废气与温度场耦合的柴油机废气再循环诱导进气道优化设计

NOx and PM are major pollutant emissions of diesel engines, also lead to the deterioration of the atmospheric environment as important pollutants; high rates of exhaust gas recirculation (EGR) in low-temperature combustion (LTC) can effectively reduce NOx-PM. However, high rates of EGR directly blended into intake manifold will lead to deterioration of combustion, fuel consumption, HC and CO emissions. By optimizing design of diesel EGR guide port, the exhaust gas enter into in-cylinder can formation of exhaust gas concentration gradient distribution along high temperature center to lower temperature direction, form priority control of local high temperature. This can achieve low rate of EGR introduction and high efficient use of diesel high efficient and clean combustion. This study based on optimal design theory and engine combustion theory, the reverse engineering method was used to build and parameterized of port model. The combination of multi objective evolutionary algorithm based on decomposition (MOEA/D) was applied for multi-objective optimization of port key structures. The optimization design was improved and validate by DPIV steady flow visualization and engine bench tests. This study will in depth reveal key structural parameters of port, combustion chamber, fuel injection rate on influence law and mechanism of in-cylinder air, exhaust gas, and fuel’s movement and distribution. With optimization design of port, this project make exhaust gas coupled with temperature field, and maintain high flow coefficient and appropriate swirl ratio. This project will also provide new ideas for diesel vehicles to meet future China V, VI stage emission standards and stage four fuel consumption regulations.

NOx-PM是柴油车的主要排放物，也是导致大气环境恶化的重要污染物。高比率EGR的低温燃烧可有效抑制NOx-PM，但在进气道内直接掺混高浓废气，会使燃烧恶化，油耗、HC、CO大幅增加。设计EGR诱导进气道，并对其结构进行优化，使废气进入气缸，沿高温向低温方向，浓度由高至低梯度分布，形成对局部高温的重点控制，从而降低EGR引入比率、提高其使用效率，实现高效洁净燃烧的目的。本研究基于优化设计理论与内燃机燃烧学，采用逆向工程构建气道模型，并将其参量化，结合分解多目标进化算法（MOEA/D）优化其关键结构，通过DPIV及发动机试验改进并验证优化方案。本研究将深入揭示诱导气道关键结构、燃烧室构型、喷油规律对空气/废气/燃油的运动与分布特性的影响规律与作用机理；通过对气道的优化设计，使废气浓度场与温度场耦合，并保持恰当流量系数与涡流比，为柴油车满足未来国Ⅴ、国Ⅵ排放标准与四阶段油耗法规提供新思路。

该基金项目针对当前内燃机研究领域中的高效清洁燃烧问题，致力于发动机进气道结构优化设计，并对EGR采取诱导进气策略，在发动机气缸内实现EGR与新鲜充量的内外分层燃烧，达到发动机节能减排的目的，为国六b与非道路国四发动机的气道设计与开发提供技术及理论支撑。本项目依托昆明云内动力股份有限公司，研究对象采用云内动力主流产品（D19、D20、YN33、YN38），构建了多型发动机的进气道-气门-气缸-燃烧室模型，搭建了具有完全自主知识产权的可视化气道稳流试验台，通过发动机台架试验、可视化稳流试验、CFD模拟、多目标优化设计方法，开展了围绕单螺旋进气道和螺旋/切向双进气道的进气性能，气道-气缸-燃烧室的进气与缸内的气流运动特性，缸内进气充量分层控制，双进气道相异气门控制策略以及进气道-气门结构优化设计等方面的大量研究。在项目的研究过程中，本课题组积极总结研究成果，在内燃机研究领域共发表各类期刊论文17篇，其中包括SCI 二区及以上期刊检索3篇， EI期刊检索7篇，国家级学术会议论文2篇，获得国家发明专利授权2项，分别在“中国内燃机学会学术年会”和“中囯汽车工程学会年会”做大会报告2次。在本项目的运行期间，借助项目研究经费的支持，课题组培养了一批战斗在内燃机研发一线的科技工作者，包括就业于各个世界500强以及全国知名内燃机相关企业的8名硕士毕业生，以及仍在持续推进本研究的1名在读博士，9名在读硕士。课题组所开发的完全自主知识产权的可视化气道稳流实验台，已在云内动力股份有限公司技术中心进行试用，并根据反馈意见进行持续改进，未来计划针对发动机开发企业、汽车整车厂进行重点推广。在项目研究期间，本课题组与云内动力技术中心相互协同，充分交流，本研究所取得的数据和模型，将对云内开发国六b，以及非道路国四产品，起到重要的参考作用。