一种发动机燃烧系统优化设计方法

一种发动机燃烧系统优化设计方法
【专利摘要】本发明涉及汽车发动机【技术领域】，尤其涉及一种发动机燃烧系统优化设计方法，包括以下步骤：A、确定目标、输入变量及评价方法；B、收集燃烧系统相关参数，完成燃烧系统参数输入表格；C、制定建模的流程及标准；D、建立气道稳态模拟计算模型，完成气道分析；E、分析模拟计算结果，判断气道是否满足目标要求；F、根据选定的气道，建立包含气道燃烧室的三维燃烧模拟计算模型，对发动机各个工况进行模拟仿真；G、分析模拟计算结果，按制定的评价方法判断燃烧系统是否达到目标要求。该方法能够大幅降低开发成本，缩短开发周期，提高开发效率，各方案可比性强，而且能可视化燃料与空气的混合燃烧过程，结果信息丰富，为燃烧系统改进提供强有力的指导。
【专利说明】一种发动机燃烧系统优化设计方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及汽车汽油发动机【技术领域】，尤其涉及一种发动机燃烧系统优化设计方 法，该方法基于计算机三维模拟仿真计算。

【背景技术】
[0002] 发动机通过燃烧系统将燃油的化学能转变为热能，燃烧系统的好坏直接影响空气 和燃料混合气的形成，燃烧的完全程度及燃烧效率，所以燃烧系统对发动机的经济性、动力 性、排放性及振动噪声都有很大的影响。传统的燃烧系统开发方法，主要依靠试验验证，需 要做大量的样件，时间长，成本高，难以探测发现缸内的气体流动和燃烧过程中存在的不 足。


【发明内容】

[0003] 针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种发 动机燃烧系统优化设计方法，此方法具有高效、低成本、实用的效果，从而更好地指导发动 机燃烧系统的开发设计。
[0004] 本发明采取的技术方案为提供一种发动机燃烧系统优化设计方法，包括以下步 骤： A、 确定目标、输入变量及评价方法； B、 收集燃烧系统相关参数，完成燃烧系统参数输入表格； C、 制定建模的流程及标准； D、 建立气道稳态模拟计算模型，完成气道分析； E、 分析模拟计算结果，判断气道是否满足目标要求； F、 根据选定的气道，建立包含气道燃烧室的三维燃烧模拟计算模型，对发动机的低速 工况、常用转速工况、高速工况进行模拟仿真； G、 分析模拟计算结果，按制定的评价方法判断燃烧系统是否达到目标要求。
[0005] 作为本发明的进一步改进，所述步骤E分为以下分步骤： E1、如满足目标要求，则进入步骤F; E2、如不满足目标要求，则重复步骤A至E。
[0006] 作为本发明的进一步改进，所述步骤G分为以下分步骤： G1、如满足目标要求，则完成选定燃烧室方案，完成分析； G2、如不满足目标要求，提出优化改进方案，重复步骤A至G。
[0007] 作为本发明的进一步改进，所述步骤A中所述目标包括：气道流量系数、气道滚流 t匕、缸内湍动能、缸内当量比、压力升高率、燃烧持续期、爆震可能性；所述变量包括：气道 结构、燃烧室结构；所述评价方法包括：三种转速工况的权重，各工况流量系数、湍动能、燃 烧持续期及爆震可能性的指导值及范围，根据评价方法判断方案优劣。
[0008] 作为本发明的进一步改进，所述步骤B中所述燃烧系统参数包括：进气道几何模 型、进气门几何模型、燃烧室几何模型、排气门几何模型、排气道几何模型、喷油器参数及位 置、气门升程曲线、火花塞参数及位置、进气道入口质量流量及温度、排气道出口总压、进气 道壁面温度、进气门壁面温度、燃烧室壁面温度、排气道壁面温度、进气门打开时刻缸内压 力及温度、点火时刻、循环喷油量、燃油温度、喷油起止时刻、缸内压力曲线。
[0009] 作为本发明的进一步改进，所述步骤C中建模标注包括几何模型处理标准：a、进 气门和排气门与气门座间隙为〇. 25mm。b、活塞处于上止点位置，汽缸垫厚度为压缩后的厚 度。b、将几何模型中对计算结果影响很小的细小结构去除如气门导杆位置的倒角。d、检查 燃烧室容积，微调余隙高度保证压缩比与设计一致。e、将模型坐标原点移动到缸盖平面燃 烧室中心，Z轴与气缸轴线重合，Y轴平行于进气门排列方向； 网格处理标准：a、模型细化部位包括：进气门导杆区域、进排气门座、进排气门、挤气 间隙区。b、根据几何模型制定各部分网格尺寸标准，确保整个计算域网格层数都在3层以 上，气门与气门座区域对气体流动有重要影响应适当细化。c、检查网格质量，保证无坏网 格。
[0010] 建模流程标注制定建模流程及时间节点，规范文件的存储命名、制定定期回顾检 查模型。
[0011] 作为本发明的进一步改进，所述步骤D中从气门打开到关闭过程中，每隔1 mm 气门升程进行一次稳态模拟。进气道稳态模拟分析的目的是获得气道流量系数和滚流比， 发现气道气体流动中存在的不足如严重的流动分离现象。
[0012] 作为本发明的进一步改进，所述步骤E中满足目标要求是根据所述步骤D获得的 流量系数和滚流比及三维流动结果判断气道方案是否达到目标要求。
[0013] 作为本发明的进一步改进，所述步骤F中三维燃烧模型以实验缸内压力（如果没 有，可以用一维模拟仿真缸内压力代替）为目标，调整燃烧模型参数，使得模拟缸内压力值 与实验缸内压力值吻合。
[0014] 作为本发明的进一步改进，所述步骤G中目标要求包括缸内湍动能、缸内当量比、 压力升高率、燃烧持续期、爆震可能性；所述评价方法包括：三种工况的权重，各评价指标 的指导值及范围，标准化的报告形式。。 本发明的有益效果是：本发明基于计算模拟和标准化流程的发动机燃烧系统设计优化 方法，能够大幅降低开发成本，缩短开发周期，提供开发效率，各方案可比性强，而且能可视 化燃料与空气的混合燃烧过程，结果信息丰富，为燃烧系统改进提供强有力的指导。

【专利附图】

【附图说明】
[0015] 图1是本发明发动机燃烧系统优化设计方法的分析流程图； 图2是本发明发动机燃烧系统优化设计方法中发动机燃烧系统结构示意图； 图3是本发明发动机燃烧系统优化设计方法中发动机气道稳态模拟网格模型； 图4是本发明发动机燃烧系统优化设计方法中发动机三维燃烧模拟网格模型； 图5是本发明发动机燃烧系统优化设计方法应用于进气道喷射汽油机的效果图； 图6是本发明发动机燃烧系统优化设计方法的新旧进气道流量系数及滚流比系数的 曲线对比图； 图7是本发明发动机燃烧系统优化设计方法的三维模拟图； 图8是本发明发动机燃烧系统优化设计方法原缸内湍动能效果图； 图9是本发明发动机燃烧系统优化设计方法新缸内湍动能效果图。

【具体实施方式】
[0016] 下面结合【专利附图】

【附图说明】及【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0017] 本发明的优选实施方案是对某款进气道喷射汽油发动机燃烧系统进行计算机数 值模拟仿真，通过本案例的分析，旨在检查发动机燃烧系统是否在存在不足，并优化现有的 燃烧系统。
[0018] 本发明所述的燃烧系统结构如图2所示。燃烧系统包括：进气道、进气门座、进气 门、燃烧室、火花塞、排气门座、排气门、排气道。燃烧系统涉及的发动机部件包括：缸盖、汽 缸垫、缸体、活塞、火花塞、喷油器、进气门、进气门座、进气门导杆、排气门、排气门座、排气 门导杆。在排气过程中，喷油器将汽油喷入进气道，部分汽油在进气道中蒸发与空气混合， 进气门打开时，燃油、空气及它们的混合气体进入气缸，在气缸中进一步混合，形成可燃烧 混合气，在压缩上止点附近由火花塞跳火点燃混合气，混合气燃烧膨胀，推动活塞下行，对 外输出功，在惯性作用下，活塞上行将废弃排出，完成一个循环。
[0019] 如图1所示，给出的发动机燃烧系统优化设计方法的分析流程图所示，本发明的 优化设计方法包括以下步骤： 第一步，设计部门制定目标，明确气道和燃烧室允许的改动区域及范围，收集燃烧室的 相关参数。设计部门将与燃烧室相关的发动机部件按要求进行装配，装配好后，将气道及燃 烧室抽取出来，如附图2所示。设计部门同时提供模拟所需的其他参数包括：喷油器参数及 位置、气门升程曲线、火花塞参数及位置、进气道入口质量流量及温度、排气道出口总压、进 气道壁面温度、进气门壁面温度、燃烧室壁面温度、排气道壁面温度、进气门打开时刻缸内 压力及温度、点火时刻、循环喷油量、燃油温度、喷油起止时刻、缸内压力曲线。如果还没有 上述实验数据，将由该发动机的一维仿真模拟提供上述参数。
[0020] 第二步，分析部门搭建气道计算机模拟仿真模型。分析部门根据发动机参数及几 何模型的尺寸制定建模流程及标准，按照流程和标准搭建气道稳态模拟仿真模型，如附图 3所示。将边界条件，初始条件，求解方程，数值解法等相关参数按建模标准设置好，完成气 道稳态模拟计算，分析模拟计算结果，判断气道是否达到目标要求，如不满足目标要求，提 出优化改进方案，重复上述步骤，直至模拟计算结果达到设计目标，选定气道方案。
[0021] 第三步，分析部门搭建三维燃烧模拟计算模型。按照流程和标准搭建三维燃烧模 拟计算模型，如附图4所示。将边界条件，初始条件，求解方程，数值解法等相关参数按建 模标准设置好，完成发动机低转速工况、常用转速工况及高转速工况的模拟计算，分析模拟 计算结果，按制定的评价方法判断燃烧系统是否达到目标要求，如不满足目标要求，提出优 化改进方案，重复上述步骤，直至计算结果到达设计目标，完成对发动机燃烧系统的设计优 化。
[0022] 实施案例1 : 在某进气道喷射汽油发动机上进行燃烧系统优化设计，通过对发动机进气道和燃烧室 形状等进行优化设计，改善气道流动情况，改善当量比和湍动能的分布，保证点火时刻火花 塞附近混合气浓度，提高缸内湍动能水平等，进而提高发动机的燃烧效率，降低燃油消耗。 通过对发动机进气道优化设计(绿色区域为发动机原气道，红色区域为新气道）（如图5所 示)，进气道的流量系数及滚流比都有所提高(绿色曲线为原气道的流量系数和滚流比，红 色曲线为新气道的流量系数和滚流比)，如图6所示： 通过对发动机燃烧室的优化设计，改变挤气间隙、活塞顶形状及斜坡角度，调整凹坑深 度，保持发动机压缩比不变，得到新方案，如附图7所示(绿色线为新方案，红色线为原方 案)。除了燃烧室几何结构的改变，其他参数包括：划分网格策略、网格尺寸，边界条件、初始 条件、数值解法等都保持不变，保证原方案和新方案具有可比性。对两种方案进行三维数值 模拟计算(如附图8、9所示)，并对结果进行分析处理，缸内湍动能结果如下： 由此可见，新方案的缸内湍流动能明显增强，有利于加快燃烧速度，提高燃烧稳定性。 总之，根据该实施案例可见，该发动机的燃烧系统不存在严重不足，但通过进气道及燃烧室 的优化设计可以提高燃烧系统的燃烧效率，燃烧稳定性及降低燃油消耗率。
[0023] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属【技术领域】的普通技术人员来说，在 不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的 保护范围。
【权利要求】
1. 一种发动机燃烧系统优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤： A、 确定目标、输入变量及评价方法； B、 收集燃烧系统相关参数，完成燃烧系统参数输入表格； C、 制定建模的流程及标准； D、 建立气道稳态模拟计算模型，完成气道分析； E、 分析模拟计算结果，判断气道是否满足目标要求； F、 根据选定的气道，建立包含气道燃烧室的三维燃烧模拟计算模型，对发动机的低速 工况、常用转速工况、高速工况进行模拟仿真； G、 分析模拟计算结果，按制定的评价方法判断燃烧系统是否达到目标要求。
2. 根据权利要求1所述的发动机燃烧系统优化设计方法，其特征在于：所述步骤E分 为以下分步骤： E1、如满足目标要求，则进入步骤F; E2、如不满足目标要求，则重复步骤A至E。
3. 根据权利要求1所述的发动机燃烧系统优化设计方法，其特征在于：所述步骤G分 为以下分步骤： G1、如满足目标要求，则完成选定燃烧室方案，完成分析； G2、如不满足目标要求，提出优化改进方案，重复步骤A至G。
4. 根据权利要求1所述的发动机燃烧系统优化设计方法，其特征在于：所述步骤A中 所述目标包括：气道流量系数、气道滚流比、缸内湍动能、缸内当量比、压力升高率、燃烧持 续期、爆震可能性；所述变量包括：气道结构、燃烧室结构；所述评价方法包括：三种转速工 况的权重，各工况流量系数、湍动能、燃烧持续期及爆震可能性的指导值及范围，根据评价 方法判断方案优劣。
5. 根据权利要求1所述的发动机燃烧系统优化设计方法，其特征在于：所述步骤B中 所述燃烧系统参数包括：进气道几何模型、进气门几何模型、燃烧室几何模型、排气门几何 模型、排气道几何模型、喷油器参数及位置、气门升程曲线、火花塞参数及位置、进气道入口 质量流量及温度、排气道出口总压、进气道壁面温度、进气门壁面温度、燃烧室壁面温度、排 气道壁面温度、进气门打开时刻缸内压力及温度、点火时刻、循环喷油量、燃油温度、喷油起 止时刻、缸内压力曲线。
6. 根据权利要求1所述的发动机燃烧系统优化设计方法，其特征在于：所述步骤C中 建模标注包括几何模型处理标准、网格处理标准、建模流程标准注。
7. 根据权利要求1所述的发动机燃烧系统优化设计方法，其特征在于：所述步骤D中 从气门打开到关闭过程中，每隔1 mm气门升程进行一次稳态模拟。
8. 根据权利要求1所述的发动机燃烧系统优化设计方法，其特征在于：所述步骤E中 满足目标要求是根据所述步骤D获得的流量系数和滚流比及三维流动结果判断气道方案 是否达到目标要求。
9. 根据权利要求1所述的发动机燃烧系统优化设计方法，其特征在于：所述步骤F中 三维燃烧模型以实验缸内压力为目标，调整燃烧模型参数，使得模拟缸内压力值与实验缸 内压力值吻合。
10. 根据权利要求1所述的发动机燃烧系统优化设计方法，其特征在于：所述步骤G中 目标要求包括缸内湍动能、缸内当量比、压力升高率、燃烧持续期、爆震可能性；所述评价方 法包括：三种工况的权重，各评价指标的指导值及范围，标准化的报告形式。
【文档编号】G06F17/50GK104063553SQ201410317239
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月4日 优先权日:2014年7月4日
【发明者】梁源飞, 黄忠文, 穆建华, 黄勇, 卢兆强 申请人:上汽通用五菱汽车股份有限公司