喷油正时及EGR对柴油机性能影响的CFD研究

摘要

随着雾霾天气、温室效应及其他环境问题的日益严重，人们节能减排的意识逐渐被唤醒。因此，政府不断出台严格的排放法规。而以石油为能源的内燃机的数量却逐年递增，其尾气对环境的影响也日益严重。因此，提高内燃机的燃烧效率，降低尾气排放已刻不容缓。柴油机的热效率比汽油机高，但其排放的废气中的氮氧化物(NO)及碳烟颗粒(Soot)的比例较高，而喷油正时及废气再循环(EGR)对柴油机的燃烧与排放性能有很大的影响。
　　喷油正时对柴油机的性能影响非常大，同时也是在实际运用过程中最容易改变的一个参数，对于某台正在开发的柴油机，如果能在实验前通过CFD仿真的方式获得一个最优喷油正时，可以大大缩短试验周期，也能节约相关费用。EGR能够显著降低NO的排放，同时使Soot的排放增加，利用数值模拟的方式从缸内工质微观分布角度（流场、温度场、浓度场）研究EGR对柴油机性能的影响，并分析相关机理，具有现实的意义。
　　本文利用Auto CAD与AVL fire软件，首先建立燃烧室的二维模型，并将其导入ESE模块中，完成对燃烧室及喷油器的三维模型的建立及网格划分，网格划分完成后，利用试验数据及相关经验数据确定初始条件及边界条件，在计算后利用试验值对模型进行验证。
　　本文模拟了在2000r/min，100％负荷时喷油正时对柴油机性能影响。仿真结果表明，随着喷油正时的的提前，滞燃期延长，柴油机缸内最高压力和燃烧温度也随之提高，NO的排放也增大，因此适当的延后喷油时刻可以降低NO排放。模拟了满负荷下EGR率分别为0、0.2、0.4、0.6时的情况，结果表明:‘EGR会延长柴油机的滞燃期，并影响燃料的放热，如果EGR过大，会导致后燃严重;EGR能够有效的降低缸内燃烧温度从而减少NO的排放，EGR还能降低缸内爆发压力，使柴油机工作更加平稳;但随着EGR的增大，缸内局部缺氧就会更加严重，导致Soot的排放增大。模拟了分析了2000r/min，EGR率为0.4时对100％及55％两种负荷的影响，结果表明，EGR对低负荷柴油机的经济性、动力性影响相对较小，在高负荷时影响很大，在高负荷下EGR对NO及Soot的排放影响较大;低负荷时，EGR对NO排放基本没影响，对Soot排放影响较小。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 序言

1．2 柴油机排放的有害物质

1．3 国内外柴油机排放法规

1．3．1 国外法规

1．3．2 我国的排放法规

1．4 降低柴油机排放的技术措施及现状

1．4．1 控制柴油机排放机内净化措施

1．4．2 柴油机排放控制的机外净化技术

1．5 本文研究的主要内容

第二章 模拟仿真的理论基础及相关模型

2．1 燃烧的数学模型

2．1．1 零维燃烧模型

2．1．2 准维燃烧模型

2．1．3 多维燃烧模型

2．2 多维燃烧模型的控制方程

2．2．1 质量守恒方程

2．2．2 动量守恒方程

2．2．3 能量守恒方程

2．3 燃油喷雾模型

2．3．1 喷雾破碎模型

2．3．2 油滴蒸发模型

2．4 燃烧模型

2．5 排放模型

2．5．1 NO模型

2．5．2 碳烟颗粒(Soot)模型

2．6 外部EGR的相关理论

2．7 本章小结

第三章 仿真模型的建立

3．1 仿真平台的流程图

3．2 柴油机的基本参数

3．2．1 燃烧室模型及喷油嘴相关参数

3．3 几何模型的建立

3．4 网格的划分

3．5 初始条件

3．6 计算模型验证

3．7 本章小结

第四章 喷油正时对柴油机燃烧与排放性能的影响

4．1 喷油正时对柴油机外特性的影响

4．2 喷油正时对燃烧性能的影响

4．2．1 对滞燃期的影响

4．2．2 对缸内压力的影响

4．2．3 对缸内温度的影响

4．3 喷油正时对排放性能的影响

4．3．1 喷油正时对NO排放的影响

4．3．2 喷油正时对Soot排放的影响

4．4 本章小结

第五章 EGR对柴油机燃烧与排放性能的影响

5．1 EGR率对柴油机外特性的影响

5．2 不同EGR率对柴油机性能的影响

5．2．1 不同EGR率对滞燃期的影响

5．2．2 不同EGR率对当量比的影响

5．2．3 不同EGR率对放热率的影响

5．2．4 不同EGR率对缸内压力的影响

5．2．5 EGR对燃烧温度的影响

5．2．6 不同EGR率对柴油机排放性能的影响

5．3 EGR率对柴油机不同负荷情况下排放性能的影响

5．3．1 对经济性及动力性的影响

5．3．2 EGR对不同负荷柴油机燃烧特性的影响

5．3．3 EGR对不同负荷柴油机排放特性的影响

5．4 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果