多物理场研究柴油发动机活塞顶部几何形状，以提高性能并降低排放

《Results in Engineering》：Multi-Physics Investigation of Diesel Engine Piston Crown Geometry for Enhanced Performance and Emission Reduction

研究通过多物理场仿真框架，整合有限元热力学-结构耦合分析和Diesel-RK燃烧模型，对比了12缸V型柴油发动机中平标准、半球面及多球面活塞 crown 几何对性能与排放的影响。结果表明，多球面 crown 使功率和扭矩分别提升2.96%和2.96%，燃油效率提高3.49%，颗粒物排放降低38.9%，但NOx排放增加69.5%。通过优化热传导边界条件（HTC 500-600 W/m2·K），验证了该框架在预测热应力分布、变形模式及燃烧特性方面的可靠性，为高效率低排放柴油发动机设计提供理论依据。

　　在现代内燃机技术的不断进步中，优化活塞设计成为提升发动机性能和降低排放的关键课题。活塞作为发动机的核心部件之一，不仅承担着压缩空气-燃料混合物和密封燃烧室的重要职责，还负责将热量有效散发，以维持发动机的正常运行。活塞顶部的几何形状对发动机的热应力、燃烧过程和排放特性具有显著影响。因此，本研究采用了一种综合的多物理场分析方法，评估了三种活塞顶部几何结构（平面标准、半球形和多球形）在12缸V型直喷柴油发动机中的热、结构和燃烧行为表现。通过结合一个在MATLAB中开发的有限元方法（FEM）求解器，并验证其与ANSYS结果的一致性，同时使用Diesel-RK模型进行燃烧和排放模拟，本研究旨在识别出在实际运行条件下表现最佳的活塞顶部几何结构。

研究结果表明，多球形活塞顶部结构在整体性能上具有显著优势，相较于平面标准结构，它带来了2.96%的功率和扭矩提升，同时将单位燃油消耗降低了3.49%，并使颗粒物（PM）排放减少了38.9%。尽管由于燃烧室内温度升高，导致氮氧化物（NO?）排放增加，但总体排放指数仍提升了38.87%，这表明在环境友好性方面也具有优势。这一发现不仅确认了多球形结构在提升发动机性能和降低排放方面的潜力，还为开发耐用、高效且低排放的柴油发动机提供了新的思路。

在研究背景中，活塞顶部几何形状被广泛认为是影响燃烧过程和排放的关键因素。以往的研究主要集中在材料选择、燃烧室深度和形状对热应力和热负荷的影响，以及新型结构如环形、凹凸型和双唇燃烧室在提升涡流和热效率方面的潜力。然而，大多数研究并未将这些因素整合到一个统一的框架中，因此难以全面评估几何形状对活塞顶部性能的综合影响。本研究的创新之处在于构建了一个集成的多物理场模拟框架，结合了FEM的热-结构分析和Diesel-RK的燃烧模拟，从而能够在实际运行条件下全面评估活塞顶部几何形状对燃烧、热传递和应力分布的影响。

为了确保研究的可靠性，研究方法进行了多阶段的验证。首先，将模拟结果与实验数据进行了对比，发现两者在功率、扭矩和有效平均压力（BMEP）方面的偏差在7.5%以内，符合预期的验证范围。其次，通过将Diesel-RK模型的计算结果与已发表的温度分布数据进行比对，确认了模型在预测燃烧过程和热传递方面的准确性。此外，研究团队还通过与高保真三维计算流体力学（CFD）分析的对比，进一步验证了FEM求解器的可靠性。这些验证步骤不仅证明了模型的准确性，也为后续的优化分析奠定了坚实的基础。

在具体分析中，研究团队考虑了多种边界条件，包括热传导系数（HTC）和机械载荷，以评估不同几何结构在实际运行条件下的表现。热传导系数对活塞顶部温度分布和热疲劳风险具有重要影响。当HTC从450增加到500 W/m2·K时，平均活塞顶部温度上升了2.44%，但最大温度下降了1.68%。进一步提高HTC至600 W/m2·K，平均温度上升了8.10%，而最大温度下降了4.53%。尽管几何形状对温度分布有一定的影响，但HTC的变化更为显著，表明热管理策略在优化活塞设计中的重要性。多球形结构由于其更大的表面积，表现出更强的散热能力和应力分布特性，而半球形结构则因其相对简单的制造工艺，在成本效益方面具有一定优势。

在机械分析方面，研究团队对半球形和多球形结构进行了变形和应力分析。两种结构在X轴和Y轴方向均表现出一定的弹性变形，但多球形结构在X轴方向的变形量更大，这表明其在动态载荷下的适应性更强。然而，这种变形也意味着更高的局部应力集中，增加了疲劳和磨损的风险。相比之下，半球形结构的变形更均匀，有助于提升结构的稳定性和耐久性。研究团队还指出，材料特性在机械性能中扮演着关键角色，高强度和低热膨胀的材料可以有效提高活塞的耐久性，同时减少热应力的影响。

燃烧性能和排放特性是本研究的重点分析内容之一。通过对三种活塞顶部结构的比较，研究发现多球形结构在提升燃烧效率方面表现最佳。它不仅提高了功率和扭矩输出，还显著降低了单位燃油消耗和颗粒物排放。这种提升主要归因于多球形结构能够促进更强的涡流和湍流，从而改善空气-燃料混合效果和燃烧速率。然而，由于燃烧室内温度和压力的升高，NO?排放也随之增加。尽管如此，通过综合考虑PM和NO?的排放，研究团队发现多球形结构的总体排放指数下降了38.87%，表明其在环境性能方面具有明显优势。

在燃油雾化和喷雾动态分析中，研究团队进一步探讨了不同几何结构对喷雾分布和燃烧过程的影响。喷雾均匀性、混合效果和热释放行为是影响燃烧效率和排放特性的关键因素。研究发现，平面标准结构的喷雾分布较为均匀，有助于实现稳定的燃烧过程。而半球形结构虽然在燃烧效率方面有所提升，但可能导致喷雾在燃烧室中心的集中，从而形成局部高温区域。相比之下，多球形结构能够生成多个喷雾轨迹，增强了涡流和湍流，促进了更快速的雾化和混合，从而提高了燃烧效率。然而，这种喷雾分布也带来了更高的热负荷和NO?排放，需要在材料选择和冷却策略上进行优化，以确保活塞的长期可靠性。

此外，研究还探讨了不同几何结构对喷雾穿透长度和局部当量比的影响。这些参数对燃烧过程中的热释放和燃料利用效率具有重要作用。通过模拟不同几何结构下的喷雾发展过程，研究团队发现多球形结构在提升燃烧效率方面具有显著优势，同时也能有效减少颗粒物排放。然而，其带来的NO?排放增加需要通过先进的冷却系统和材料技术进行平衡。

综上所述，本研究通过构建一个集成的多物理场分析框架，对活塞顶部几何形状进行了全面评估。研究结果表明，多球形结构在提升发动机性能和降低排放方面具有明显优势，同时其在热管理和机械强度方面的表现也得到了充分验证。尽管在NO?排放方面存在一定的权衡，但总体排放指数的降低表明其在环境友好性方面同样具有竞争力。这一研究成果不仅为柴油发动机的优化设计提供了理论支持，也为未来的高效率、低排放发动机开发指明了方向。