内燃机工作过程模拟分析与研究
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混燃 烧 的混合 气 数 量 ， 而使 燃 烧 温 度 发生 变 化 ， 从
部分燃料的燃烧都在后燃期内进行 。 相 同喷油 时刻不 同转 速 的情况 如 图 ６所 示 ， 可
以看 出转速 对气 缸 内 的压 力 、 度 影 响 不 大 ， 是 温 只 由于活 塞环 的漏 气损 失及 散热 损失 减少 ， 温度 和 使
１ ．ＭＰ （７ 。Ａ）最大气 流速度为 ２ ．ｍ／； ８９ ａ３０Ｃ ， ７ ５ ｓ喷
０
放 以及燃烧 室的优化设计等的研究提供 了基础 ， 同时还为进一步设计发动机 消声器提供 了信息。
关 键词 ： 动机 ； 发 工作 过程 ； 数值 模 拟 ； Ｉ Ｅ软 件 ＦＲ 中图分 类号 ： ４ ４ Ｕ ６ 文献 标识 码 ： Ａ 文 章编 号 ：６ ２—１ １ （０ １ １ —０ ６ １７ ６ ６ ２ １ ）７ ０ ９—０ ４
验 费用 ， 缩短 实 验 时 间 ， 节省 大 量 的人 力 、 物力 ， 具 有很 强 的生命 力 和优 越性 。
１ 建 立 几何 及 网格 模 型
以 Ｘ １０的柴 油 机 为 对 象 ， 定 功 率 （Ｗ ） ６３ 标 ｋ ／ 转速 （／ ｎ 为 １４ ２１０ ｒｍｉ） ５ ／ ０ 。本 型 号 的 柴 油 机燃 烧
行缸 内过程的三维数值模拟已成为可能 ， 这种数值 模拟方法即称为仿真。数值方法模拟可 以代替部
室余隙高度 ｌ ｍ， ｍ 主要结构参数见表 １ 燃烧室结 ，
构如图 １ 示。 所
，
表 １ 样机 的主要 结构参数
用任意连接面将其拼接起来 ， 构成每个曲轴转 角下整个计算流域的体积 网格【 ３。 ｊ －
・
应用 研 究 ・
史 雷鸣
戴 建营
宋 向阳 等
内燃机 工作 过 程模拟 分 析与研 究
７ １
“ ｈ‘ 神
，ｌ ｜ ｒ一
（ ａ）３ ０Ｃ ５ 。 Ａ
（ ｂ）３ ０Ｃ ８ 。 Ａ
（ ｃ）４ ０Ｃ ２。Ａ
图 ４ ３ ０Ｃ ５ 。 Ａ￣４ ０Ｃ ２ 。Ａ压力分布（ 工况 １ ）
●
｛
八
．
／ —～～ ／／ ／
／—
／ －
１４ ．ＯＢ＋ Ｏ７ １２ Ｅ＋０７ ．０ １０ Ｅ十０ ．０ ７
＼＼ ＼
／ １
主
－ ｐ
直８０＋６ ．Ｅ０ ０
６．０ ０ Ｅ＋０ ６
Ｉ＝ ＝ ＿ 面 ＝ 动 机 的工 作 过 程 包 括压 缩 过 程 、 烧过 程 、 燃 膨胀 过程 。考 虑到 当活塞在 上 、 下止 点 范 围 内移 动 时 ， 有 活 塞 顶 部 的气 缸 容 积 变 化 ， 只
动计 算结 果 映射 到少 网格 规模 的系 统 中 ， 可 以将 也 上一 时 间步长 中少 网格 规 模 的流 动 计 算 结果 映射 到多 网格 规模 的 系统 中。活 塞 顶 面 运 动 区 网格 可
持续角／Ｃ ＊ Ａ
３ ６
３ ６
３ ６
３ ６
３ ６
将 上述 ５种工 况 的气缸 内温度 、 压力 变化趋 势 绘成 曲线 ， 图 ５所示 。 如 从 图 ５ａ 中对工况 １４ ５的分 析可 知 ： （） ，，
工 况 １下气 缸 内温 度 压 力 分 布 分 别 如 图 ３ ４ ，
为 了在保 证 发动机 的动力性 和 经济性 的同 时 ， 又达 到节 约能 源 和环保 的 目的 ， 就不 得不 对发 动机 的燃 烧 系统不 断加 以改 进 ， 重视 缸 内工作 过程 的研 究… １。 利用 计算 机建 立各 种科 学 的数 学计算 模 型 ， 进
或对 旧内燃机的性能进行优化 ， 此外还可以降低实
压力 越 大 ， 动零 件 受 到 强烈 的 冲击 ， 燃 烧 噪声 运 则 就越 大 且引起 缸 内燃烧 情况 变 化 ， 以本论 文对 ５ 所 种不 同的 工 况进 行 了模 拟 分 析 ， 动 机 工 况 见 表 发
３。
转 速 ／ ｒｍｉ ） １３ ０ １６０ １６ ０ １３ ０ １３０ （・ ｎ ０ ０ ０ ０ ０ 喷 油 提 前 角 尸Ｃ １ Ａ ５ １ ０ １ ５ ２ ０ １ ０
而燃烧室容积不变 ， 将计算 网格模型分成 ２部分 ： 集 中 于活塞 顶部 不 变 的燃 烧 室 空 间 网格 和活 塞 顶 上部随活塞位移变化的圆柱形 可变空 间网格 即气
缸 网格 。
分为运动方向网格和静止方向网格 。活塞顶面运 动方向网格用增减 网格 间距与调整网格 间距相结
合 的算法 获得 ， 为增减 网格 算法 。 称 当活塞 上行
（． ２ 东风郑州 Ｅ产股份有 限公 司， ｔ 河南 郑州 ４０ ０ ） ５ ０４ （ ． 州大 学 物理 工程 学 院 ， 南 郑州 ４０ ０ ） ３郑 河 ５ ０ ５ 摘要： 采用 ＦＲ ＩＥ软件进行 了内燃机 工作过程的数值模拟分析 ， 得到与排 气噪声影响因素有关的
燃 烧 气体 的温度 、 力参 数 ， 压 同时还 得 到 了在 这 些 工 况 下 ＮＯ ｘ的排放 情 况 ， 发 动机 的燃 烧 、 为 排
当活 塞反 向移 动时 ， 活塞 以上 区域采 用增加 网
格的算法。 移动网格 的建立是一项非常繁重的工作 ， 但它
用实际参数 ， 中有一些参数由于无法获得或者无 其 法 测量 等原 因 ， 在参 考 了相关 文献 的基 础 上进行 选 用。表 ２ 出了实际工况仿真应有的主要计算初 列 始参数和边界条件 ， 对计算结果进行数据处理时只 取部分曲轴转角。
・
应用研究 ・
史雷鸣
戴建营
宋向阳 等
内燃机工作过程模拟分析与研究
６ ９
内燃 机 工 作 过 程 模 拟 分 析 与研 究
史雷 鸣 戴 建 营 宋向 阳 曹刚强 梁秋 霞。 ， ， ， ， （ ． 南交 通职 业技 术学 院 汽 车系 ， １河 河南 郑 州 ４０ ５ ） ５ ０２
件 的定义 ， 并选 择燃 烧过 程基本 模型 。
，
调整网格格局 删 除网格
２ 计算初始参数和边界条件［ ６ ４ ］ －
对 于柴 油 机 工况 的模 拟 仿 真计 算 尽 可能 地 采
（） ａ 原始 网格
（ 调整 网格 间距 ｂ）
（） ｃ 删除网格
图 ２ 减 少 网格 算 法 示 意 图
当转 速 为 １３ ０／ ｎ 喷 油 提 前 角 为 １。Ａ ０ ｒｍｉ， ０Ｃ
燃期几乎一起燃烧 ， 气缸 内最高燃烧温度 、 最高燃 烧压力高 ； 反之 ， 喷油推迟 ， 在滞燃期内形成混和气 较 少 ， 缸 内最 高燃 烧 温 度 、 高燃 烧 压 力低 。后 气 最
者 主要 是 由于燃 料 的燃烧 均推 迟 造成后 燃严 重 ， 大
（ ａ）
图 ５ 气体 参 数 和 曲 轴 转 角 的 关 系 曲线
燃烧 压力 为 １ ．ＭＰ （７ 。Ａ）最 大气 流 速 度 为 ８ ２ ａ３ ０Ｃ ，
喷油早 ， 滞 燃期 内形 成 混 和 气 较 多 ， 入 急 在 进
２ ．ｍ／； ６ ６ ｓ 喷油提前角为 １。Ａ时 ， ５Ｃ 对应 的最高燃 烧温 度 为 ２ ５ ７ ３５ Ｃ ， 高 燃 烧 压 力 为 ７Ｋ（ ７ Ａ） 最 ２ ．ＭＰ （６。Ａ）最 大气 流速 度 为 ２ ．ｍ／。 １０ ａ３ ５Ｃ ， ７２ ｓ
网格组成 ， 每套 网格数 目 １ 万 ， ０ 其中六面体非结构
网格 占 ９ ％ 以上 ， ０ 以节 省计 算 时 间 并保 证 计 算 精
度。
移动 网 格 建 成 后 必 须 进 行 动 态 检 查 （ｕ ｍｙ ｄｍ
ｍｎ ， 网格通 过检 查 的前 提下 进行 下一 步边 界 条 ）在
随 着活 塞 的上下 运动 ， 气缸 容 积 的网格 大小会 被成 比例 地拉 伸 或 压 缩 ， 网格 数 目也 随 之变 化 ， 其
１ 燃 烧 室 几 何 模 型
而燃 烧 室 内部 网格数 目和 大小则 保 持不 变 ， 算 网 计
格再 分 区可 以将 上 一 时 间步 长 中多 网格 规模 的 流
／
＼
—
一
／ ７
匡 言
堪
扩
曲轴 转 角 ／（Ｃ 。 Ａ）
曲 轴转 角 ／ （ Ａ） ｏ Ｃ
（ ） ａ
（） ｂ
图 ６ 转速 对 温 度 和 压 力 的影 响
７ ２
２ １ 年 ９ 中国制造业信息化 ０１ 月
第４卷 ０
第 １ 期 ７
断进行 ， 生成 的 Ｎ ｘ Ｏ 越来越多。从气缸 内整体燃 烧而言 ， 改变喷油正时 ， 滞燃期变化改变 了参 与预
表 ２ 主要计算初始参数和边界条件
３ 计算结果与数据分析
由于 车用 发 动机 随工 作情 况 其转 速 变 化或 者
工况数
表 ３ 发 动 机 工 况
１ ２ ３ ４ ５
供油提前角的变化 ， 都会影响滞燃期 ， 而滞燃期是 燃烧 过 程 的一 个 重 要参 数 ， 燃 期 越 长 ， 高燃 烧 滞 最
时， 对应的最高燃烧温度为 ２３ ６ ３０ｃ ）最高 ８Ｋ（９ 。Ａ ， 燃烧 压力 为 １ ．ＭＰ （７ 。 Ａ）最 大 气 流 速 度 为 ７ ９ ａ ３０Ｃ ，
２ ．ｍ／； 油提 前 角为 １。Ａ 时 ， 应 的最 高 燃 ３０ ｓ 喷 ５Ｃ 对 烧 温 度 为 ２ ５ ３ （ ８。 Ａ） 最 高 燃 烧 压 力 为 ７Ｋ ３ ０ Ｃ ，
利用成熟化的 ＦＲ ． 仿真软件， ＩＥ８３ 将模拟发动
机工作过 程 的参数 （ 温度 、 流速 、 体压 力 ） 气 与汽 车消
分 发动 机试 验 ， 在不受 时 空 限制 的条件 下进 行各 种 变参 数研 究 ， 导设 计 开 发 新 型 燃 烧 系统 内燃 机 ， 指
部分燃料的燃烧都在后燃期内进行 。 相 同喷油 时刻不 同转 速 的情况 如 图 ６所 示 ， 可
以看 出转速 对气 缸 内 的压 力 、 度 影 响 不 大 ， 是 温 只 由于活 塞环 的漏 气损 失及 散热 损失 减少 ， 温度 和 使
１ ．ＭＰ （７ 。Ａ）最大气 流速度为 ２ ．ｍ／； ８９ ａ３０Ｃ ， ７ ５ ｓ喷
０
放 以及燃烧 室的优化设计等的研究提供 了基础 ， 同时还为进一步设计发动机 消声器提供 了信息。
关 键词 ： 动机 ； 发 工作 过程 ； 数值 模 拟 ； Ｉ Ｅ软 件 ＦＲ 中图分 类号 ： ４ ４ Ｕ ６ 文献 标识 码 ： Ａ 文 章编 号 ：６ ２—１ １ （０ １ １ —０ ６ １７ ６ ６ ２ １ ）７ ０ ９—０ ４
验 费用 ， 缩短 实 验 时 间 ， 节省 大 量 的人 力 、 物力 ， 具 有很 强 的生命 力 和优 越性 。
１ 建 立 几何 及 网格 模 型
以 Ｘ １０的柴 油 机 为 对 象 ， 定 功 率 （Ｗ ） ６３ 标 ｋ ／ 转速 （／ ｎ 为 １４ ２１０ ｒｍｉ） ５ ／ ０ 。本 型 号 的 柴 油 机燃 烧
行缸 内过程的三维数值模拟已成为可能 ， 这种数值 模拟方法即称为仿真。数值方法模拟可 以代替部
室余隙高度 ｌ ｍ， ｍ 主要结构参数见表 １ 燃烧室结 ，
构如图 １ 示。 所
，
表 １ 样机 的主要 结构参数
用任意连接面将其拼接起来 ， 构成每个曲轴转 角下整个计算流域的体积 网格【 ３。 ｊ －
・
应用 研 究 ・
史 雷鸣
戴 建营
宋 向阳 等
内燃机 工作 过 程模拟 分 析与研 究
７ １
“ ｈ‘ 神
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（ ａ）３ ０Ｃ ５ 。 Ａ
（ ｂ）３ ０Ｃ ８ 。 Ａ
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图 ４ ３ ０Ｃ ５ 。 Ａ￣４ ０Ｃ ２ 。Ａ压力分布（ 工况 １ ）
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Ｉ＝ ＝ ＿ 面 ＝ 动 机 的工 作 过 程 包 括压 缩 过 程 、 烧过 程 、 燃 膨胀 过程 。考 虑到 当活塞在 上 、 下止 点 范 围 内移 动 时 ， 有 活 塞 顶 部 的气 缸 容 积 变 化 ， 只
动计 算结 果 映射 到少 网格 规模 的系 统 中 ， 可 以将 也 上一 时 间步长 中少 网格 规 模 的流 动 计 算 结果 映射 到多 网格 规模 的 系统 中。活 塞 顶 面 运 动 区 网格 可
持续角／Ｃ ＊ Ａ
３ ６
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将 上述 ５种工 况 的气缸 内温度 、 压力 变化趋 势 绘成 曲线 ， 图 ５所示 。 如 从 图 ５ａ 中对工况 １４ ５的分 析可 知 ： （） ，，
工 况 １下气 缸 内温 度 压 力 分 布 分 别 如 图 ３ ４ ，
为 了在保 证 发动机 的动力性 和 经济性 的同 时 ， 又达 到节 约能 源 和环保 的 目的 ， 就不 得不 对发 动机 的燃 烧 系统不 断加 以改 进 ， 重视 缸 内工作 过程 的研 究… １。 利用 计算 机建 立各 种科 学 的数 学计算 模 型 ， 进
或对 旧内燃机的性能进行优化 ， 此外还可以降低实
压力 越 大 ， 动零 件 受 到 强烈 的 冲击 ， 燃 烧 噪声 运 则 就越 大 且引起 缸 内燃烧 情况 变 化 ， 以本论 文对 ５ 所 种不 同的 工 况进 行 了模 拟 分 析 ， 动 机 工 况 见 表 发
３。
转 速 ／ ｒｍｉ ） １３ ０ １６０ １６ ０ １３ ０ １３０ （・ ｎ ０ ０ ０ ０ ０ 喷 油 提 前 角 尸Ｃ １ Ａ ５ １ ０ １ ５ ２ ０ １ ０
而燃烧室容积不变 ， 将计算 网格模型分成 ２部分 ： 集 中 于活塞 顶部 不 变 的燃 烧 室 空 间 网格 和活 塞 顶 上部随活塞位移变化的圆柱形 可变空 间网格 即气
缸 网格 。
分为运动方向网格和静止方向网格 。活塞顶面运 动方向网格用增减 网格 间距与调整网格 间距相结
合 的算法 获得 ， 为增减 网格 算法 。 称 当活塞 上行
（． ２ 东风郑州 Ｅ产股份有 限公 司， ｔ 河南 郑州 ４０ ０ ） ５ ０４ （ ． 州大 学 物理 工程 学 院 ， 南 郑州 ４０ ０ ） ３郑 河 ５ ０ ５ 摘要： 采用 ＦＲ ＩＥ软件进行 了内燃机 工作过程的数值模拟分析 ， 得到与排 气噪声影响因素有关的
燃 烧 气体 的温度 、 力参 数 ， 压 同时还 得 到 了在 这 些 工 况 下 ＮＯ ｘ的排放 情 况 ， 发 动机 的燃 烧 、 为 排
当活 塞反 向移 动时 ， 活塞 以上 区域采 用增加 网
格的算法。 移动网格 的建立是一项非常繁重的工作 ， 但它
用实际参数 ， 中有一些参数由于无法获得或者无 其 法 测量 等原 因 ， 在参 考 了相关 文献 的基 础 上进行 选 用。表 ２ 出了实际工况仿真应有的主要计算初 列 始参数和边界条件 ， 对计算结果进行数据处理时只 取部分曲轴转角。
・
应用研究 ・
史雷鸣
戴建营
宋向阳 等
内燃机工作过程模拟分析与研究
６ ９
内燃 机 工 作 过 程 模 拟 分 析 与研 究
史雷 鸣 戴 建 营 宋向 阳 曹刚强 梁秋 霞。 ， ， ， ， （ ． 南交 通职 业技 术学 院 汽 车系 ， １河 河南 郑 州 ４０ ５ ） ５ ０２
件 的定义 ， 并选 择燃 烧过 程基本 模型 。
，
调整网格格局 删 除网格
２ 计算初始参数和边界条件［ ６ ４ ］ －
对 于柴 油 机 工况 的模 拟 仿 真计 算 尽 可能 地 采
（） ａ 原始 网格
（ 调整 网格 间距 ｂ）
（） ｃ 删除网格
图 ２ 减 少 网格 算 法 示 意 图
当转 速 为 １３ ０／ ｎ 喷 油 提 前 角 为 １。Ａ ０ ｒｍｉ， ０Ｃ
燃期几乎一起燃烧 ， 气缸 内最高燃烧温度 、 最高燃 烧压力高 ； 反之 ， 喷油推迟 ， 在滞燃期内形成混和气 较 少 ， 缸 内最 高燃 烧 温 度 、 高燃 烧 压 力低 。后 气 最
者 主要 是 由于燃 料 的燃烧 均推 迟 造成后 燃严 重 ， 大
（ ａ）
图 ５ 气体 参 数 和 曲 轴 转 角 的 关 系 曲线
燃烧 压力 为 １ ．ＭＰ （７ 。Ａ）最 大气 流 速 度 为 ８ ２ ａ３ ０Ｃ ，
喷油早 ， 滞 燃期 内形 成 混 和 气 较 多 ， 入 急 在 进
２ ．ｍ／； ６ ６ ｓ 喷油提前角为 １。Ａ时 ， ５Ｃ 对应 的最高燃 烧温 度 为 ２ ５ ７ ３５ Ｃ ， 高 燃 烧 压 力 为 ７Ｋ（ ７ Ａ） 最 ２ ．ＭＰ （６。Ａ）最 大气 流速 度 为 ２ ．ｍ／。 １０ ａ３ ５Ｃ ， ７２ ｓ
网格组成 ， 每套 网格数 目 １ 万 ， ０ 其中六面体非结构
网格 占 ９ ％ 以上 ， ０ 以节 省计 算 时 间 并保 证 计 算 精
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移动 网 格 建 成 后 必 须 进 行 动 态 检 查 （ｕ ｍｙ ｄｍ
ｍｎ ， 网格通 过检 查 的前 提下 进行 下一 步边 界 条 ）在
随 着活 塞 的上下 运动 ， 气缸 容 积 的网格 大小会 被成 比例 地拉 伸 或 压 缩 ， 网格 数 目也 随 之变 化 ， 其
１ 燃 烧 室 几 何 模 型
而燃 烧 室 内部 网格数 目和 大小则 保 持不 变 ， 算 网 计
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匡 言
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曲轴 转 角 ／（Ｃ 。 Ａ）
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图 ６ 转速 对 温 度 和 压 力 的影 响
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２ １ 年 ９ 中国制造业信息化 ０１ 月
第４卷 ０
第 １ 期 ７
断进行 ， 生成 的 Ｎ ｘ Ｏ 越来越多。从气缸 内整体燃 烧而言 ， 改变喷油正时 ， 滞燃期变化改变 了参 与预
表 ２ 主要计算初始参数和边界条件
３ 计算结果与数据分析
由于 车用 发 动机 随工 作情 况 其转 速 变 化或 者
工况数
表 ３ 发 动 机 工 况
１ ２ ３ ４ ５
供油提前角的变化 ， 都会影响滞燃期 ， 而滞燃期是 燃烧 过 程 的一 个 重 要参 数 ， 燃 期 越 长 ， 高燃 烧 滞 最
时， 对应的最高燃烧温度为 ２３ ６ ３０ｃ ）最高 ８Ｋ（９ 。Ａ ， 燃烧 压力 为 １ ．ＭＰ （７ 。 Ａ）最 大 气 流 速 度 为 ７ ９ ａ ３０Ｃ ，
２ ．ｍ／； 油提 前 角为 １。Ａ 时 ， 应 的最 高 燃 ３０ ｓ 喷 ５Ｃ 对 烧 温 度 为 ２ ５ ３ （ ８。 Ａ） 最 高 燃 烧 压 力 为 ７Ｋ ３ ０ Ｃ ，
利用成熟化的 ＦＲ ． 仿真软件， ＩＥ８３ 将模拟发动
机工作过 程 的参数 （ 温度 、 流速 、 体压 力 ） 气 与汽 车消
分 发动 机试 验 ， 在不受 时 空 限制 的条件 下进 行各 种 变参 数研 究 ， 导设 计 开 发 新 型 燃 烧 系统 内燃 机 ， 指
