多段燃油喷射耦合EGR的柴油机燃烧过程数值模拟

摘要

多段燃油喷射耦合EGR的策略是实现新型低温燃烧方式的有效途径之一，能够实现NOx和soot的同时降低。本文应用AVL FIRE三维CFD仿真软件，依据目标样机燃烧室的实际几何尺寸及原机燃油喷射系统的参数，对柴油机燃烧过程进行了数值模拟，并与试验数据相校验，验证了模型的准确性。在此基础上，分别仿真模拟了不同喷油参数及EGR率对燃烧和排放的影响。
　　具体研究内容如下:
　　(1)不同喷射正时对发动机燃烧过程的影响。仿真计算结果表明，随喷射正时的推迟，主放热峰值逐渐升高，峰值出现时刻逐渐远离上止点;燃烧放热受偏离上止点的影响，热损失增加，热效率降低，缸内压力与平均温度逐渐降低，温度峰值和压力峰值出现的时刻也随喷射正时的推迟而滞后。
　　(2)不同喷射正时对发动机排放性能的影响。仿真计算结果表明，喷射正时推迟，缸内温度降低，NO的缸内生成氛围得到有效控制，NO的质量分数逐渐降低;soot排放则呈现先升高后降低的变化趋势。通过NO与soot在不同喷射正时方案下的变化特性可观察出，优化喷射正时能够实现柴油机低排放控制。
　　(3)预喷比例对发动机燃烧及排放的影响。仿真计算结果表明，预喷比例增加，缸内压力和温度升高，由预喷燃油燃烧导致的初始放热峰值升高，主放热峰值降低且峰值出现更早，这有利于提高热功转化效率;由于缸内较高的温度，NO生成相位不断提前，末端排放也随之逐渐升高;尽管较大预喷比例条件下的soot生成时刻更早，生成量更多，但在缸内高温的氧化作用下，末端排放逐渐降低。由此说明预喷比例通过改变缸内燃烧氛围，对燃烧进程及有害污染物的形成产生了重大的影响。
　　(4)不同EGR率对发动机燃烧及排放的影响。仿真计算结果表明，随EGR率增大，缸内温度降低，滞燃期延长，主喷正时所处缸内时刻的温度随EGR率的增加而升高，主燃烧扩散燃烧比例加大，缸内压力降低。随EGR率增加，NO质量分数呈逐渐降低的趋势，但降幅逐渐减小;而soot排放亦随之增加，直接印证了两者之间的trade-off关系。可见引入气缸的EGR氛围极大地影响了缸内混合与燃烧的各个阶段，而通过精确控制EGR率能够实现对燃烧与排放的优化调控。
　　本文以燃油喷射策略及EGR率调整为研究方案，从燃烧室内的燃空当量比分布、缸内适时温度以及有害排放物的缸内瞬态历程等方面，对柴油机的燃烧过程及排放特性进行了细致的分析。本文的研究对优化多段喷射耦合EGR喷射策略，实现柴油机高效清洁燃烧具有重要的理论和现实意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．1．1 能源现状

1．1．2 环境污染

1．1．3 排放法规

1．2 柴油机燃烧技术的国内外发展现状

1．2．1 柴油机燃烧新技术的提出

1．2．2 柴油机多段喷射耦合EGR燃烧策略的研究进展

1．3 数值仿真技术的发展

1．3．1 仿真计算方法的研究进展

1．3．2 燃烧模型的研究进展

1．4 拟解决的关键科学问题及本研究主要内容

第2章 柴油机三维CFD模拟基础

2．1 基本控制方程组

2．2 缸内湍流模型

2．3 喷雾模型

2．4 湍流燃烧模型

2．5 排放模型

2．5．1 NO生成子模型

2．5．2 碳烟生成子模型

第3章 燃油喷射参数对燃烧及排放的影响

3．1 样机描述

3．2 仿真建模及模型验证

3．2．1 建模过程

3．2．2 计算初始和边界条件

3．2．3 模型验证

3．3 喷油正时对燃烧过程及排放性能的影响

3．3．1 喷油正时对燃烧过程的影响

3．3．2 喷油正时对排放性能的影响

3．4 预喷比例对燃烧过程及排放性能的影响

3．4．1 预喷比例对燃烧过程的影响

3．4．2 预喷比例对排放性能的影响

3．5 本章小结

第4章 不同EGR率对柴油机燃烧和排放的影响

4．1 EGR率对燃烧过程的影响

4．1．1 EGR率对滞燃期的影响

4．1．2 EGR率对缸内压力与温度的影响

4．2 EGR率对排放的影响

4．2．1 EGR率对NO排放的影响

4．2．2 EGR率对soot排放的影响

4．3 本章小结

第5章 全文总结及未来工作展望

5．1 全文总结

5．2 未来工作展望

参考文献

致谢

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