基于KH-ACT雾化模型的柴油机喷嘴结构与EGR率对燃烧排放特性的影响研究

摘要

能源与环境问题已成为当今世界各国共同面临的两大主题，越来越多的研究者致力于对低能耗、低排放柴油机的开发。数值模拟以其自身众多优势而成为一种有效的研究手段，而不断提高数值模拟的准确性与可靠性则成为关键。本文针对YN4100QBZL型柴油机，采用CFD数值模拟的方法，在结合试验数据对发动机CFD模型中最薄弱的环节-雾化模型研究基础上，在近些年最新出现的CONVERGE软件中，耦合进排气过程开展缸内喷雾、燃烧和排放的数值模拟分析，探究不同喷嘴直径和EGR率对燃烧排放的影响，以寻求能同时降低NOx和碳烟Soot排放的最佳匹配策略。全文工作总结如下:
　　(1)分析了柴油机工作过程、雾化模型及排放控制技术的研究现状。
　　(2)论述了发动机三维CFD计算模型的控制模型方程，包括气相控制方程、液相控制方程、湍流模型、雾化模型、燃烧模型和排放模型。并重点分析了KH-ACT雾化模型。
　　(3)在高压共轨试验台上，基于高速摄影技术，对八孔喷嘴的喷雾宏观特性进行测试，对喷孔进行标记后，得到了喷雾贯穿距曲线。针对试验所用八孔喷嘴采用同轴辐射X射线相衬成像技术测量得到了喷孔内部详实的几何结构和尺寸。并基于该喷嘴结构尺寸开展喷嘴内空穴湍流的数值模拟。将喷嘴出口表面上的湍动能和湍流耗散率等参数作为边界条件分别耦合到FIRE的喷雾模型和CONVERGE的喷雾模型中，开展喷雾数值模拟，结合实验对比分析了TAB、KH、WAVE耦合Blob及KH-ACT等不同的雾化模型，在喷雾模型中的可靠性和准确性方面，得出KH-ACT雾化模型模拟结果更为可靠的结论。
　　(4)以YN4100QBZL柴油机为原型，基于KH-ACT雾化模型首次耦合进气道建立了完整的缸内喷雾、燃烧和排放计算模型，研究了不同EGR率和喷嘴孔径对NOx和Soot排放的影响。研究得出，随着EGR率的增大，缸内NOx含量明显降低。EGR率对Soot的影响较为复杂，当EGR后缸内平均温度大于1500K，EGR率和Soot生成量成正比;当EGR后缸内平均温度小于1500K，EGR率和Soot生成量成反比。
　　(5)通过不同喷嘴孔径和EGR率对燃烧排放的影响分析得出，当EGR后缸内平均温度大于1500K时，应选择小孔径喷嘴及适中偏小的EGR率。如果柴油机主降NOx排放，可适当选择大的EGR率，如果主降Soot排放，则选择小的EGR率。当EGR后缸内平均温度小于1500K时，应选择小孔径喷嘴与较大的EGR率。

目录

声明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 柴油机喷雾燃烧数值模拟研究现状

1．3 柴油机雾化模型的研究现状

1．4 柴油机排放控制技术

1．5 EGR技术及工作原理

1．6 本文研究的主要内容

第二章 柴油机工作过程数值模拟的物理-数学模型

2．1 Converge软件介绍

2．2 柴油机工作过程的基本控制方程

2．3 湍流模型

2．4 雾化模型

2．5 蒸发模型

2．5 燃烧模型

2．6 排放模型

2．7 本章小结

第三章 KH-ACT雾化模型试验验证与分析

3．1 基于X射线相衬成像技术对喷嘴内部结构的测试

3．2 基于高速摄影技术的高压共轨喷射喷雾试验

3．3 耦合喷嘴内流的喷雾三维数值模拟及试验验证

3．4 本章小结

第四章 不同EGR率对柴油机燃烧排放的影响

4．1 数值计算模型的建立及试验验证

4．2 EGR计算设置

4．3 EGR率对柴油机燃烧性能的影响

4．4 EGR率对柴油机排放性能的影响分析

4．5 本章小结

第五章 柴油机喷嘴孔直径与EGR率的匹配研究

5．1 喷嘴孔直径对柴油机缸内燃烧排放的影响

5．2 喷嘴孔直径与EGR率匹配优化

5．3 文章小结

第六章 全文总结与工作展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

附录