汽油机冷启动工况下碳氢排放的数值研究

论文摘要

汽油机在冷启动工况下,进气道和燃烧室的温度很低,喷出的燃油蒸发缓慢,且大量吸附在壁面,使得燃烧室内的混合气过稀,点燃较为困难,需要增加喷油量来加浓混合气;另外,冷启动时缸内的残余废气较多,燃烧不稳定,燃烧不完全和较厚的壁面淬冷层等原因,造成大量的碳氢化合物（HC）残留。再者,冷启动时,负责尾气处理的三元催化器尚未达到其有效的工作温度,起不到催化作用,残留的HC直接排放到大气中,造成严重的尾气污染。根据美国的FTP测试方法,冷启动阶段的HC排放占整个测试阶段的60%-80%。因此,控制冷启动HC的生成和排放,对环境保护具有非常重要的意义。汽油是一种混合物,其组分没有确定的比例,因此,无法对其进行直接的数值模拟。笔者选用异辛烷作为模拟汽油燃烧的替代物,构建了一个新的异辛烷氧化反应的骨架机理,并将其添加到KIVA-3V软件的动力学反应模块中,通过该软件模拟汽油机冷启动工况下HC的生成和转化。另外,KIVA-3V中的O’Rourke液滴碰撞模型不适合用于汽油机的冷启动模拟,笔者根据Nordin的液滴碰撞理论,构建了一个新的MIC液滴碰撞模型,将其量化嵌入到KIVA-3V代码中,并成功的进行了调试。完成化学反应机理的构建以及模型改进和标定的准备工作后,通过实验测得冷启动不同阶段的温度、压力、转速等参数,作为模拟的初始条件,模拟了不同缸内温度下HC的生成情况,研究了点火提前角、进气温度、点火能量、气流运动和增压比等因素对冷启动HC生成和排放的影响,为减少冷启动HC排放的研究提供了理论的参考依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 汽油机冷启动研究的国内外现状
• 1.3 汽油机冷启动过程的HC 数值模拟研究
• 1.4 本文研究的主要内容和意义
• 第2章 KIVA-3V 软件及冷启动工况下的模型应用
• 2.1 KIVA-3V 程序总框架
• 2.1.1 前处理程序（K3prep）
• 2.1.2 主程序KIVA-3V
• 2.1.3 后处理
• 2.2 KIVA-3V 程序计算模型
• 2.2.1 湍流模型
• 2.2.2 质量守恒方程
• 2.2.3 能量守恒方程
• 2.2.4 动量守恒方程
• 2.2.5 化学反应方程
• 2.2.6 状态方程
• 2.2.7 喷雾模型
• 第3章 冷启动HC 生成机理及化学反应动力学模型
• 3.1 有害HC 的生成
• nH_2n)的生成'>3.1.1 烯烃(C_nH_2n)的生成
• 3.1.2 醛（RCHO）的生成
• 3.1.3 酮（RCR'）的生成
• 4）的生成'>3.1.4 甲烷（CH₄）的生成
• 3.2 异辛烷氧化反应机理的构建
• 3.2.1 异辛烷的氧化过程
• 3.2.2 点火燃烧
• 3.2.3 中间产物的氧化过程
• 3.3 本章小结
• 第4章 喷雾液滴碰撞模型的改进
• 4.1 O'ROURKE 液滴碰撞模型
• 4.1.1 O'Rourke 模型的碰撞假设
• 4.1.2 O'Rourke 模型网格依赖性分析
• 4.2 MIC 液滴碰撞模型
• 4.2.1 MIC 模型的碰撞假设
• 4.2.2 液滴的碰撞概率
• 4.3 计算结果的比较
• 4.3.1 模拟参数设置
• 4.3.2 网格面对碰撞模型的影响
• 4.3.3 不同网格密度下碰撞后液滴半径对比
• 4.4 本章小结
• 第5章 冷启动HC 生成的数值模拟
• 5.1 汽油机参数
• 5.2 初始条件设置
• 5.3 边界条件设置
• 5.3.1 物理边界条件
• 5.3.2 喷雾边界条件
• 5.3.3 数值边界条件
• 5.4 机理的验证
• 5.5 模拟结果分析
• 5.5.1 缸内温度场
• 5.5.2 缸内HC 浓度分布
• 5.5.3 温度和压力模拟曲线
• 5.5.4 不同初始缸内温度下一次循环的总HC 排放量
• 5.6 本章小结
• 第6章 减少汽油机冷启动HC 排放的研究
• 6.1 增加后燃迅速提高缸内温度
• 6.2 提高冷启动进气温度
• 6.2.1 环境温度和初始缸内温度设置
• 6.2.2 提高进气温度后的HC 排放
• 6.3 增加冷启动点火能量
• 6.3.1 点火能量的设置
• 6.3.2 不同点火能量下HC 的排放
• 6.4 组织进气滚流促进燃油蒸发
• 6.4.1 进气滚流的组织
• 6.4.2 不同进气滚流强度下缸内温度和压力的模拟
• 6.4.3 进气滚流对减少冷启动HC 排放的实验验证
• 6.5 进气增压对冷启动HC 排放的影响
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论及工作展望
• 7.1 结论
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果