一种面向工程设计的柴油机燃烧系统优化设计方法

本发明涉及机械优化设计，涉及一种面向工程设计的柴油机燃烧系统优化设计方法，尤其是面向工程设计的中小功率柴油机燃烧系统优化设计方法。

背景技术：

1、当前，市场对于柴油机的动力性、经济性以及排放特性提出了更高的要求，其中中小功率柴油机因其需求量大、应用范围广，导致具备更高动力性、经济性以及排放特性的中小功率柴油机具备广阔市场，而提高动力性、经济性以及排放特性的重点便是燃烧系统优化设计。

2、然而，相对于广阔的市场前景，在工程设计领域，仍缺乏系统、高效的中小功率柴油机燃烧系统的优化设计方法。例如：

3、cn115324721a公开了一种燃烧系统及其优化设计方法，优化设计方法包括：分别定义进气道、预燃室及燃烧室；选择进气道的进气模式，调节进气道的进气流至预设进气量，并调节进气流至满足预燃室的扫气需求及燃烧室的流场组织需求；选择预燃室的扫气模式，调节预燃室的参数至满足预燃室的整体扫气性能及燃烧情况，且匹配燃烧室；调节燃烧室的压缩比至燃烧室的爆震倾向符合预设目标，并调节燃烧室的型线满足燃烧室的流场组织需求及射流分布需求。

4、cn114357748a公开了一种基于目标放热率的燃烧系统设计方法，包括：基于米勒、撒巴特循环耦合模型获取最优理想放热率；基于双韦伯函数模拟最优理想放热率，得到目标放热率；构建放热率与活塞几何参数、喷油参数之间的映射关系，映射关系包括目标燃烧起点为喷油正时、滞燃期的函数、预混燃烧持续期是燃烧室喉口半径、喷油压力与喷孔直径的函数、预混燃烧质量为喷油压力与喷孔直径的函数、扩散燃烧为活塞凹坑深度的函数；基于映射关系和目标放热率求解目标活塞几何参数和目标喷油参数；根据目标活塞几何参数和目标喷油参数设计燃烧系统。

5、上述方法普遍存在的不足包括：

6、1)针对优化目标所需调整的参数不够全面、合理，没有科学地建立优化目标与调整参数的关系；

7、2)优化设计过程冗余，未能高效、低成本的完成优化设计，不适宜工程层面优化的应用；

8、3)在选取优化设计目标结构时，未能准确涵盖对燃烧起主导作用的关键部位。

9、因此，有必要提供一种面向工程设计的柴油机燃烧系统优化设计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是为应对工程设计领域的需求，提供一种面向工程设计的柴油机燃烧系统优化设计方法，该方法能够系统、高效地优化设计柴油机燃烧系统。

2、本发明的技术方案为：

3、一种面向工程设计的柴油机燃烧系统优化设计方法，用于设计燃烧系统，所述燃烧系统包括燃烧室、与所述燃烧室连接的进气道、与所述燃烧室连接的喷油嘴，所述优化设计方法包括：

4、建立一维热力学仿真模型，导入燃烧室关键参数、进气道关键参数、喷油系统关键参数，仿真分析该参数下的动力性、经济性、排放特性。若不满足燃烧系统设计目标，则通过修改燃烧室关键参数、进气道关键参数、喷油系统关键参数进行优化设计，并重新仿真分析。若满足燃烧系统设计目标，则记录最优燃烧室关键参数、进气道关键参数、喷油系统关键参数的范围。

5、在开展一维热力学仿真分析的同时，开展三维热力学仿真分析，依据一维热力学仿真分析的结果为三维热力学仿真分析提供边界条件，以一维热力学仿真分析得到的燃烧室、进气道、喷油系统最优关键参数范围设计燃烧室、进气道、喷油嘴三维模型。

6、设计燃烧室时，由于柴油机为了混合气均选用缩口型ω型燃烧室，依据燃烧系统目标参数中的燃油喷雾分布、混合气形成、燃烧过程及排放需求调整燃烧室结构参数中的喉口直径，最大直径、活塞顶部距缸盖的距离、燃烧室深度及燃烧室中心最高点距离活塞顶的高度，进而影响燃烧室结构参数中的口径比、缩口率、压缩比以及r系数；

7、设计喷油系统时，根据所需喷油量区间，在可选择的范围内调整喷油压力大小与喷油持续期时间，综合喷油压力与喷油持续期的既定条件设计喷油孔径及喷孔数量使得满足目标喷油量区间。再依据燃烧室形状确定理想的相对燃烧室空间的喷射位置范围，最后调整喷射夹角使得配合设定喷油持续期产生的相对燃烧室空间喷射位置符合要求。

8、设计进气道时，先关注单个螺旋气道进气性能，利用θ和k两项结构参数制定可用的单个气道形态方案并计算出该气道的涡流比、流量系数和体积，结合燃烧系统的目标涡流比、目标流量系数、目标进气阻力与气道可用排布空间综合分析，最终决定多气门气道组合方式与空间排布。

9、完成燃烧室、喷油系统、进气道单独设计后，建立三维热力学仿真模型，仿真分析该参数下的动力性、经济性、排放特性，若不满足燃烧系统设计目标，则继续三维模型燃烧室、喷油系统、进气道结构参数优化，并重新仿真分析。若满足燃烧系统设计目标，则开始样机试制并开展试验测试，最终使柴油机的动力性、经济性、排放特性满足燃烧系统设计目标。

10、进一步地，所述燃烧室设计方法中，在一维热力学仿真参数中，燃烧室关键参数包括但不限于压缩比、冲程、缸径等预定参数，进气道关键参数包括但不限于进气道长度、直径，喷油系统关键参数包括但不限于喷孔数、喷孔直径。

11、进一步地，所述燃烧室设计方法中，在一维热力学仿真分析结果中，动力性参数包括但不限于功率、扭矩，经济性参数包括但不限于油耗、机油耗，排放性能参数包括但不限于nox、hc占比。

12、进一步地，所述燃烧室设计方法中，一维热力学仿真分析为三维热力学仿真分析提供边界条件和参数参考范围。

13、进一步地，所述燃烧室设计方法中，在三维热力学仿真分析的燃烧室设计参数中，燃烧室结构参数中口径比的定义为喉口直径与气缸直径的比值，缩口率的定义为喉口直径与最大直径的比值，压缩比的定义为活塞下止点燃烧室容积与活塞上止点燃烧室容积之比，r系数的定义为燃烧室容积与压缩容积之比，所述压缩容积为活塞运行到上止点极限位置时活塞顶与气缸盖之间的间隙。

14、进一步地，所述燃烧室设计方法中，在三维热力学仿真分析的喷油嘴设计参数中，喷注与燃烧室空间的匹配情况取决于喷注在燃烧室内的喷射位置，相对燃烧室空间的喷射位置范围取决于喷射时期和喷射夹角。而喷油系统孔径不同，即有效喷射面积不同，对喷油压力和喷油持续期有着重要的影响。

15、进一步地，所述燃烧室设计方法中，在三维热力学仿真分析的进气道设计参数中，定义θ参数为气道直流段导向部分与螺旋段入口过渡位置处曲线末端切向矢量与气道入口法线方向的夹角；k参数为气道最小截面面积与气道喉口截面积之比值。θ和k两项结构参数会影响体积、涡流比和流量系数。

16、更进一步地，由于θ参数是由夹角螺旋段夹角定义的，因此其反映当前螺旋气道螺旋段形状产生适度涡流且拥有尽可能小的进气阻力的能力。θ参数处于合理区间内的螺旋气道螺旋段形状有利于涡流成型，进气阻力也在可接受区间。

17、更进一步地，由于k参数是进气道截面积的比值，因此其反映当前螺旋气道直流段末端收缩情况，k参数处于合理区间内的螺旋气道直流段几何结构使进气阻力在可接受区间的同时增大空气在螺旋气道内的流速的能力。

18、更进一步地，通过三维仿真确定所需调整到的涡流比和流量系数范围，在调整涡流比方面，θ参数控制的螺旋气道螺旋段形状可调控涡流成型，k参数控制的空气在螺旋气道内的流速也可调控涡流成型，θ和k两项结构参数协同作用配合最终影响涡流比。在调整流量系数方面，θ参数控制的螺旋气道螺旋段形状可调控进气阻力，k参数控制的螺旋气道直流段末端收缩情况也可调控进气阻力，θ和k两项结构参数协同作用配合最终影响流量系数。

19、更进一步地，由于θ和k两项结构参数均为几何结构参数且其组成参数分别位于螺旋气道螺旋段和直流段，因此两者均可影响螺旋气道体积。

20、本发明的试验原理包括：

21、(1)本发明利用一维热力学仿真分析为三维热力学仿真分析提供边界条件和参数参考范围。提高了三维热力学仿真分析的效率，并为最终的柴油机燃烧系统优化设计在动力性、经济性、排放特性等方面提供了仿真数据支撑。也就是说，本发明通过一维热力学仿真分析和三维热力学仿真分析不仅仅得到了柴油机燃烧系统优化设计的具体方案，还同步获得了燃烧系统优化设计后对于柴油机的动力性、经济性、排放特性优化效果；

22、(2)本发明通过一维热力学仿真分析与三维热力学仿真分析同参数条件下相关联，提升了仿真分析结果的可靠性，并充分利用一维热力学和三维热力学各自的优缺点，取长补短，从而获得更充分的仿真分析结果数据，确保优化设计结果可信且满足工程设计需求；

23、(3)本发明通过定义独有的无量纲数作为三维热力学仿真分析关键参数减少了燃烧室、进气道、喷油系统三个燃烧系统关键结构的参数设置数量，将同性能结构进行了归纳，在最大限度体现结构特性的同时，减少了优化设计所需设计的方案数，大大提高了优化设计效率。

24、本发明的有益效果包括：

25、(1)本发明通过一维热力学仿真分析和三维热力学仿真分析协同配合，提高了三维热力学仿真分析的效率，通过一维热力学仿真分析和三维热力学仿真分析不仅仅得到了柴油机燃烧系统优化设计的具体方案，还同步获得了燃烧系统优化设计后对于柴油机的动力性、经济性、排放特性优化效果；

26、(2)本发明通过一维热力学仿真分析与三维热力学仿真分析同参数条件下相关联，提升了仿真分析结果的可靠性，并充分利用一维热力学和三维热力学各自的优缺点，取长补短，从而获得更充分的仿真分析结果数据，确保优化设计结果可信且满足工程设计需求；

27、(3)本发明通过定义独有的无量纲数作为三维热力学仿真分析关键参数减少了燃烧室、进气道、喷油系统三个燃烧系统关键结构的参数设置数量，将同性能结构进行了归纳，在最大限度体现结构特性的同时，减少了优化设计所需设计的方案数，大大提高了优化设计效率。