核心边界条件对柴油机燃烧的影响及优化

论文摘要

为研究废气再循环（EGR）和喷油参数调制两个核心边界条件对柴油机燃烧、排放的影响,并进一步揭示其中的微观机理,本文在CA6DL-35E3高压共轨电控柴油机上进行了大量的模拟和试验研究。建立了模拟平台和试验平台。搭建了一套可以实现单因素可调、多因素耦合,并满足欧Ⅲ排放法规的电控高压共轨六缸柴油机台架试验系统。采用商用软件STAR-CD建立了模拟平台。通过采用自创的CMC-Ogrid（Cylinder mesh centering-O-grid Template）模板切割形成燃烧室网格,改进了Match piston方法。对原机进行了模拟和试验研究。用喷油锥截面和纵截面组合来展示了缸内微观场发展历程。总结了一套统计后处理方法,针对关键单元格集合对微观参数进行“量”化,统计结果更有助于揭示微观机理。核心边界条件EGR对柴油机燃烧、排放影响的模拟和试验研究表明:随EGR率增大,NO显著降低,Soot明显增加。NO的降低机理用统计高温区的变化来解释更加充分。烟度排放在10%EGR率左右存在一个急剧增大的拐点,可以此作为优化控制点。取出单元格温度、当量比等状态属性在当量比-温度图上布点,对比了EGR对缸内状态变迁历程的影响。喷射压力对柴油机燃烧、排放影响的模拟和试验研究表明:喷射压力升高后,雾化质量变好,高温区变大,Soot显著降低,NO大幅度增加。EGR与喷射压力的耦合研究表明:负荷低于一定程度时,加入EGR后烟度与NO同时下降,类似于低温燃烧模式。但此时放热率峰值很高,难于直接应用。多次喷射对柴油机燃烧、排放影响的模拟和试验研究表明:预喷使得最大压力升高率大幅度下降。采用后喷以后,使得Soot峰值降低,并强化后期氧化,故而Soot最终生成量显著减少。综合考虑Soot排放和热效率认为后喷量取20%左右为宜。后喷燃油喷到氧气较浓的区域,燃烧较好,Soot峰值显著下降,因此后喷可以理解为一种时间顺序意义上的分区燃烧。是滚流利用主喷和后喷之间的间歇期引导氧气运动到喷油锥角区域内形成富氧区,从而实现分区燃烧的。要组织最佳的分区燃烧,就是要在保证补充氧气足够多的前提下,找到一个尽可能小的主后喷间隔。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 能源问题
• 1.2 环境污染与排放法规
• 1.2.1 国外汽车排放法规的发展
• 1.2.2 中国汽车排放法规的发展
• 1.3 柴油机排放控制
• 1.3.1 柴油机排放控制难点
• 1.3.2 目前主流排放控制方案简介
• 1.4 新燃烧概念与新燃烧系统
• 1.5 低排放燃烧的核心边界条件及其研究手段
• 1.5.1 柴油机低排放燃烧的核心边界条件
• 1.5.2 现代先进研究手段简介
• 1.6 本文主要研究内容
• 第二章 数值模拟基础
• 2.1 基本守恒方程
• 2.1.1 连续相（缸内工质）基本方程
• 2.1.1.1 质量守恒方程
• 2.1.1.2 动量守恒方程
• 2.1.1.3 能量守恒方程
• 2.1.1.4 气体状态方程
• 2.1.2 离散相（液相燃油）基本方程
• 2.1.2.1 质量守恒方程
• 2.1.2.2 动量守恒方程
• 2.1.2.3 能量守恒方程
• 2.2 柴油机喷雾模拟的关键因素及其相关模型
• 2.2.1 考虑空化现象的MPI-2 喷嘴现象模型（空化模型）
• 2.2.2 虑及湍流扰动的Huh 初次雾化模型
• 2.2.3 考虑气动力作用的Reitz/Diwakar 二次雾化模型
• 2.2.4 液滴的湍流扩散（Turbulence Dispersion）模型
• 2.3 流动、燃烧及排放物模型
• 2.3.1 湍流模型
• 2.3.2 Shell 自燃模型
• 2.3.3 高温燃烧模型
• 2.3.4 排放物模型
• x 模型'>2.3.4.1 NO_x模型
• 2.3.4.2 Soot 模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 研究平台的建立
• 3.1 试验平台的搭建
• 3.1.1 试验对象和测试仪器
• 3.1.2 EGR 试验系统组成
• 3.1.3 喷油规律试验系统简介
• 3.2 模拟平台的建立与改进
• 3.2.1 网格划分及其改进
• 3.2.1.1 气缸顶部网格的改进
• 3.2.1.2 燃烧室网格的改进
• 3.2.2 模型设定
• 3.2.2.1 模拟范围的确定
• 3.2.2.2 子模型及求解算法选择
• 3.2.2.3 初始、边界条件的获得
• 3.2.3 模型验证
• 3.3 本章小结
• 第四章 原机模拟分析及后处理方法研究
• 4.1 宏观参数的模拟结果及分析
• 4.2 微观参数场分析及其后处理方法研究
• 4.2.1 流场及其相关量统计
• 4.2.1.1 流场变化历程
• 4.2.1.2 流场相关量的统计
• 4.2.2 燃油蒸汽浓度场及其相关量统计
• 4.2.2.1 燃油蒸汽浓度场变化历程
• 4.2.2.2 浓度场相关量的统计
• 4.2.3 温度场及其相关量统计
• 4.2.3.1 温度场变化历程
• 4.2.3.2 温度场相关量的统计
• 4.2.4 缸内状态变迁历程
• 4.2.5 NO 浓度场
• 4.2.6 Soot 浓度场
• 4.2.7 统计方法小结
• 4.3 本章小结
• 第五章 核心边界条件对柴油机燃烧、排放影响的研究
• 5.1 EGR 对柴油机性能和排放影响的模拟研究
• 5.1.1 示功图的模拟分析
• 5.1.2 指示热效率
• 5.1.3 EGR 率对NO 的影响
• 5.1.3.1 NO 的生成量对比
• 5.1.3.2 缸内平均温度对比
• 5.1.3.3 利用微观温度统计及温度场解释NO 变化
• 5.1.4 EGR 率对Soot 的影响
• 5.1.4.1 Soot 的生成量对比
• 5.1.4.2 Soot 微观场对比
• 5.1.5 EGR 率对缸内状态变迁历程的影响
• 5.2 EGR 对柴油机性能和排放影响的试验研究
• 5.3 喷射压力对柴油机性能和排放影响的模拟研究
• 5.3.1 喷射压力对雾化的影响
• 5.3.2 喷射压力对排放物生成历程的影响
• 5.4 喷射压力对柴油机性能和排放影响的试验研究
• 5.5 提高喷射压力和引入EGR 耦合的试验研究
• 5.6 本章小结
• 第六章 喷油规律对柴油机燃烧、排放影响的研究
• 6.1 预喷模拟研究
• 6.2 三段喷射模式下变后喷量模拟研究
• 6.2.1 宏观性能参数模拟结果及分析
• 6.2.2 Soot 排放降低的微观机理分析
• 6.3 三段喷射模式下变后喷间隔模拟研究
• 6.3.1 时间意义上分区燃烧概念的提出
• 6.3.2 时间意义上分区燃烧的优点与形成因素分析
• 6.4 后喷量对柴油机性能和排放影响的试验研究
• 6.5 后喷正时对柴油机性能和排放影响的试验研究
• 6.6 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 研究工作总结
• 7.2 本研究的主要创新点
• 7.3 工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 中文摘要
• Abstract