毕业设计（论文）-发动机缸内燃烧影响因素分析研究【毕业设计】.doc

1.绪论 1.1 研究的目的和意义 内燃机的诞生已有一百多年的历史。经过长期不断的改进和提高，内燃机已经成为一种比较成熟、完善的动力机械。由于它的热效率较高、适应性好、结构紧凑等优点而在车辆、船舶、工程机械等领域内取得了广泛应用，发挥着日益巨大的作用。为了节约能源，应对全球性的石油危机，内燃机经济性能的提高和新燃料的应用研究日益受到重视。为了保护环境，降低大气污染，对内燃机有害排放指标和噪声的限制也越来越高，这些都对内燃机的工作过程提出了更加严格的要求[1]。 燃烧过程对内燃机性能影响的重要性是众所周知的。它是内燃机工作循环的中心环节，它与内燃机的基本运行参数，如功率、效率和排放等直接关联。长期以来，由于燃烧过程的复杂性，燃烧过程只能借助于实验进行研究，这种研究方法不仅要受到实验条件、测试技术、实验仪器精度等的限制，而且有时根本无法完成，这就给研究燃烧过程带来了很大的局限性[1,2]。 随着高速CPU、大容量硬盘的不断问世和飞速发展，利用计算机建立各种科学的数学计算模型，进行缸内过程的三维数值模拟成为可能[3]。利用数值模拟，借助较为完善的数学模型，不仅有助于分析理解燃烧机理，还可以对内燃机性能进行预测研究，改变各种结构参数和运行参数，为新发动机的优化设计和旧发动机性能改善提供指导，从而简化实验工作，缩短研制周期，为内燃机研究工作的开展提供了一个更为广阔的发展平台[4]。基于这种情况，本文对发动机工作过程作接近实际的模拟，建立了一个适合汽油机工作过程计算的准维湍流燃烧模型。 1.2 内燃机燃烧模型的国内外现状 以流体力学、传热传质学、化学反应动力学、燃烧理论和计算数学为基础，以高速大容量计算机为主要工具，通过计算手段来探索自然界、工程实际和社会生活中各种燃烧现象的机理，研究各种燃烧系统和装置中燃烧过程的规律和特点，从而实现对各种燃烧现象进行准确的分析和预测。内燃机燃烧数值模拟方法已成为内燃机系统的研究、设计和优化的一个强有力的工具[5]。 从上个世纪40年代以来，对于燃烧模型的研究逐渐开展并提出了各种内燃机燃烧模型及其计算程序，1943年出现了研究内燃机燃烧模型的Damkoler—Shelkin的皱折理论，认为紊流的脉动作用使光滑的层流火焰面弯曲且皱折变形；1956年出现了另一种Summerfield微容积扩散燃烧理论[6]，认为湍流对燃烧的影响以微扩散为主；1968年Tennkes首先提出了湍流场结构的猜想；1971年，Spalding提出旋涡破碎模型（EBU），在此基础上，Magnussen和Hjertager[7]等人提出了湍流控制涡破碎模型(turbulence controlled EBU model)；在Magnussen提出的湍流控制涡破碎模型基础上，Abraham[8]将时间尺度修正为层流一湍流特征时间尺度，应用于火花点火发动机模拟，Patterson[9]将其应用于柴油机，形成了层流一湍流特征时间模型；1991年，日本九州大学城户裕之等人提出了具有群岛状和分型几何火焰面的预混合湍流传播火焰构造模型。事实上，对内燃机工作过程的计算直到30年前，内燃机理论基本上是建立在理论循环基础之上的，常规的工作过程计算对实际工作进行了很大的简化。计算机技术和计算流体力学CFD的飞速发展，为数值模拟计算提供了条件，促进了数值模拟内燃机瞬时工作过程的蓬勃发展[10]。 国外，60—80年代期间为燃烧过程模拟计算得到高度发展。国内由于计算机技术应用的滞后，直到80年代模拟计算工作才开始大规模进行。目前，国内已有多所高等院校及科研机构正在开展这一工作，每年均有一定数量的论文发表，涉及的燃烧模型包括文章前面提到的所有模型类型。从这些文章可看出，我国在燃烧过程模拟计算方面已由起步进入比较成熟的阶段，特别是在准维模型应用方面，包括汽油机紊流燃烧模型、汽油机紊流卷入模型、柴油机喷注混合模型及柴油机油滴蒸发模型，都取得了显著成果。利用这些模型不仅可以计算缸内压力、温度等参数在不同燃烧时刻的数值，还可以模拟计算各种排放值，如氮氧化物及碳烟。此外，用这些模型还可以进行预测计算，即在改变某一运动参数或者结构参数，如压缩比、混合气浓度、点火提前角、喷油提前角、喷油器喷孔直径、发动机转速、负荷等时，计算发动机各种性能的相应变化。 1.3本文主要研究内容 为了更好的研究燃烧过程，通过建立汽油机准维燃烧模型，对汽油机工作过程进行模拟仿真。本文开展的工作有： (1) 建立一个燃烧过程的两区准维燃烧模型，其中包括火焰传播模型、几何模型、缸内传热模型等。 (2) 根据汽油机的实际运行场合，在发动机试验台上进行试验，并测得模型计算所需的初始数据和对模型进行验证的示功图。 (3) 利用建立的模型对汽油机的燃烧过程进行数值计算，用实验结果进行验证。在通过试验