零件供应商处获取喷油器油嘴参数，并在发动机缸内及进排气道分析模型中进行设置；
步骤5、对发动机缸内及进排气道分析模型就缸内燃烧CFD分析求解作进一步设置；
步骤6、对发动机缸内及进排气管道分析模型进行CFD燃烧分析，统计燃烧过程中缸内压力及容积变化结果；
步骤7、对步骤6中统计的发动机燃烧过程中缸内压力及容积变化结果进行积分求解，计算发动机指示燃油消耗率，计算公式如下：
Figure 964779DEST_PATH_IMAGE001
上式中：ISFC——指示燃油消耗率，单位g/kwh；
Mi——整个燃烧过程中一个循环720°CA的喷油量，单位为g；
P——缸内压力随曲轴转角变化的瞬态值，单位为Pa；
v——容积随曲轴转角变化的瞬态值，单位为m3；
步骤8、根据发动机缸内及进排气管道分析模型的CFD燃烧分析结果，进一步对发动机各项燃烧性能进行评估，进而确定是否需要对发动机设计参数进行优化，若是则根据评估结果对相应设计参数进行优化，否则执行步骤9；
步骤9、结束。
2.根据权利要求1所述的基于缸内燃烧CFD分析的发动机油耗计算及优化方法，其特征在于，步骤2中所述对步骤1中建立的发动机缸内及进排气道分析模型进行动网格划分，具体包括以下步骤：
步骤2.1、确定发动机气门升程曲线；
步骤2.2、根据气门升程曲线确定进排气门开启和关闭时刻，从而确定各阶段的网格模型；
步骤2.3、根据不同阶段的不同网格模型进行动网格划分。
3.根据权利要求1所述的基于缸内燃烧CFD分析的发动机油耗计算及优化方法，其特征在于，步骤3中所述对划分网格后的发动机缸内及进排气道分析模型进行一维热力学仿真分析，得到其边界条件数据，发动机缸内及进排气道分析模型的边界条件数据包括：进气道入口的流量、温度随曲轴转角变化的瞬态值；排气道出口的压力、温度随曲轴转角变化的瞬态值。
4.根据权利要求1所述的基于缸内燃烧CFD分析的发动机油耗计算及优化方法，其特征在于，步骤4中所述获取喷油器油嘴参数，喷油器油嘴参数包括喷油量、喷嘴数、喷孔位置、喷油锥角和喷油速率。
5.根据权利要求1所述的基于缸内燃烧CFD分析的发动机油耗计算及优化方法，其特征在于，步骤5中所述对发动机缸内及进排气道分析模型就缸内燃烧CFD分析求解作进一步设置，还需要设置的参数包括：发动机参数设置、边界条件设置、求解控制设置、求解结果输出设置、组分模型设置、燃烧模型设置、喷油模型设置和排放模型设置。
6.根据权利要求1所述的基于缸内燃烧CFD分析的发动机油耗计算及优化方法，其特征在于，步骤8中所述根据发动机缸内及进排气管道分析模型的CFD燃烧分析结果，进一步对发动机各项燃烧性能进行评估，所述发动机各项燃烧性能包括：缸内燃烧水平、缸内涡流比、油气混合分布、放热率、缸内压力、废气排放和喷嘴与燃烧室选型。
7.根据权利要求1所述的基于缸内燃烧CFD分析的发动机油耗计算及优化方法，其特征在于，步骤8中所述根据评估结果对相应设计参数进行优化，油耗计算完之后，通过逐一评估发动机各项燃烧性能，以分析油耗产生的主要原因，并逐一进行针对性的优化，从而进一步改善油耗水平，具体内容如下：
首先，计算整个工作循环通过壁面的热能W：
Figure 881920DEST_PATH_IMAGE002
其中，Q——每个曲轴转角通过壁面的热能；
C——曲轴转角；
如果整个工作循环通过壁面的热能相较气体做功的值更大，则油耗的产生与缸内滚流或者涡流水平有关，相应的优化方法为改善气道，如果通过壁面的热能相较气体做功的值更小，则油耗的产生与缸压和缸内燃烧情况相关，相应的优化方法为优化喷油器和燃烧室的配型，通过对比仿真不同喷油器、燃烧室、喷油时刻、喷油角的结果选取最佳的喷油器、喷油时刻和燃烧室的搭配；
其次，评估喷油后每间隔10°的当量比云图中当量比为1的面积，即油气混合情况，如果当量比小于0.8则代表燃油太稀，当量比大于1.2则代表燃油过浓，过稀过浓都不利于燃烧，同时排放也会较差，需要优化喷油量以及喷油器和燃烧室的配型来改善油耗；
最后评估氮氧化物NOx和碳烟Soot的排放水平，通过建立NOx-Soot曲线来进行判断，具体通过对比不同方案在相同氮氧化物NOx下的碳烟Soot水平来判断各方案的排放情况，排放水平的优化方法为通过调节喷油时刻、调节燃烧室和喷油器的配型，来改善油气混合情况，防止出现燃油过浓区，从而降低碳烟Soot排放。
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