直喷式柴油机燃烧系统数值模拟研究

论文摘要

近年来，直喷式柴油机在车用柴油机的比重逐年不断提高，且其应用范围领域也不断扩大，其原因在于相比于分隔式燃烧系统，直喷式柴油机的燃油消耗率要低10%-15%左右，并且CO2的排放相对较低，但NOx以及Soot的排放相对较高。直喷式柴油机的缸内混合气的形成的好坏决定了其燃烧过程及其排放特性，而喷油器参数对混合气的形成具有决定性的作用。目前，除了实验方法研究之外，计算数值模拟提供了新的一种研究燃烧过程的方法。本文针对SC9DF型柴油发动机建立了其数学模型及其计算物理模型，数学模型包括了喷雾模型、燃烧模型、排放物模型，喷雾模型包括了Dokowicz蒸发模型、WAVE破碎模型、Walljet1碰壁模型以及Enable湍流扩散模型；燃烧模型包括了EBU湍流燃烧模型以及自点火模型；排放物模型采用Zeldovic氮氧化合物模型以及Kennedy-Hiroyasu-Magnussen碳烟排放模型，并且利用有限体积法对所建立的数学方程进行离散化，最后利用SIMPLE算法进行数值计算，并对模型进行了验证。之后应用AVL-FIRE软件对原机进行了数值模拟计算分析，计算获得了不同曲轴转角下的缸内压力及温度的曲线图，以及NO浓度、Soot浓度随曲轴转角变化的规律云图，并且分析了其影响因素。利用变参数法对该型号柴油机进行了数值模拟研究，研究参数包括了喷孔直径和喷雾锥角这两个参数对柴油机燃烧过程及其排放性能的影响。模拟计算结果表明：缸内最大爆发压力和最高温度随着喷孔直径的不断减小而不断升高，而不同喷雾锥角下的柴油机缸内最大爆发压力变化不明显，最高温度随着喷雾锥角的减小而不断减小，但变化幅度不大；而NO的浓度值则随着喷孔直径的减小不断增大，但喷雾锥角的减小却会引起NO的下降，并且都会在后阶段会发生停滞现象；Soot值则随着喷孔直径和喷雾锥角的不断减小而不断增大，并且都在燃烧后阶段会被氧化掉一部分；从不同喷孔直径和喷雾锥角下的各微观场表明：喷孔直径下的流场主要是通过影响混合气的形成来影响其缸内燃烧的，而喷雾锥角下的流场是通过改变燃烧室内气流运动区域来影响其燃烧效果的；控制温度场中后期的燃烧室温度是降低NO的关键；不同喷孔直径和喷雾锥角下的喷雾后期，抑制燃烧室底部、间隙以及喷油器周围这三个区域NO的生成是降低NO排放的关键；不同喷孔直径和喷雾锥角下的燃烧后期，抑制燃烧室底部和间隙这两个区域内的Soot是降低Soot排放的关键。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 排放法规
• 1.2 柴油机控制排放技术
• 1.2.1 柴油机机内净化措施
• 1.2.2 柴油机机外净化措施
• 1.3 内燃机燃烧过程模拟研究的发展与现状
• 1.3.1 内燃机燃烧模型的发展
• 1.3.2 国内外多维模拟的发展与现状
• 1.4 本文研究内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 柴油发动机数学模型的建立
• 2.1 基本控制方程
• 2.2 湍流流动控制方程
• 2.2.1 湍流流动特点
• 2.2.2 湍流流动控制方程
• 2.3 燃油喷雾模型
• 2.3.1 喷雾模型基本控制方程
• 2.3.2 蒸发模型
• 2.3.3 液滴破碎模型
• 2.3.4 湍流扩散模型
• 2.3.5 液滴碰撞与聚合模型
• 2.3.6 液滴碰壁模型
• 2.4 燃烧模型
• 2.4.1 湍流燃烧模型
• 2.4.2 点火模型
• 2.5 排放物模型
• 2.5.1 NOx排放物模型
• 2.5.2 碳烟排放物模型
• 2.6 本章小结
• 第三章 柴油机物理计算模型及其初始边界条件
• 3.1 FIRE软件介绍
• 3.2 物理模型参数
• 3.3 网格划分
• 3.4 初始条件以及边界条件的设置
• 3.4.1 初始条件的计算
• 3.4.2 边界条件的设置
• 3.5 数值求解
• 3.6 计算模型的验证
• 3.6.1 实验设备
• 3.6.2 模型验证
• x与Soot值与计算模型数值的比较'>3.6.3 实验NO_x与Soot值与计算模型数值的比较
• 3.7 本章小结
• 第四章 原机燃烧过程模拟计算
• 4.1 原机计算结果分析
• 4.2 缸内温度和压力变化
• 4.3 缸内质量变化
• 4.4 NO生成变化
• 4.5 SOOT生成变化
• 4.6 本章小结
• 第五章 柴油机变参数研究分析
• 5.1 喷孔直径的影响
• 5.1.1 喷孔直径对柴油机性能的影响
• 5.1.2 喷孔直径对柴油机流场变化分析
• 5.1.3 喷孔直径对柴油机温度场变化分析
• 5.1.4 喷孔直径对柴油机NO浓度变化分析
• 5.1.5 喷孔直径对柴油机Soot浓度变化分析
• 5.2 喷雾锥角的影响
• 5.2.1 喷雾锥角对柴油机性能的影响
• 5.2.2 喷雾锥角对柴油机流场变化分析
• 5.2.3 喷雾锥角对柴油机温度场变化分析
• 5.2.4 喷雾锥角对柴油机NO浓度变化分析
• 5.2.5 喷雾锥角对柴油机Soot浓度变化分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果
• 致谢