涡轮增压直喷汽油机进气道及燃烧室数值模拟与优化设计

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1、涡轮增压直喷汽油机进气道及燃烧室数值模拟与优化设计(申请清华大学工程硕士专业学位论文)培养单位：汽车工程系工程领域：动力工程申请人：慕金华指导教师：帅石金教授联合指导教师：张志福高级工程师二○一七年五月NumericalSimulationandOptimizationDesignofIntakePortandCombustionChamberforTurbochargedGasolineDirectInjectionEngineThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementfo

2、rtheprofessionaldegreeofMasterofEngineeringbyMuJinhua(PowerEngineering)ThesisSupervisor:ProfessorShuaiShijinAssociateSupervisor:SeniorEngineerZhangZhifuMay,2017摘要摘要涡轮增压直喷汽油机（TGDI）具有节能减排的潜力，随着乘用车第四阶段油耗法规及第六阶段排放法规的实施，汽车企业采用TGDI作为乘用车主流动力成为必然。论文围绕奇瑞汽车股份有限公司2007年开发的某款TGDI发动机，为了满足第四阶段油耗法规和国六排放要求

3、，开展进气道和燃烧室结构优化设计工作。针对该TGDI发动机燃烧稳定性差和缸套湿壁严重两个问题，从进气道和燃烧室结构设计入手，使用PREO三维软件设计提升滚流比的方案，利用计算流体动力学（CFD）软件FIRE进行数值模拟分析，选出最优方案制作样件，进行发动机台架试验验证，旨在提升发动机燃烧稳定性及减少燃油缸套油膜量，从而改善发动机排放性能并提升动力性和经济性。论文提出了进气道和燃烧室耦合优化目标和设计准则，优化目标既要考虑高升程时的流量系数足够大，又要兼顾低升程的滚流比。进气道的设计原则是尽量增大转弯半径和气道与燃烧室底面倾角。燃烧室的设计原则是与进气道合理匹配，增加滚流强度

4、。论文针对不同的进气道和燃烧室设计方案，对其流动和燃烧工作过程进行了三维CFD详细数值解析，得到进气道流量系数、缸内滚流比、燃烧速度以及燃烧稳定性的情况。数值模拟结果表明，国六燃烧系统较国五燃烧系统的进气冲程最大滚流比提升28%，压缩冲程滚流比提升59%，燃烧持续期缩短了5.6度曲轴转角；国六燃烧系统与国五燃烧系统相比，缸套油膜量峰值降低了38%，活塞顶面油膜量峰值降低了92%。台架试验数据表明，通过本文提供的进气道和燃烧室优化方案，燃油消耗率在2000r/min、平均有效压力2bar的工况下降低了10g/kW·h；低速扭矩由265N•m提升到275N•m；排放满足国六法规

5、要求。关键词：进气道；燃烧室；数值模拟；优化设计；滚流比ⅠAbstractAbstractTurbochargeddirectinjectiongasolineengine(TGDI)hasthepotentialofenergyconservationandemissionreduction,withtheimplementationofpassengercarfuelconsumptionregulationsfourthstageandsixstageemissionregulations,thecarcompaniesareusingTGDIasthemainstr

6、eampowerpassengercarsbecomeinevitable.ThethesisfocusesonaTGDIenginedevelopedbyCheryautomobileLimitedbyShareLtdin2007.Inordertomeettherequirementsoffourthstagefuelconsumptionregulationsandcountrysixemissionrequirements,theoptimizationdesignofintakeportandcombustionchamberstructureiscarriedo

7、ut.InthelightoftheTGDIenginepoorcombustionstabilityandseverecylinderwallwettingproblems,using3DsoftwarePREOtodesign3D.modelofintakeportandcombustionchambertoimprovethetumbleratio,Numericalsimulationanalysisisperformedusingcomputationalfluiddynamics(CFD)softwar