重型柴油机燃油破碎模型匹配及喷射参数研究

摘要

柴油发动机自问世以来就以其热效率高、一氧化碳排放量低、耐久性与可靠性好而成为动力机械最重要的装置之一。近年来，随着世界各国排放法规的日益严格，各行业对动力机械的动力性与经济性提出了更高的要求，柴油机技术的发展也呈现出了突飞猛进的趋势。然而，使用实验方法对柴油发动机进行技术研究，虽然有很高的可靠性和实用性，但该方法会大幅增加科学研究的时间成本和经济成本。随着CFD(Computational Fluid Dynamics)计算流体力学技术的日益成熟，使用专业计算程序或软件对发动机的运行过程进行模拟仿真为发动机的科学研究开辟了一条全新的道路。
　　本文针对Caterpillar3400系列重型柴油机进行研究，这一系列机型是Caterpillar公司研发的经典重型柴油机系列，多年来积累下了一整套可靠有效的实验数据，为之后的研究者留下了宝贵的经验。本文首先利用Pro/E三维制图软件绘制发动机燃烧室的几何模型，然后利用ANSYS专业有限元分析软件中的ICEM模块对三维几何模型进行网格划分，并生成相应格式的网格文件;然后将网格文件、初始参数和边界条件的文件，以及详细的化学反应机理文件一并导入KIVA-3V内燃机模拟计算程序进行三维模拟仿真计算，并将其计算结果使用TECPLOT专业数据后处理软件进行数据的处理和分析。
　　在燃油破碎模型的匹配验证方面，本文针对四种不同的燃油喷孔参数进行，分别为喷孔数量为8，喷孔直径为225微米、喷孔数量为8，喷孔直径为260微米、喷孔数量为6，喷孔直径为260微米以及喷孔数量为6，喷孔直径为300微米。针对四种喷孔参数使用目前广泛应用的Kelvin-Helmholtz and Rayleigh Taylor(KH-RT)破碎模型进行匹配验证，得到了较好的匹配结果，说明了发动机三维模拟计算的可靠性。
　　验证了破碎模型之后，详细讨论了该破碎模型中的经验参数、初始条件、边界条件、燃油喷雾锥角等不确定参数对于不同的燃油喷射时刻所产生影响的敏感性，探究在不确定性参数变化范围相同的情况下，对于不同的燃油喷射时刻，发动机的缸内压力变化、燃油消耗率变化、氮氧化物排放情况的变化以及碳烟排放情况的变化幅度，总结出不同喷油时刻对应不确定参数的影响程度。针对一台重型柴油机，分析不同的燃油喷射策略配合EGR技术对发动机缸内压力、滞燃期、燃油消耗率、排放情况等方面的影响，其中分别探讨了燃油喷射时刻、双次喷射策略的预喷射燃油量的大小、预喷射与主喷射的时间间隔、EGR率等方案对发动机燃烧过程以及排放情况的影响，为重型柴油机模拟仿真提供参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 燃油喷雾破碎模型的研究现状以及计算网格的影响现状

1．1．1 燃油喷雾破碎模型的国内外研究现状

1．1．2 计算网格的影响现状

1．2 初始条件和边界条件不确定性参数的影响现状

1．2．1 初始条件和边界条件不确定性参数影响的国外研究现状

1，2．2 初始条件和边界条件不确定性参数影响的国内研究现状

1．3 大功率柴油机燃油喷射参数优化的研究现状

1．3．1 大功率柴油机燃油喷射参数优化的国外研究现状

1．3．2 大功率柴油机燃油喷射参数优化的国内研究现状

2 仿真模型建立与数值模拟方法

2．1 Caterpillar 3400系列柴油机结构和技术参数

2．2 仿真模型的建立

2．2．1 物理模型

2．2．2 网格划分

2．3 数值模拟方法

2．3．1 KIVA简介

2．3．2 数值模拟参数输入

2．3．3 KIVA计算程序控制方程

3 燃油破碎模型的匹配验证

3．1 8×225μm直径喷孔的模拟验证

3．1．1 喷油时刻为上止点前的模拟验证

3，1．2 喷油时刻为上止点后的模拟验证

3．1．3 燃油经济性与排放情况的模拟验证

3．2 8×260μm直径喷孔的模拟验证

3．2．1 喷油时刻为上止点前的模拟验证

3．2．2 喷油时刻为上止点后的模拟验证

3．2．3 燃油经济性与排放情况的模拟验证

3．3 6×260μm直径喷孔的模拟验证

3．3．1 喷油时刻为上止点前的模拟验证

3．3．2 喷油时刻为上止点后的模拟验证

3．3．3 燃油经济性与排放情况的模拟验证

3．4 6×300μm直径喷孔的模拟验证

3．4．1 喷油时刻为上止点前的模拟验证

3．4．2 喷油时刻为上止点后的模拟验证

3．4．3 燃油经济性与排放情况的模拟验证

4 柴油机不确定性参数对燃烧过程影响的敏感性研究

4．1 KH-RT破碎模型经验参数对柴油机燃烧过程影响的敏感性

4．2 初始条件对柴油机燃烧过程影响的敏感性

4．3 边界条件对柴油机燃烧过程影响的敏感性

4．4 喷雾锥角对柴油机燃烧过程影响的敏感性

5 喷油策略及EGR对柴油机燃烧和排放情况的影响

5．1 燃油喷射时刻对缸内燃烧和排放情况的影响

5．2 双次喷射策略对柴油机燃烧和排放情况的影响

5．2．1 预喷射与主喷射间隔对燃烧和排放情况的影响

5．2．2 预喷射量对燃烧和排放情况的影响

5．3 双次喷射与EGR技术相结合对柴油机燃烧和排放情况的影响

结论

全文工作总结

研究工作展望

参考文献

致谢