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.docx

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1、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；CFDTheApplicationofOrthogonalE某perimentDeigninSimulationandYUHong-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

2、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

3、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ESEDieel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。

4、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范围内。经过模型参

5、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）、Ee（涡流比）等五个关键参数做为考查对象。如图3所示。口径比（D

6、/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，燃烧室形状基本上都带有一定的缩口度，以保证上止点后燃烧室内也能保持一定的空气旋流，促进油气的充分混合。随着燃油喷射压力的提升，对燃烧室内旋流运动的要求有所弱化，但保持一定的旋流运动对于降低颗粒物排放还是有帮助的。缩口半径（r）:缩口处的圆角半径不仅影响缩口处挤流和逆挤流的气流运动方向，半径太小会导致燃烧室边缘龟裂。喷射锥角（）：除喷射夹角和喷孔直径，燃油喷射系

7、统影响燃烧过程的大多数参数（如轨压、定时、预后喷控制策略等）可以通过标定加以优化。而喷孔直径直接决定着喷油器的流量范围，因而间接影响着喷油持续期以及喷油定时的控制。为了避免由此带来的一系列的影响因素，在燃烧系统关键参数初选的过程中，仅选择喷射夹角，它影响着燃烧室内的油气分布状况。涡流比（）：尽管当前发动机缸盖气道不做改动，但为了解气道涡流水平对性能的影响程度仍然将其列入考查对象，以期指导将来的气道改进设计工作。22正交方案选择为了尽量减少试验设计进行仿真运算的次数，同时保证评价不同参数影响的精确度，选择正交试验设计方法。其试验范围内具有“均匀分散、整齐可比”的特性，适合水平数不太多（一般）的多

8、因素试验。原机燃烧室在开发过程中已经做了大量细致的优化工作，将原机的上述五参数值定义为中间水平，根据经验在其基础上做上下浮动的微调，每个参数确定三个水平，因此选择L18（37）正交设计表设计本次试验方案（即计算方案）。根据正交设计表完成的燃烧室型线设计如图4所示。2试验方案计算根据正交表设计的燃烧室型线，用ESE-Dieel分别建立18个燃烧室型线的计算网格，网格划分策略保持与原机计算网格划分策略相同，避免因网格划分上的差异影响计算结果的对比。计算工况采用发动机额定功率点。求解器直接采用原机功率点的求解器文件，仅将初始条件中的涡流强度设置和喷雾模型参数设置中的喷射夹角按照每种燃烧室对应的计算方

9、案修改即可。结果分析1数据整理从仿真结果中提取代表发动机动力性水平的平均指示压力（IMEP）、代表NO排放水平的平均NO质量分数、代表Soot排放水平的平均Soot质量分数等三个指标进行分析。为了与原机仿真结果对比方便，将试验方案计算结果的相应指标与原机计算结果的比值做为无量纲量，数据整理结果见表2。2试验结果分析根据正交表及数据结果，将各因素所在列中相同水平所对应的指标值求和，得到I、II、III值，并计算该因素极差，以确定因素的主次顺序。仿真结果分析见表3。根据对IMEP指标望大性，NO、Soot指标望小性的要求，从表3可以分别得到五个参数的重要度排列及水平配比的关系（参数排列按照对该指标

10、影响大小的顺序排，下标是该参数应选择的水平值）：IMEP：Aa3Bb2Dd2Ee2Cc2NO:Aa1Bb1Ee1Dd1Cc1Soot:Aa3Dd2Ee3Bb2Cc1从上述组合中可以看出，口径比是影响性能的一个非常重要的参数，对于当前发动机高压喷射的特性，对于IMEP和Soot两个指标，都有加大燃烧室直径的要求，尽量避免燃油碰壁。缩口处的圆角半径的大小对发动机性能影响程度最小。因此，型线设计时仅需要考虑其对活塞边缘热应力的影响。由于NO某PM的trade-off关系，可以看出许多参数对二者影响的方向不同。对于机内降颗粒的要求，有增加缸内涡流比，促进油气混合的要求，而对于NO来说，涡流比的增加，势

11、必造成燃烧温度的升高。因此，出现翘翘板关系的两个指标在考虑参数选择时，应该设置优先级或权重系数，综合考虑参数对二者的影响。根据项目背景主要针对燃烧室型线做进一步优化设计，以期降低缸内颗粒物排放。从Aa、Bb、Cc影响程度和水平取值分析，当前燃烧室除口径比有增大的要求外，缩口比和缩口处的圆角半径均可以保持不变。因此，燃烧室会变的扁平一些。选配喷油器时，喷射夹角也需要相应增大。显著性检验数据的直观分析不能找出哪些参数对指标有显著影响，利用方差分析可解决这一问题，计算结果见表4。找最佳组合时，对于显著因子应该选择其最好的水平，因为其水平变化会造成对指标的显著影响。方差分析表明，参数Aa（口径比）和Bb（缩口比）对三个指标都有显著的影响。因此，在不改变气道涡流比的情况下，对于燃烧室优化要求与3.2结论相同。结论本文尝试采用正交试验设计方法在柴油机燃烧系统参数优化仿真计算中的应用。在CFD仿真计算中采用正交试验设计方法减少了计算次数，得到了燃烧室改进方向，为燃烧室的优化设计提供了指导依据。分析结果表明，为降低研究对象发动机机内颗粒物排放，需要增大燃烧室凹坑直径。