边界条件对柴油机瞬态工况下燃烧的影响及数值模拟

论文摘要

在CA6DE1-21K增压中冷车用柴油机上,利用自行开发的瞬态测量及控制系统进行了燃烧边界条件对瞬态工况下燃烧及排放影响规律的研究。利用CFD模拟对试验结果进行了分析。对该柴油机1000r/min,75%负荷工况进行了燃烧模拟分析。分析结果表明:燃油喷注的贯穿率为0.833;油束撞壁后,绝大多数燃油沿燃烧室凹坑壁面向下运动,并形成较强的涡流,极少一部分燃油（<10%）沿燃烧室壁向上运动,并进入活塞平顶和缸盖下端面之间的挤流区,该部分燃油对NO排放有较大的影响;NO主要形成于火焰的前锋面,在挤流区内生成的NO质量占其总生成量的60%以上;碳烟的生成始于喷油始点,其浓度分布与燃油浓度场分布类似,约有95%的碳烟在排气门开启前被氧化。瞬态工况下的研究表明,由于工况的变化导致了燃烧边界条件发生了较大的改变。主要表现在同一转速相同负荷工况下,随着转矩变化率的增加进气量和耗油量均有所增加,但是总体空燃比却有下降的趋势,在低转速时此种趋势更为明显。试验和模拟结果均表明,转矩变化率对燃烧滞燃期影响不大,但是燃烧持续期却随着转矩变化率的增加而延长。排放试验结果表明:随着转矩变化率的增加,微粒和碳烟排放量明显上升,而NOx排放略有降低。通过数值模拟分析发现:循环供油量增加和燃烧持续期延长是导致上述结果的主要原因。随着转矩变化率的增加,燃油消耗率增加,增加的燃油进入气缸后,正处于高温、贫氧及流动相对较弱的区域,导致了微粒和碳烟排放量显著增加。对不同进气温度工况下的燃烧过程进行了研究,试验结果表明:空燃比随着进气温度的降低而增加,尤其是在中低转速工况下,这种趋势更为明显。排放试验结果表明:随着进气温度的降低,碳烟排放量明显降低。通过数值模拟分析发现:缸内氧气浓度场的变化是导致碳烟排放降低的主要原因,随着进气温度的降低,空燃比增加,从而导致了氧气浓度的增加,使更多的碳烟在排出前被氧化。进行了供油提前角对燃烧过程影响的研究,研究发现随着喷油时刻的前移,碳烟排放量明显降低,而NOx排放明显增加。数值模拟分析表明:随着供油提前角的前移,燃烧滞燃期延长;在着火上止点后30oCA以前,缸内平均燃烧温度随供油提前角的前移呈递增趋势,这是导致碳烟排放量的降低和NOx排放的升高。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 排放法规
• 1.1.1 国外汽车排放法规的发展
• 1.1.2 中国汽车排放法规的发展
• 1.2 能源问题
• 1.3 内燃机新技术
• 1.4 发动机瞬态排放性能的研究现状
• 1.4.1 瞬态测试循环
• 1.4.2 瞬态测试方法
• 1.4.3 瞬态研究成果
• 1.5 数值模拟的发展及其在内燃机研究上的应用
• 1.5.1 数值模拟的发展
• 1.5.2 数值模拟软件
• 1.5.3 数值模拟在内燃机研究的应用
• 1.6 本论文的主要研究内容
• 第二章 瞬态工况测试系统的建立
• 2.1 控制系统的设计
• 2.2 研究工况的选取
• 2.3 本章小结
• 第三章 柴油机燃烧模拟平台的建立及燃烧模拟分析
• 3.1 模型的建立
• 3.1.1 创建三维几何模型
• 3.1.2 划分网格
• 3.1.3 动网格生成
• 3.1.4 合并网格
• 3.1.5 喷油规律的测定
• 3.1.6 模型及算法选择
• 3.2 模型验证
• 3.2.1 模拟范围的确定
• 3.2.2 初始边界条件的获得
• 3.2.3 具体参数的调整
• 3.2.4 模型选择准确性验证
• 3.2.5 NO 和Soot 模型准确性验证
• 3.3 计算结果分析
• 3.3.1 燃烧及排放结果分析
• 3.3.2 气缸内参数场分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 恒转速增转矩瞬态工况试验及数值模拟
• 4.1 恒转速增转矩瞬态工况下燃烧边界条件的变化规律
• 4.1.1 进气量、燃油消耗量和空燃比的对比
• 4.2 边界条件对燃烧过程的影响
• 4.2.1 边界条件对燃烧始点的影响
• 4.2.2 边界条件对放热率的影响
• 4.2.3 边界条件对燃烧持续期的影响
• 4.3 燃烧边界条件对排放的影响
• 4.3.1 微粒的测量结果与分析
• 4.3.2 烟度的测量结果与分析
• x的测量结果与分析'>4.3.3 NO_x的测量结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 进气中冷温度对燃烧过程影响的试验及数值模拟
• 5.1 不同进气中冷温度工况下燃烧边界条件的变化规律
• 5.1.1 进气量、燃油消耗量和空燃比的对比
• 5.2 进气中冷温度对燃烧过程的影响
• 5.2.1 进气中冷温度对燃烧始点的影响
• 5.2.2 进气中冷温度对放热率的影响
• 5.2.3 进气中冷温度对燃烧持续期的影响
• 5.3 燃烧边界条件对排放的影响
• 5.3.1 烟度的测量结果与分析
• x 的测量结果与分析'>5.3.2 NO_x的测量结果与分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 供油提前角对燃烧过程影响的试验及数值模拟
• 6.1 试验工况点的确定
• 6.2 供油提前角对燃烧过程的影响
• 6.2.1 供油提前角对燃烧始点的影响
• 6.2.2 放热率的对比
• 6.2.3 燃烧持续期的对比
• 6.3 供油提前角对排放的影响
• 6.3.1 烟度的测量结果与分析
• x 的测量结果与分析'>6.3.2 NO_x的测量结果与分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结及工作展望
• 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
• 致谢
• 攻读博士学位期间论文的发表情况
• 图表索引
• 摘 要
• ABSTRACT