喷油策略对柴油机性能影响的试验和计算研究

摘要

近年来，随着柴油机喷油技术的不断发展，柴油机的性能得到了不断提高，使得柴油机具备了更高的效率和更低的排放。但是随着排放法规的日益严格，工程研究中对喷油策略的要求也越来越高。为了探究不同喷油策略对发动机性能的影响，本文采用试验和仿真相结合的研究方法，深入研究了柴油机喷油策略对其性能的影响。 首先，本文通过发动机台架试验，分析了柴油机在使用矩形喷油率形状时，不同边界条件对发动机性能的影响。发现在两次喷射条件下，当主喷时刻位于上止点之后时，排放物的生成量都能维持在一个较低的水平，并且此时发动机输出扭矩不受影响。固定每循环的喷油质量，发现合适的预喷比例可以使生成的HC、CO和碳烟的质量同时减少，并且氮氧化物的生成量增加不多。每循环的吸气量越多，生成的氮氧化物就会增多，生成的未燃的HC和CO的量，先是逐渐增加，但是随后又会减小。而燃油喷射压力主要是影响喷射速率，喷射速率进而响了CO和氮氧化物的生成，并且使得碳烟的生成量稍有减小。 然后，建立和标定了基于 KIVA-3V程序的三维计算模型，并与试验数据进行了比对。通过模拟，研究了预喷正时和燃油喷射角度对发动机燃烧和排放特性的影响。模拟结果表明，当预喷正时在上止点前5度到7度之间时，可以使CO、NOx和HC的生成量都维持在一个较低的水平，并且不影响指示燃油消耗率。并且，最终生成的HC和CO主要分布在燃烧室凹坑附近，主要原因是部分燃油打在了燃烧室壁面，由于壁面附近的温度相对于燃烧室凹坑中部的温度偏低，进而影响了燃油的雾化和蒸发过程。 最后，基于数值计算重点分析了矩形、三角形、阶梯形、递增形、递减形等五种不同喷油率形状对柴油机燃烧和排放特性的影响，并探究了喷油间隔和喷油速率对五种不同的喷油形状的影响。研究发现通过采用所设计的喷油率形状，可以控制燃烧相位和燃烧过程，进而影响柴油机的性能和排放物的生成。当预喷和主喷都采用矩形喷油率形状的时候，在不同的喷油间隔和喷射速率下，最终生成的氮氧化物的含量总是最低的；而采用阶梯形喷油规律的时候，HC和CO的生成量是最少的，指示燃油消耗率最小，但是氮氧化物的生成量会增多；采用递增形喷油规律时，燃烧效率则是最高的。

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