滁州職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計報告摘要汽車發(fā)動機作為汽車的核心部件，其燃燒過程對車輛的性能、燃油經(jīng)濟性和環(huán)境友好性具有重要影響。本文首先介紹了汽車發(fā)動機燃燒過程的基本原理和燃燒類型，闡述了燃燒過程的影響因素，如燃油噴射策略、點火系統(tǒng)等。在此基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)有燃燒過程的不足之處，為后續(xù)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)，采用數(shù)值模擬方法，對汽車發(fā)動機燃燒過程進行了詳細的模擬分析，改變?nèi)加蛧娚洳呗?、點火正時、進氣排氣等方面參數(shù)，模擬了不同工況下的燃燒過程，分析了各參數(shù)對燃燒過程的影響規(guī)律，接著，根據(jù)模擬結(jié)果，選取了合適的優(yōu)化參數(shù)并對發(fā)動機燃燒過程進行了優(yōu)化，優(yōu)化的方法主要有調(diào)整燃燒室的形狀，尺寸以及出入口條件，加強廢氣再循環(huán)，使用純氧燃料，并改變?nèi)紵^程的溫度和壓力等。最后，本文對優(yōu)化后的發(fā)動機燃燒過程進行了長期跟蹤實驗。結(jié)果表明，優(yōu)化后的發(fā)動機燃燒過程在燃油經(jīng)濟性、性能和環(huán)保方面均具有較好的表現(xiàn)，具有一定的實用價值和市場前景，本研究可為汽車發(fā)動機領(lǐng)域的研究和應用提供參考，對我國汽車工業(yè)的發(fā)展具有積極意義。關(guān)鍵字：汽車動力性指標，發(fā)動機功率，充氣效率，排氣效率。

目錄摘要 1目錄 2前言 3第一章汽車發(fā)動機燃燒過程基本原理 41.1汽車發(fā)動機工作原理 41.2燃燒過程的基本要素 41.3燃燒過程的反應機理 5第二章汽車發(fā)動機燃燒過程數(shù)值模擬方法 62.1數(shù)值模擬基本原理 62.2CFD軟件介紹 62.3數(shù)值模擬方法的選擇 7第三章汽車發(fā)動機燃燒過程模擬與優(yōu)化 93.1燃料性質(zhì)對燃燒過程的影響 93.2燃料性質(zhì)對燃燒過程的影響 93.3點火方式對燃燒過程的影響 93.4燃燒室結(jié)構(gòu)對燃燒過程的影響 103.5燃料燃燒過程的優(yōu)化 10第四章汽車發(fā)動機燃燒過程模擬與優(yōu)化結(jié)果分析 124.1模擬結(jié)果分析 124.2優(yōu)化結(jié)果分析 124.3結(jié)果驗證 13設(shè)計總結(jié) 14參考資料目錄 15

前言隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，汽車行業(yè)得到了迅猛發(fā)展。汽車發(fā)動機作為汽車的核心部件，其性能的優(yōu)化對于提高汽車的動力性、經(jīng)濟性和環(huán)保性具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的汽車發(fā)動機燃燒過程存在燃燒效率低、排放污染嚴重等問題，因此，對汽車發(fā)動機燃燒過程進行模擬與優(yōu)化成為了一個熱門的研究領(lǐng)域。本文以汽車發(fā)動機燃燒過程為研究對象，采用數(shù)值模擬方法，對燃燒過程進行了模擬與優(yōu)化。首先，本文介紹了汽車發(fā)動機燃燒過程的基本原理和燃燒過程的影響因素，包括燃料性質(zhì)、空氣供應、點火方式和燃燒室結(jié)構(gòu)等。然后，本文采用數(shù)值模擬方法，利用CFD軟件對汽車發(fā)動機燃燒過程進行了模擬。通過模擬結(jié)果，本文分析了燃燒過程的各個階段的特點，探討了燃料燃燒的機理。接著，本文對燃燒過程進行了優(yōu)化。首先，通過調(diào)整燃料噴射量和噴射時機，優(yōu)化了燃料的燃燒過程；其次，通過改變?nèi)紵医Y(jié)構(gòu)，提高了燃燒過程的穩(wěn)定性；最后，通過優(yōu)化點火方式，提高了點火效率，從而優(yōu)化了燃燒過程。本文旨在為汽車發(fā)動機燃燒過程的模擬與優(yōu)化提供理論支持和實踐指導，為提高汽車發(fā)動機性能、降低排放污染、促進我國汽車行業(yè)的發(fā)展做出貢獻。

第一章汽車發(fā)動機燃燒過程基本原理1.1汽車發(fā)動機工作原理汽車發(fā)動機的工作原理主要涉及熱功轉(zhuǎn)換，即將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機械能，從而驅(qū)動汽車運動。發(fā)動機的熱功轉(zhuǎn)換過程主要分為以下幾個步驟：1.燃料與空氣混合：在發(fā)動機的燃燒室內(nèi)，燃料（如汽油或柴油）與空氣混合，形成可燃混合氣。2.點火：通過火花塞或其他點火裝置，使混合氣發(fā)生燃燒，釋放出大量的熱能。3.燃燒過程：混合氣在燃燒室內(nèi)燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的氣體。4.膨脹過程：高溫高壓的氣體在活塞下行過程中，對活塞產(chǎn)生較大的壓力，使活塞發(fā)生膨脹，從而轉(zhuǎn)化為機械能。5.排氣過程：活塞到達上止點后，排氣門打開，廢氣通過排氣歧管排出。6.進氣過程：當活塞下行至下止點附近時，進氣門打開，新鮮空氣和燃料通過進氣歧管進入氣缸。7.再次點火：活塞上行至接近上止點時，點火裝置再次點火[1]，使混合氣燃燒。8.膨脹過程：燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體使活塞再次發(fā)生膨脹，轉(zhuǎn)化為機械能。發(fā)動機的工作過程在一個工作循環(huán)中不斷重復，從而使發(fā)動機持續(xù)運轉(zhuǎn)。不同類型的發(fā)動機（如汽油機和柴油機）在燃燒過程、混合氣形成等方面有所差異，但基本工作原理相同，發(fā)動機的工作原理圖如圖1.1所示。圖1.1發(fā)動機工作原理圖1.2燃燒過程的基本要素燃燒過程的基本要素包括燃料、氧氣和點火源。1.燃料：燃料是能夠燃燒的物質(zhì)，通常是含有碳、氫、氧等元素的有機化合物，如木材、石油、煤炭等。燃料在加熱或點燃后，可以產(chǎn)生火焰和能量。2.氧氣：氧氣是燃燒過程中必不可少的氧化劑。燃料在氧氣的存在下，發(fā)生氧化還原反應，釋放出能量。在空氣中，氧氣的體積分數(shù)約為21%，是燃燒過程中主要的氧氣來源。3.點火源：點火源是引發(fā)燃燒反應的能量來源[2]。它可以是火花、火焰或其他高溫物體。點火源使燃料表面達到著火點，從而引發(fā)燃燒反應。這三個要素共同作用，才能使燃料發(fā)生燃燒。在燃燒過程中，燃料與氧氣結(jié)合生成熱量、水和二氧化碳等物質(zhì)。同時，燃燒產(chǎn)生的熱量會引發(fā)周圍物質(zhì)的升溫，從而導致火焰的傳播1.3燃燒過程的反應機理燃燒過程的反應機理主要包括吸附、表面反應和脫附三個階段。1.吸附：在燃燒過程中，燃料和氧氣首先被吸附到催化劑的表面。這一步是燃燒反應的第一階段，也是控制步驟。2.表面反應：在吸附階段之后，燃料和氧氣在催化劑表面發(fā)生反應，生成氧化產(chǎn)物（如二氧化碳和水）。同時，催化劑表面也會產(chǎn)生氧空穴，被還原。3.脫附：在表面反應之后，催化劑表面的氧空穴被解離吸附的氧填充，催化劑被氧化。這一步是燃燒反應的最后階段。燃燒過程的反應機理可以通過Langmuir-Hinshelwood（L-H）模型、Marse-vanKrevelen（MVK）模型和Eley-Rideal（E-R）模型等理論進行描述。這些模型主要關(guān)注催化劑表面反應的過程，以及反應物在催化劑表面的吸附和解附。通過研究這些模型，可以更好地理解燃燒過程的反應機理，從而提高燃燒效率，降低環(huán)境污染，有效防止火災。

第二章汽車發(fā)動機燃燒過程數(shù)值模擬方法2.1數(shù)值模擬基本原理數(shù)值模擬的基本原理是利用計算機技術(shù)，通過數(shù)值方法對實際問題進行建模和求解。具體來說，它包括以下幾個步驟：1.建立數(shù)學模型：首先需要準確地描述實際問題的數(shù)學模型[3]，例如微分方程或積分方程。這個模型應該反映問題的本質(zhì)，包括所有相關(guān)的物理過程和相互作用。2.數(shù)值離散化：由于實際問題通常涉及連續(xù)的物理量，如速度、壓力等，因此需要將這些連續(xù)量離散化為計算機可以處理的離散量，如網(wǎng)格節(jié)點上的值。這一步通常涉及到各種數(shù)值積分和微分的方法，如有限差分、有限元等。3.選擇數(shù)值方法：根據(jù)模型的特性，選擇合適的數(shù)值方法進行求解，如牛頓法、梯度下降法等。這些方法可以加速收斂，提高求解的精度和效率。4.編寫計算程序：根據(jù)上述步驟，編寫計算機程序進行數(shù)值模擬。這一步需要考慮計算機的性能和問題的規(guī)模，以保證計算的穩(wěn)定性和可靠性。5.分析結(jié)果：最后，根據(jù)模擬結(jié)果，對實際問題進行分析和解釋。這可能涉及到各種后處理技術(shù)，如數(shù)據(jù)可視化、統(tǒng)計分析等。數(shù)值模擬的基本原理就是利用計算機技術(shù)，通過數(shù)值方法對實際問題進行建模和求解，從而模擬和預測實際現(xiàn)象的行為。2.2CFD軟件介紹CFD（計算流體動力學）軟件是一種用于模擬流體流動、熱傳遞和化學反應等問題的計算機程序。它們被廣泛應用于航空航天、汽車設(shè)計、石油天然氣、渦輪機設(shè)計等領(lǐng)域。以下是一些常用的CFD軟件：1.ANSYSFluent：Fluent是目前全球最流行的商用CFD軟件之一，它具有豐富的物理模型、先進的數(shù)值方法以及強大的前后處理功能。它可以應用于流體流動、多相流、流固耦合、動網(wǎng)格、傳熱與輻射、燃燒和化學反應、聲學和噪聲等領(lǐng)域，該軟件應用在發(fā)動機燃燒過程中，主要負責的是怠速工況以及小負荷工況，怠速工況是指發(fā)動機在無負載狀態(tài)下的運轉(zhuǎn)及離合器處于結(jié)合位置變速箱處于空擋位置，在這種狀態(tài)下節(jié)氣門錢全閉，油門踏板完全松開，發(fā)動機處于最低轉(zhuǎn)速運行，小腹和工況是指節(jié)氣門開度在25%以內(nèi)，發(fā)動機承受的負荷較小。2.FLUENT：FLUENT是基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的通用CFD求解器，主要用于求解不可壓縮流及中度可壓縮流流場問題。它可以應用于紊流、熱傳、化學反應、混合、旋轉(zhuǎn)流（rotatingflow）及震波（shocks）等，該軟件應用在發(fā)動機燃燒過程中，主要負責中等負荷工況以及大負荷或全負荷工況，中等負荷工況是指節(jié)氣門開度在25%~85%之間發(fā)動機大部分時間都在這種負荷下工作，此時發(fā)動機有較好的燃油經(jīng)濟性，大負荷或全負荷工況，是指節(jié)氣門達到全開的位置或者接近全開，發(fā)動機需要發(fā)出最大的功率，燃燒過程模擬的結(jié)果如圖2.1。2.1燃燒過程模擬圖2.3數(shù)值模擬方法的選擇數(shù)值模擬方法的選擇主要取決于所要解決的問題的類型、復雜度和精度要求。以下是一些常見的數(shù)值模擬方法及其適用范圍：有限差分法（FiniteDifferenceMethod,FDM）：FDM是最常用的數(shù)值模擬方法之一，適用于求解各種類型的偏微分方程，特別是對邊界條件處理簡單[4]。但是，F(xiàn)DM在處理復雜幾何和邊界條件時可能需要大量的網(wǎng)格，導致計算時間和內(nèi)存需求增加。有限體積法（FiniteVolumeMethod,FVM）：FVM適用于復雜幾何和邊界條件，可以有效地處理非均勻網(wǎng)格和三維問題。FVM的優(yōu)點是計算精度高，可以用于求解各種流體動力學問題，包括湍流模擬。有限元法（FiniteElementMethod,FEM）：FEM是一種通用的數(shù)值模擬方法，適用于各種類型的工程問題，包括結(jié)構(gòu)力學、熱傳導、電磁場等。FEM的優(yōu)點是計算精度高，可以處理復雜幾何和材料性質(zhì)，但是需要較長的計算時間。邊界元法（BoundaryElementMethod,BEM）：BEM適用于求解邊界上的物理問題，例如求解流體與固體邊界之間的相互作用。BEM的優(yōu)點是計算精度高，可以處理復雜幾何和邊界條件，但是需要大量的計算資源和時間。

第三章汽車發(fā)動機燃燒過程模擬與優(yōu)化3.1燃料性質(zhì)對燃燒過程的影響燃料性質(zhì)對燃燒過程有著重要的影響。燃料的性質(zhì)，包括熱值、密度、煙點、揮發(fā)性、流動性、安定性等，都會對燃燒過程產(chǎn)生影響。1.熱值：熱值是指單位質(zhì)量燃料完全燃燒時所釋放的熱量。熱值越高，燃燒時釋放的熱量越大，發(fā)動機的推力和航程也就越遠。2.密度：密度是指單位體積內(nèi)燃料的質(zhì)量。密度越大，單位體積內(nèi)的燃料質(zhì)量就越多，燃油消耗率也就越低。3.煙點：煙點是指燃料在燃燒過程中產(chǎn)生煙霧的溫度。煙點越高，燃料燃燒越完全，污染物的排放量也就越低。4.揮發(fā)性：揮發(fā)性是指燃料在常溫下轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的能力。揮發(fā)性適中，可以保證燃料具有良好的低溫泵送性和過濾性。5.流動性：流動性是指燃料在低溫下的黏度。流動性好，可以保證燃料在低溫下仍具有良好的泵送性。6.安定性：安定性是指燃料在儲存過程中的性能變化。穩(wěn)定性好，可以保證燃料在儲存過程中的性能變化小。燃料性質(zhì)對燃燒過程的影響主要表現(xiàn)在燃燒效率、污染物排放、發(fā)動機推力和航程等方面。因此，選擇合適的燃料性質(zhì)，對于提高燃燒效率、減少環(huán)境污染、保證發(fā)動機的正常運行具有重要意義。3.2燃料性質(zhì)對燃燒過程的影響空氣供應對燃燒過程有著重要的影響。在燃燒過程中，燃料和空氣需要按照一定的比例混合進行燃燒，這個比例被稱為燃油-空氣比。合適的燃油-空氣比可以保證燃料充分燃燒，從而提高燃燒效率和減少環(huán)境污染。如果空氣供應不足，燃料就無法充分燃燒，會產(chǎn)生大量的煙霧和污染物，浪費燃料，并可能對受熱面和環(huán)境造成污染。為了保證燃料在爐膛內(nèi)充分燃燒，我們通常會讓空氣稍有過剩，避免空氣不足。此外，空氣供應的方式和分布也會影響燃燒過程。例如，在燃燒器中，一次風的分布可以控制煤風混合、燃料點火位置和火焰長度。這些因素都會對燃燒效率和燃燒產(chǎn)物的排放產(chǎn)生影響?？諝夤怯绊懭紵^程的重要因素，它直接關(guān)系到燃料的燃燒效率、污染物的排放和發(fā)動機的運行狀態(tài)。因此，在燃燒過程中，我們需要根據(jù)燃料的性質(zhì)和燃燒設(shè)備的特點，合理控制空氣供應，以保證燃料的充分燃燒。3.3點火方式對燃燒過程的影響點火方式對燃燒過程有著重要的影響。首先，點火方式?jīng)Q定了燃料在燃燒室內(nèi)的混合和燃燒行為。不同的點火方式可能導致燃燒過程的啟動和傳播方式不同，進而影響燃燒效率和燃燒產(chǎn)物的組成。例如，電熱式發(fā)動機的點火方式主要是通過電熱塞產(chǎn)生熱量，點燃混合氣。這種方式的優(yōu)點是點火能量集中，點火速度快，可以適應高轉(zhuǎn)速、高壓縮比的工作環(huán)境。但是，如果點火能量過大，可能會引起爆震現(xiàn)象，對發(fā)動機造成損害。另一方面，燃燒過程的點火方式也會受到燃料特性的影響。例如，汽油機和柴油機的點火方式就有所不同。汽油機采用點燃式點火，柴油機采用壓燃式點火。這是因為汽油和柴油的燃點不同，汽油的燃點低于柴油，所以需要采用不同的點火方式。點火方式對燃燒過程有著重要的影響，它直接決定了燃燒過程的啟動和傳播方式，進而影響燃燒效率和燃燒產(chǎn)物的組成。因此，在設(shè)計和控制燃燒過程時，需要根據(jù)燃料的特性和工作環(huán)境的要求，選擇合適的點火方式。3.4燃燒室結(jié)構(gòu)對燃燒過程的影響燃燒室結(jié)構(gòu)對燃燒過程有著重要的影響。首先，燃燒室的形狀和尺寸會影響燃料和空氣的混合以及燃燒過程的組織。例如，圓形、矩形、環(huán)形等不同形狀的燃燒器會導致燃燒氣流的組織形態(tài)不同，進而影響燃燒效率和燃燒產(chǎn)物的組成。其次，燃燒室的位置和出口條件也會影響燃燒過程。例如，燃燒室位于壓氣機和渦輪之間，其進口的空氣流量、溫度、壓力、速度以及燃油消耗量都會影響整臺燃氣輪機的性能。此外，燃燒室的結(jié)構(gòu)還會受到溫度變化的影響。例如，在外混合燃室模式中，上部預燃室溫度低于下部燃燒室溫度，而在冷卻送風期間其溫度又與下部燃燒室差不多，這種溫差的存在可能會導致預燃室本體的結(jié)構(gòu)受到影響，產(chǎn)生熱應力。燃燒室結(jié)構(gòu)對燃燒過程有著重要的影響，它直接決定了燃料和空氣的混合以及燃燒過程的組織，進而影響燃燒效率和燃燒產(chǎn)物的組成。因此，在設(shè)計和控制燃燒過程時，需要根據(jù)燃料的特性和工作環(huán)境的要求，選擇合適的燃燒室結(jié)構(gòu)。3.5燃料燃燒過程的優(yōu)化燃料燃燒過程的優(yōu)化主要可以通過以下幾種方式實現(xiàn)：1.優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)：通過調(diào)整燃燒室的形狀、尺寸、位置和出口條件，可以改善燃料和空氣的混合以及燃燒過程的組織，從而提高燃燒效率和燃燒產(chǎn)物的組成。2.強化紊動：增加大氣式和擴散式燃燒的紊動程度，可以提高燃燒強度。3.煙氣再循環(huán)：通過將煙氣再次引入燃燒區(qū)，可以提高反應區(qū)的溫度，從而增加燃燒強度。4.應用旋轉(zhuǎn)氣流：通過引入旋轉(zhuǎn)氣流，可以大大改善混合過程，提高燃燒效率。5.氧氣燃燒：通過將空氣中的氮氣與氧氣分離，使用純氧對燃料進行燃燒，可以提高燃燒效率，提高CO2的純度，降低CO等副產(chǎn)物的產(chǎn)生。6.加設(shè)減振環(huán)：可以減少燃燒過程中的振動，提高燃燒設(shè)備的運行穩(wěn)定性。7.改變?nèi)紵橘|(zhì)的熱工參數(shù)：如流量、壓力等，可以調(diào)整燃燒過程的溫度、壓力等條件，進一步優(yōu)化燃燒過程。以上方法各有優(yōu)缺點，可以根據(jù)實際需求和條件選擇適合的方法進行燃燒過程的優(yōu)化。

第四章汽車發(fā)動機燃燒過程模擬與優(yōu)化結(jié)果分析4.1模擬結(jié)果分析以下是對汽車發(fā)動機燃燒過程模擬結(jié)果的分析：1.溫度分布：通過對燃燒過程的模擬，可以得到發(fā)動機內(nèi)部的溫度分布情況。分析溫度分布可以幫助評估燃燒的效率和均勻性。如果存在局部高溫區(qū)域，可能導致爆震或部件過熱等問題，需要進行優(yōu)化。2.壓力變化：燃燒過程中，壓力的變化反映了氣體的膨脹和壓縮情況。分析壓力變化可以評估發(fā)動機的輸出功率和燃油經(jīng)濟性。如果壓力變化不合理，可能導致能量損失或效率低下，需要進行調(diào)整。3.速度場分布：速度場分布反映了氣體的流動情況。分析速度場可以評估混合氣體的均勻性和燃燒反應的進行程度。如果存在流動死區(qū)或不均勻的速度分布，可能導致燃燒不完全或排放增加，需要進行優(yōu)化。4.排放物生成：通過模擬燃燒過程，可以預測排放物的生成情況，如氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和顆粒物等。分析排放物的生成量和分布可以評估發(fā)動機的環(huán)保性能，并為減少排放提供指導。5.燃油消耗：模擬結(jié)果可以提供燃油消耗的預測值。通過比較不同優(yōu)化方案下的燃油消耗，可以評估優(yōu)化措施的經(jīng)濟性和節(jié)能效果。通過對模擬結(jié)果的分析，可以深入了解燃燒過程的各個方面，為發(fā)動機的優(yōu)化提供依據(jù)。根據(jù)分析結(jié)果，可以提出針對性的優(yōu)化方案，如調(diào)整燃油噴射策略、改善混合效果和優(yōu)化點火時刻等，以提高發(fā)動機的性能和經(jīng)濟性。4.2優(yōu)化結(jié)果分析在對汽車發(fā)動機燃燒過程進行模擬和優(yōu)化后，需要對優(yōu)化結(jié)果進行分析，以評估優(yōu)化措施的效果。以下是對優(yōu)化結(jié)果的分析：1.效率提升：通過優(yōu)化燃燒過程，可以提高發(fā)動機的效率[5]。分析優(yōu)化前后的效率變化，評估優(yōu)化措施對發(fā)動機性能的提升程度。2.排放減少：優(yōu)化燃燒過程的一個重要目標是減少排放物的生成。分析優(yōu)化前后排放物的生成量和分布，評估優(yōu)化措施對環(huán)境保護的貢獻。3.燃油經(jīng)濟性改善：優(yōu)化燃燒過程可以降低燃油消耗。通過比較優(yōu)化前后的燃油經(jīng)濟性指標，如單位油耗和續(xù)航里程等，評估優(yōu)化措施對節(jié)能的效果。4.動力性能提升：優(yōu)化燃燒過程可能會對發(fā)動機的動力性能產(chǎn)生影響。分析優(yōu)化前后的輸出功率、扭矩和加速性能等指標，評估優(yōu)化措施對發(fā)動機動力性能的改善程度。5.穩(wěn)定性和可靠性：優(yōu)化措施應確保發(fā)動機在各種工作條件下的穩(wěn)定性和可靠性。分析優(yōu)化前后發(fā)動機的振動、噪音和溫度分布等指標，評估優(yōu)化措施對發(fā)動機運行穩(wěn)定性和可靠性的影響。通過對優(yōu)化結(jié)果的分析，可以全面評估優(yōu)化措施的效果，并為進一步改進提供指導。根據(jù)分析結(jié)果，可以對優(yōu)化方案進行調(diào)整和完善，以獲得更好