废气再循环增压中冷柴油机氮氧化物排放的仿真研究

摘要

在能源危机和环境保护的压力下，人们对柴油机的性能和排放的要求也越来越高，而柴油机燃烧过程的好坏对其性能及排放有着至关重要的影响。废气再循环技术作为降低柴油机氮氧化物最有效的措施之一，在国外已经成为了一项比较成熟的技术并应用于发动机上。本文在6N增压中冷柴油机基础上，增加了废气再循环系统，并应用计算流体动力学软件对其进行仿真研究。
　　 首先利用GT-Power软件建立了增压中冷柴油机的模型，并将仿真结果与实验结果对比，结果表明，仿真结果与实验结果基本吻合。基于此模型，设计了不同尺寸的文丘里管，通过相关实验，研究了不同文丘里管对再循环气体的引射能力的影响，从中选择出最佳的文丘里管参数。在此基础上，改变喷油定时和EGR阀的开度，研究发动机的性能随着这些参数的变化情况，结果显示：喷油提前，发动机的功率增加，但是NOx排放量也增多。EGR阀开度增大，EGR率上升，进气温度升高，NOx排放降低。
　　 利用STAR-CD建立了该柴油机燃烧室的三维仿真模型，对缸内工质的流动速度、燃油浓度、温度分布和NOx排放物生成过程进行了数值模拟。此外，研究了涡流强度和喷孔直径对柴油机燃烧过程以及NOx排放的影响。研究结果表明：燃烧室凹坑的偏置导致周向的涡流强度不均，进而影响各喷孔燃油束与空气的混合速度，最终影响高温区域和NOx的生成。一定强度的涡流比，能强化喷射到燃烧室壁面上燃油的蒸发，但是会导致高的NOx排放；涡流比过大时，燃油被局限在燃烧室凹坑内，火焰无法向燃烧室外发展，这样会导致碳烟排放增加。喷孔直径减小，使燃油雾化效果好，对降低碳烟排放非常有效，但是会导致NOx排放增加。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2内燃机的排放及控制

1.3废气再循环技术的发展及现状

1.4发动机数值模拟概述

1.4.1零维模型

1.4.2准维模型

1.4.3多维模型

1.5本课题的研究意义和内容

第二章数值计算模型和算法

2.1一维计算模型

2.1.1缸内工作过程计算的基本假设

2.1.2缸内热力过程的基本方程

2.1.3缸内燃烧、放热及传热模型

2.1.4缸内计算的其它模型

2.1.5进排气系统的数学模型

2.2三维计算模型及算法

2.2.1基本守恒方程

2.2.2 RNG k-ε湍流模型

2.2.3喷嘴模型

2.2.4雾化模型／液滴破碎模型

2.2.5液滴碰撞模型

2.2.6沸腾模型

2.2.7 Shell自燃模型

2.2.8氮氧化物生成模型

2.2.9 PISO算法

第三章废气再循环增压中冷柴油机的一维仿真研究

3.1模型的建立和验证

3.1.1未加废气涡轮增压装置时的发动机模型

3.1.2添加废气涡轮增压装置后的发动机模型

3.2三种不同文丘里管的实验和模拟结果

3.2.1文丘里管的工作原理

3.2.2文丘里管的实验研究

3.2.3文丘里管的仿真研究与模型校正

3.3喷油定时对发动机性能的影响

3.4 EGR率对发动机性能的影响

3.5本章小结

第四章柴油机缸内燃烧的三维数值模拟

4.1柴油机的三维模型的建立及边界条件设定

4.2三维模型的验证

4.3缸内燃烧过程的模拟结果

4.3.1缸内速度场的发展历程

4.3.2缸内燃油浓度的发展历程

4.3.3缸内温度场和氮氧化物的发展历程

4.3.4燃烧室偏置对燃油浓度场和温度场分布的影响

4.4涡流比对燃烧和排放的影响

4.5喷孔直径对燃烧和排放性能的影响

4.6本章小结

第五章全文总结与工作展望

5.1全文总结

5.2工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢