CN115510685A - 一种国六两气门柴油机的燃烧室正向设计和评价方法 - Google Patents

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杜辉
许林
程党明
王楠
马超
陈洪书
刘勇
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Abstract

本发明提供了一种国六两气门柴油机的燃烧室正向设计和评价方法，包括1）燃烧室关键尺寸范围的确认；2）燃烧室方案设计；3）基于油束落点的燃烧室方案筛选；4）基于压缩比的燃烧室方案筛选；5）CFD燃烧模拟计算评估：6）燃烧室方案推荐；7）燃烧室方案的试验验证。本发明方法不仅能够正向设计出燃烧室形状和尺寸，还能评估当前燃烧系统下燃烧室的性能和排放情况，既可以用于全新柴油机燃烧室的设计选型，也可以在现有柴油机升级时改善发动机燃烧水平。

Description

一种国六两气门柴油机的燃烧室正向设计和评价方法
技术领域
本发明涉及国六两气门柴油机燃烧室正向设计技术领域，具体涉及一种国六两气门柴油机的燃烧室正向设计和评价方法。
背景技术
尽管目前绝大多数新开发的柴油机是四气门发动机，但两气门发动机以其低成本、结构简单、可靠性好的优势仍活跃于市场上。
与四气门发动机相比，两气门发动机的进气面积低30％左右，排气面积低50％左右，不利于发动机充气效率和泵气损失。另外燃烧室偏心设计，喷油器斜置，使得发动机油气混合相对更加困难。与上一代国五排放标准相比，现行国六标准下的重型柴油机NOx限值下降了77％，PM限值降低了67％，因此，对燃烧系统的要求愈发严苛。燃烧室形状是燃烧系统最重要的组成之一，但目前行业内未有针对两气门柴油机燃烧室正向设计方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种国六两气门柴油机的燃烧室正向设计和评价方法，不仅能够正向设计出燃烧室形状和尺寸，还能评估当前燃烧系统下燃烧室的性能和排放情况，既可以用于全新柴油机燃烧室的设计选型，也可以在现有柴油机升级时改善发动机燃烧水平。
为实现上述目的，本发明提出了一种国六两气门柴油机的燃烧室正向设计和评价方法，包括以下步骤：
步骤一、燃烧室关键尺寸范围的确认：根据发动机缸径Bore的大小，计算出燃烧室关键参数的可选范围；
步骤二、燃烧室方案设计：根据步骤一中计算出的燃烧室关键参数范围，设定每个参数的分配水平，采用DOE方法设计燃烧室方案；
步骤三、基于油束落点的燃烧室方案筛选：根据油嘴喷油锥角画出油束在燃烧室上的落点，由于燃烧室偏心和喷油器斜置，各油嘴孔的油束落点高度均不相同，统计各个油束落点的高度z，保留所有落点高度z均在0.5-0.7H范围的燃烧室方案；
步骤四、基于压缩比的燃烧室方案筛选：按照目标压缩比±0.5的范围，剔除不符合压缩比要求的燃烧室方案；
步骤五、CFD燃烧模拟计算评估：建立发动机缸内流体力学计算模型，计算进气门开始时刻至排气门开始时刻的进气燃烧过程，计算所有剩余的燃烧室方案，并输出比油耗、氮氧化物排放物和碳烟排放物的结果，并对结果进行归一化，再以0.4、0.3、0.3为权重，计算比油耗、氮氧化物排放物和碳烟排放物的加权平均得分；
步骤六、燃烧室方案推荐：选取步骤五中得分最低的两组燃烧室，作为燃烧室对比实验的方案；
步骤七、燃烧室方案的试验验证：在发动机台架上验证两组燃烧室方案的性能排放水平，重复执行步骤五，将比油耗、氮氧化物排放物和碳烟排放物的试验结果归一化，再以0.4、0.3、0.3为权重，计算比油耗、氮氧化物排放物和碳烟排放物的加权平均得分，得分最低的方案即为最佳燃烧室方案。
具体地，步骤一中所述燃烧室关键参数包括燃烧室直径D、燃烧室深度H、喉口直径B、喉口深度C和凹坑中心角度。
本发明相对现有技术的有益效果：
本发明一种国六两气门柴油机的燃烧室正向设计和评价方法，不仅能够正向设计出燃烧室形状和尺寸，还能评估当前燃烧系统下燃烧室的性能和排放情况，既可以用于全新柴油机燃烧室的设计选型，也可以在现有柴油机升级时改善发动机燃烧水平。
附图说明
图1为本发明实施例中燃烧室关键参数的示意图；
图2为本发明实施例中剔除的燃烧室方案示例；
图3为本发明实施例最佳燃烧室方案的示意图。
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。
实施例：参见图1-图3。
本发明提出了一种国六两气门柴油机的燃烧室正向设计和评价方法，包括以下步骤：
步骤一、燃烧室关键尺寸范围的确认
如图1所示，燃烧室关键参数包括燃烧室直径D、燃烧室深度H、喉口直径B、喉口深度C和凹坑中心角度；
本实施例中发动机缸径Bore为93mm，燃烧室各关键参数的可选范围计算如下表1所示。
表1燃烧室各关键参数可选范围表
Figure BDA0003909656410000031
Figure BDA0003909656410000041
步骤二、燃烧室方案设计
根据步骤一中计算出的燃烧室关键参数范围，按照每个参数三个水平，全因子DOE的方法设计出243种燃烧室方案；燃烧室非关键参数范围可依据燃烧室的平顺性酌情修改；由于部分尺寸干涉，剔除无效方案，并选取其中的200种燃烧室方案；
步骤三、基于油束落点的燃烧室方案筛选
根据油嘴喷油锥角画出油束在燃烧室上的落点；由于燃烧室偏心和喷油器斜置，各油嘴孔的油束落点高度均不相同。统计各个油束落点的高度z，保留所有落点高度z均在0.5-0.7H范围的燃烧室方案。如图2所示，H为16.5mm，Z的推荐范围为8.25-11.55mm。8孔喷油器中，左侧的油束落点范围超过11.55mm，右侧的油束落点在推荐范围内，因此应当剔除。经过本轮筛选，剩余83种方案；
步骤四、基于压缩比的燃烧室方案筛选
按照目标压缩比16.8±0.5的范围，剔除不符合压缩比要求的方案，剩余32种方案；
步骤五、CFD燃烧模拟计算评估
建立发动机缸内流体力学计算模型，计算进气门开始时刻至排气门开始时刻的进气燃烧过程。计算所有剩余的燃烧室方案，并输出比油耗、氮氧化物排放物和碳烟排放物的结果，并对结果进行归一化，再以0.4、0.3、0.3为权重，计算比油耗、氮氧化物排放物和碳烟排放物的加权平均得分，下表2中列举了排名靠前的4组方案计算结果；
表2加权平均得分排名前4的燃烧室方案表
Figure BDA0003909656410000051
步骤六、燃烧室方案推荐
选取步骤五评分最低的方案一和方案二，作为燃烧室对比试验的方案；
步骤七、燃烧室方案的试验验证
在发动机台架上验证两组燃烧室方案的性能排放水平。参照步骤五的方法，将比油耗、氮氧化物排放物和碳烟排放物的试验结果归一化，再以0.4、0.3、0.3为权重，计算比油耗、氮氧化物排放物和碳烟排放物的加权平均得分。得分最低的方案即为最佳燃烧室方案如图3所示。
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 (2)

1.一种国六两气门柴油机的燃烧室正向设计和评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、燃烧室关键尺寸范围的确认：根据发动机缸径Bore的大小，计算出燃烧室关键参数的可选范围；
步骤二、燃烧室方案设计：根据步骤一中计算出的燃烧室关键参数范围，设定每个参数的分配水平，采用DOE方法设计燃烧室方案；
步骤三、基于油束落点的燃烧室方案筛选：根据油嘴喷油锥角画出油束在燃烧室上的落点，由于燃烧室偏心和喷油器斜置，各油嘴孔的油束落点高度均不相同，统计各个油束落点的高度z，保留所有落点高度z均在0.5-0.7H范围的燃烧室方案；
步骤四、基于压缩比的燃烧室方案筛选：按照目标压缩比±0.5的范围，剔除不符合压缩比要求的燃烧室方案；
步骤五、CFD燃烧模拟计算评估：建立发动机缸内流体力学计算模型，计算进气门开始时刻至排气门开始时刻的进气燃烧过程，计算所有剩余的燃烧室方案，并输出比油耗、氮氧化物排放物和碳烟排放物的结果，并对结果进行归一化，再以0.4、0.3、0.3为权重，计算比油耗、氮氧化物排放物和碳烟排放物的加权平均得分；
步骤六、燃烧室方案推荐：选取步骤五中得分最低的两组燃烧室，作为燃烧室对比实验的方案；
步骤七、燃烧室方案的试验验证：在发动机台架上验证两组燃烧室方案的性能排放水平，重复执行步骤五，将比油耗、氮氧化物排放物和碳烟排放物的试验结果归一化，再以0.4、0.3、0.3为权重，计算比油耗、氮氧化物排放物和碳烟排放物的加权平均得分，得分最低的方案即为最佳燃烧室方案。
2.根据权利要求1所述的一种国六两气门柴油机的燃烧室正向设计和评价方法，其特征在于，步骤一中所述燃烧室关键参数包括燃烧室直径D、燃烧室深度H、喉口直径B、喉口深度C和凹坑中心角度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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