正交试验设计方法在柴油机燃烧系统参数仿真优化中的应用.pdfVIP

正交试验设计方法在柴油机燃烧系统参数仿真优化中的

应用

摘要：本文尝试在CFD模拟软件FIRE上采用正交试验设计方法，提

取柴油机燃烧系统油、气、室的关键参数，即燃烧室口径比、缩口比、缩

口半径、喷射锥角、涡流比，安排三水平正交模拟试验。计算结果采用方

差分析进行分析，得出柴油机燃烧系统参数对发动机动力性和排放性的影

响并找到较优的参数组合。

关键词：正交试验设计；燃烧系统；CFD

TheApplicationofOrthogonalE某perimentDeigninSimulationand

YUHong-feng

柴油机功率大、性能优、经济性好，并越来越广泛地应用于道路车辆

中。但随着世界范围内的能源短缺和环境污染，排放法规不断加严，各种

解决排放问题的技术措施尤其是后处理技术不断应用于柴油机，如果能从

排放物产生的源头即燃烧过程解决污染物的生成，将会减轻后处理系统的

负担以及其他技术综合应用的复杂性。

柴油机燃烧系统的优化匹配过程是相当复杂且费时费力的过程。随着

CFD技术越来越成熟地应用于发动机开发过程中，采用多维模型来模拟发

动机燃烧过程得到广泛重视。通过模拟计算来减少发动机开发过程中试制、

试验的费用和周期，是解决柴油机燃烧系统开发的一个途径。

柴油机燃烧过程的优劣由组成燃烧系统的油、气、室三个方面相互配

合的好坏程度决定。因此，提取油、气、室三者的关键参数，分析其对柴

油机性能的影响程度，为燃烧系统优化提供指导依据。

本文的研究目的是探索利用仿真软件工具，采用正交试验设计方法，

在原机燃烧系统的基础上寻找影响发动机性能的关键参数，以期进一步优

化燃烧系统，在保持原机动力性水平的基础上降低颗粒水平。

1原机CFD仿真模型及校验

本文采用AVLFire软件建立燃烧系统的仿真模型，通过实测示功图完

成对模型标定后，固化喷雾、燃烧模型参数，仅对燃烧系统的几何和非几

何参数进行调整，寻找影响发动机性能的关键参数。

AVLFire软件的ESE－Dieel模块，可以方便快捷地建立不带气道的

部分模型，仅用一个扇区对喷雾和燃烧进行模拟计算。燃烧室基本型线的

网格如图1所示。网格在TDC和BDC时分别包含86000和275000个单元。

扇区大小的选择是根据一个喷油孔定位于该区域确定的。

ESE模型计算区间为进气门关闭时刻（IVC）至排气门开启时刻

（EVO）。模拟计算选择发动机额定功率点进行，发动机基本参数如表１

所示。计算边界条件设置采用AVL推荐数值，初始条件采用发动机示功图

数据，喷油参数采用喷油规律实测值。

燃烧模型选用涡破碎模型（EBU），喷雾模型选用WAVE模型，NO某

排放模型采用理论较为成熟的Zeldovich原理计算NO某的浓度，Soot模

型采用Kennedy_Hiroyau_Magnuen模型。对于模型参数的调整，当前的主

要手段是将计算缸压曲线与经过滤波处理后的实测示功图数据相比较，使

其落入实测示功图±５％范围内。经过模型参数的联调，将相对较优的参

数组合计算结果与试验数据对比，如图２所示。

2试验设计

本文的研究背景是国III发动机排放升级，在SCR技术路线过程中需

要尽可能降低机内颗粒排放。因此，除了燃油喷射参数重新予以标定外，

燃烧室若能相应得到改善，将进一步提高机内降颗粒的潜力。除燃烧室型

线参数、喷油器流量/喷射夹角等一些参数能够改动外，发动机整机结构，

如气道形状及爆压限值都保持现阶段水平。

2．１参数选择

根据对燃烧室型线参数以及相关参数对于燃烧室内气体流动和燃烧过

程的理解，选择Aa（口径比D/B）、Bb（缩口比d/D）、Cc（缩口半径

r）、Dd（喷射锥角θ）、Ee（涡流比Ω）等五个关键参数做为考查对象。

如图3所示。

口径比（D/B）：燃烧室凹坑直径与缸径之比。因发动机压缩比保持

不动，燃烧室深度h不可以任意变动，即径深比被限制在一定范围内，所

以口径比决定了燃烧室的基本形状。

缩口比（d/D）：缩口直径与燃烧室凹坑直径之比。从欧II开始，为

了加强燃烧室内的空气运动，燃烧