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1、2008 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文1 AVL AWS 、FIRE 软件在发动机性能设计中的综合应用 王新权张文正（七一一研究所，上海华宁路3111 号， 201108）摘要：本文在发动机性能设计的不同阶段，综合采用了AVL AWS 、FIRE 等软件，把性能设计工作逐步细化，有效地指导了设计过程，并解决了软件计算时边界条件输入的问题，提高了计算精度，取得了较为理想的结果。关键词： 发动机；性能设计主要软件： AVL BOOST ；HYDSIM ；FIRE 1. 前言随着计算技术的进步，计算分析在柴油机性能设计中具有愈来愈重要的地位。柴油机性能参数选取时，均需要采用计算分析软件进行优
2、化，以前由于计算量大而难以实施的三维CFD 计算也得到了普遍应用。计算软件在柴油机设计中发挥作用的大小，除了软件本身功能外，也与软件的合理使用密切相关。在条件允许的情况下，在柴油机性能设计中综合采用Boost、Hydsim 、Fire 等软件，可以更有效地指导设计过程。在本文中首先对柴油机性能设计流程加以介绍，然后结合实例加以分析。2. 柴油机性能设计流程及各阶段的仿真分析软件 柴油机性能计算一般流程如图1 所示。 在该流程中， 把柴油机的性能指标作为输入参数，逐级细化分解， 转化对柴油机的各性能设计参数，较好地指导了柴油机的性能设计过程。在新机型设计及性能重大改进工作中，一般应按该流程进行计
3、算分析研究。图 1 柴油机性能计算一般流程名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 2008 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文2 3. 某高指标柴油机性能设计3.1 项目简介按照前面所述的计算分析流程，采用了Boost、Hydsim 、Fire 等计算分析软件进行了全面的计算分析研究。该项目已经全部完成，计算分析的结果经过了单缸机试验验证。3.2 计算分析研究3.2.1 工作过程计算根据内燃机热工循环理论，定压过程具有
4、高的热效率。因而把定压过程作为该项目中的工作过程组织方式。采用 Boost 中的定压模型进行定压过程放热率的分析，得到的缸内压力及放热率曲线如图2 所示。图 2 理想定压过程的缸内压力及放热率曲线从上图中可以看出，定压过程的燃烧放热率先缓后急，呈近似直角三角形，燃烧持续期仅有 31 CA 。这是因为在燃烧的初期，活塞处于上死点位置，运动速度慢， 相应燃烧放热率也要求较慢，随后活塞运动速率提高，要求燃烧速率提高以保持缸内压力不变。3.2 燃油系统的计算为了实现定压过程先缓后急的放热率，应按先缓后急的要求进行喷油规律的设计。燃油凸轮型线对喷油规律具有决定性影响，实现预期的喷油规律首先要设计合理的凸
5、轮型线。喷孔规格、 出口阀回流孔径等参数对喷油规律也有一定影响，喷油规律的最终确定需要同时考虑这些参数。经过多方案匹 配计算，得到的最 佳 喷油 器方案的计算结果如3 图所示。 从该图中可以看出，经过凸轮型线的优化，喷油规律较好 符合先缓后急的要求。燃油系统 方案对性能的影响在后面三维CFD 计算中进一步加以研究。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 2008 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文3 图 3 最佳喷油
6、器方案的喷油率曲线3.3 燃烧过程三维CFD 计算根据工作过程计算得到计算初始时刻的缸内 气体 压力、温度，并以燃油 系统仿真 计算得到喷油规律、喷 雾锥 角、液滴 直径作为燃油喷雾的边界。 为了提高计算分析精度，在计算分析前进行了计算模型的标定。计算软件为FIRE，计算 网格如图 4 所示。图 4 FIRE 软件计算 网格部分计算结果如图5-图 7 所示。从图5 中可以看出，对于缩口燃烧 室型线，由于较强的挤 流，有利于燃烧初期的油气混 合。但到了燃烧的中后期，逆挤流对油 气混合的影响已不明显 ， 燃烧本身 带来的 湍流流动 占据了 主要地位。 扩口燃烧 室有利于燃烧 向燃烧 室内上部 空间
7、扩散 ，可以 充分利用 此处的新 鲜空气 ，因而 促进燃烧。 根据定压过程对先缓后急的放热率名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 2008 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文4 要求， 扩口燃烧 室型线对组织定压过程更为有利。从图 6 中可以看出， 较小的喷孔 夹角往往更有 利于燃烧 室凹坑 内空气 的充分 利用， 而较大的喷孔夹角则更有利于燃油 向燃烧 室余隙 内扩散 ，充分利用余隙 内的新 鲜空气 ，有利于中后期
8、燃烧。 从定压过程对先缓后急的放热率要求来看，较大的喷孔夹角更为有 利。从图 7 中可以看出，对于9*0.45 喷孔，由于孔径较小，液滴雾 化相对较 快 ，因而在初期燃烧较好。对于8*0.50 ，则由于喷孔较大， 贯穿距离 相对较长，更有 利于充分利用燃烧 室内空气 ，在中后期高 温区 的分 布范围 更广。从定压过程对先缓后急放热率的要求来看，8*0.5 的喷孔方案更为有利。图 5 不同燃烧 室方案的缸内流场图 6 不同喷孔 夹角方案的缸内温度场名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - -
9、 - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 2008 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文5 图 7 不同喷孔数 * 孔径方案的缸内温度场在初步 掌握 这些参数对燃烧过程的影响规律的基础 上，进行多方案对比的计算分析研究，得到了 扩口燃烧 室、8*0.5*150 喷嘴的最 佳匹配方案， 和影响参数的分析较为吻合。该方案对应的放热率曲线如图13 中的计算放热率所示，在该放热率下燃油消耗率和压缩比 关系曲线如图8 所示。从图8 中可以看出，在压缩比 10.5 下达到最好的燃油 消耗 率，和工作过程计算选取的参数一致，实现了预期的定压过程组织。图 8 在优化方案放热率下的燃油消
10、耗 率和压缩比 关系曲线4. 结语1）综合采用BOOST 、HYDSIM 、FIRE 软件，可以把柴油机性能指标作为输入参数，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 2008 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文6 逐步细化，转化为具体的性能设计参数，可以有效地指导设计过程，保证性能指标的实现；2）综合采用BOOST 、HYDSIM 、FIRE 软件， 还可以解决软件边界设置问题，提高计算精度。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -