在柴油机开发中的应用余皎

第四届中国 CAE 工程分析技术年会论文集
计算流体力学 CFD 在柴油机开发中的应用
余皎
（潍柴动力技术中心，潍坊，261001）
摘要：计算流体力学 CFD（Computational Fluid Dynamics）已经成为柴油机设计的主要工具。本文主要介 绍了 CFD 在柴油机进气道设计，柴油机水套冷却系统设计，柴油机燃烧系统开发，排气系统优化及后处理装 置设计方面的具体应用，目的在于进一步拓宽企业里 CFD 的应用范围，更好更多的利用好 CFD 软件，发挥其 降低开发成本，缩短开发周期的作用。 关键词：CFD，柴油机，进气道设计，燃烧系统开发，排气系统优化，后处理装置设计
1 引言
无论国内还是国外，各大汽车及发动机企业研究所都充分认识到数字化设计是未来的主 流，因此大力发展自己的数 CAE(Computer Aided Engineering)队伍，建立完善自己的数字化 设计规范流程。柴油机的开发流程中始终贯穿 CAE 分析，从概念设计、布置设计、详细设计、 物理样机试制和试验以及批量投产的过程中 CAE 承当不同的分析任务。采用 CAE 分析技术可 以大大缩短开发流程，降低开发成本，同时优化设计提高产品开发质量。
CFD 属于 CAE 的一个分支，其在柴油机开发中的应用主要包括：进气道设计，水套冷却 系统设计，燃烧系统开发，以及排气系统优化及后处理装置设计等。其中燃烧系统开发是柴 油机设计的核心，柴油机喷雾燃烧是一个涉及燃油雾化，蒸发，油束与空气混合，燃油撞壁， 燃烧污染物形成等过程的复杂物理化学反应过程，同时，柴油机活塞的往复运动，气门的开 关都涉及到运动网格技术，后处理装置模拟涉及复杂的化学反应动力学模拟，这对数值模拟 提出了很大的挑战。
CFD 是指对描写流动、传热、传质的控制方程采用数值方法通过计算机予以求解的一门 流体力学和数值方法相结合的交叉学科。其中控制方程就是对支配流体流动的物理守恒定律 的数学描述，即根据研究内容建立反映流动对象连续变化的微分方程，主要包括质量守恒、 动量守恒、能量守恒、组分守恒方程以及湍流输运方程。另外，在柴油机喷雾燃烧模拟中还 需要燃油雾化破碎，燃油蒸发，沸腾，燃油撞壁，燃烧，污染物形成等子模型。大多数 CFD 软件都是采用有限容积法 FVM（Finite Volume Method）进行离散。目前常用的 CFD 商用软件 有：STAR-CD，Fluent，CFX，AVL-Fire，KIVA。
2 CFD 在柴油机开发中的应用
2.1 柴油机进气道设计
进气道的优劣关系到整机的性能水平，传统设计方法是不断的修改气道石膏模型，在稳 流试验台上进行反复的试验和对比来获得满足设计要求的形状，这样在设计过程中，往往凭 借经验来判断如何修改气道形状，因此设计周期长，成本高，见效慢。利用 CFD 技术对进气 道流场进行三维模拟，并能可视化显示，使设计者能够直观的了解影响气道性能的主要部位 和参数，并且判断修改后的气道的性能是否满足设计要求。若不满足要求只要对 CAD 模型进 行快速修改并输入 CFD 软件再次模拟，直至满足设计要求为止。相对传统方法，CFD 技术不仅 可以获得进气道、气门和气缸结构参数以及它们的相对位置对流动宏观特性的影响，而且可

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以获得其内部流场的大量微观信息，为气道的设计和改进提供重要的理论依据，因而从理论 上指导试验工作，减少试验的盲目性和试验开支。
图 1、某柴油机进气道几何模型
图 2、某柴油机进气道网格局部
（a）10mm 升程
（b）9mm 升程
（c）6mm 升程
（d）4mm 升程
图 3、不同气门升程某一截面速度迹线图

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图 4、某一横截面迹线及速度矢量图
流量系数
涡流比
0.6
0.55 0.5
0.45
0.4 0.35
0.3 3 4 5 6 7 8 9 10 气门升程（mm）
试验结果 计算结果
2
1.8
1.6
1.4 计算结果 试验结果
1.2
1
0.8
0.6
3
4
5
6
7
8
9
10
气门升程（mm）
图 5、不同气门升程下的流量系数
图 6、不同气门升程下的涡流比
图 1 和图 2 分别为气道几何外形和网格。图 3 为不同气门升程下缸内气体轨迹的截面图， 图 4 为缸内流场的横截面图。图 5 和图 6 分别为计算得到的不同气门升程下流量系数和涡流 比试验与计算结果比较。从图 3 可以看出，气门处产生强烈的剪切流，两气门间的气流存在 干扰，升程越大，干扰越严重。进入气缸的气流一部分继续做螺旋运动，一部分是在气缸壁 的引导下，与其碰撞形成绕气缸轴线的螺旋，随着气门的开度，气缸的引导作用减弱。
从图 4 可以看出，该截面无轴向回流，形成一个清晰的绕 Z 轴运动的旋涡，流动已基本 趋于稳定。从图 5 中可以看出：随着气门升程的增大，计算结果与试验结果均呈上升趋势， 且二者相对误差的绝对值均在 5％左右。从图 6 中可以看出：试验结果与计算结果趋势一致， 二者相对误差的绝对值均在 5％左右。
2.2 柴油机水套冷却系统设计
柴油机冷却水量的多少及冷却水的分布直接影响到柴油机的冷却效率、高温零件的热负 荷、热量分配和能量利用等方面。过多的冷却水量虽然可以使气缸盖及有关零部件得到充分 的冷却，但却增加了水泵的功率损耗，同时冷却水带走了可利用能，影响柴油机的经济性； 冷却过度也会影响机油的特性，不利于柴油机的正常运行，还会使冷却系统体积加大，整机 的单位体积功率减小，不利于整机的优化。所以，寻求适当的冷却水量、压力以及合理的流 场分布成为柴油机研究开发中的重要环节。
柴油机水套冷却计算主要评价以下几个方面：各缸流场均匀性以及关键区域的流速要求，