柴油机缸内碳烟粒径与数密度分布研究

发布时间：2017-08-09 00:18

  本文关键词：柴油机缸内碳烟粒径与数密度分布研究

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【摘要】：近年来,雾霾天气在中国多个城市频繁出现,导致大气能见度降低,且危害到人体的身心健康,而造成雾霾天气的最主要物质是可吸入颗粒物。可吸入颗粒物的排放主要来自于燃烧源,燃烧源排放的主要渠道之一是机动车尾气,而机动车尾气中颗粒物大多又是由柴油机产生的。可以说,柴油机的颗粒物排放是形成雾霾天气的主要来源之一。柴油机颗粒物排放一直是内燃机研究领域中的焦点问题之一,各国也先后设立了针对柴油机颗粒物质量的排放法规。另外,由于小粒径颗粒对人体危害更大,而小粒径颗粒占柴油机排放微粒数量的90%以上,在欧五排放法规中,最先提出了对颗粒物排放数量进行限制的要求。本文建立了柴油机燃烧室的几何模型并进行了网格划分,设定了柴油机计算模型的初始条件(包括了喷油量、缸内的湍流动能以及湍流长度尺度)和边界条件,选取了合适的数学模型:K-epsilon湍流模型、KH-RT液滴破碎模型、Coherent Flame燃烧模型、Kinetic model碳烟排放模型,由此建立了柴油机的三维数值模型。通过采集标定工况下柴油机的缸内压力、排放烟度和燃油消耗率等参数,对所建计算模型进行了标定和验证。在此基础之上,研究了喷油系统参数(喷孔直径、喷孔夹角和喷油提前角)和含氧混合燃料(B10、B20和B50)对柴油机燃烧过程和碳烟颗粒物排放的影响,其中重点研究了对柴油机碳烟质量浓度、碳烟粒径和碳烟数密度分布的影响规律。原机碳烟质量浓度随着曲轴转角的增加而急速增加,之后又有所下降。碳烟粒径和碳烟数密度整体变化趋势均是先增大后减小,分布范围由窄变宽,再变窄,最后趋于稳定。随喷孔直径减小,碳烟生成量在燃烧前期不断增加,而在燃烧后期不断减少。碳烟粒径和碳烟数密度在燃烧开始至上止点的燃烧初始阶段均不断增大,而在燃烧中后期,均没有明显的变化规律。研究发现,在燃烧后期,碳烟粒径与碳烟数密度之间有此消彼长的相互联系。随喷孔夹角减小,碳烟平均质量浓度逐渐增大,而碳烟粒径并没有固定的变化趋势,但碳烟数密度随喷孔夹角减小逐渐增高。随喷油提前角增大,碳烟生成量在燃烧前期稍微增多,而在燃烧后期逐渐减少。喷油提前角的变化对最终生成的碳烟平均粒径和平均数密度均没有太大影响。相对于B0,三种混合燃料中,B20最终的碳烟平均质量浓度下降最多,而B50下降幅度低于B10。柴油的碳烟平均粒径和平均数密度随曲轴转角均呈双峰形态,而混合燃料均呈单峰形态。总的来看,在燃烧前期和后期,混合燃料的碳烟平均粒径一直小于柴油。混合燃料的碳烟平均数密度在燃烧初始期和燃烧后期均高于柴油,而在中期会比柴油低。含氧混合燃料的碳烟粒径和碳烟数密度之间存在此消彼长的相互联系。
【关键词】：柴油机 燃烧 碳烟质量浓度 碳烟粒径 碳烟数密度 喷油系统 含氧混合燃料
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK421
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 研究背景11-14
• 1.1.1 可吸入颗粒物对大气环境影响及其主要来源11-12
• 1.1.2 可吸入颗粒物对人体健康的危害12-13
• 1.1.3 可吸入颗粒物的类别与性质13-14
• 1.2 国内外研究状况14-19
• 1.2.1 国外研究状况14-17
• 1.2.2 国内研究状况17-19
• 1.3 本文研究的主要内容和方案19-21
• 1.3.1 主要研究内容20
• 1.3.2 研究方案20-21
• 第二章 柴油机计算模型的建立与验证21-28
• 2.1 FIRE软件介绍21
• 2.2 物理模型建立与计算方法21-23
• 2.3 初始条件计算以及边界条件设置23-24
• 2.3.1 模拟计算喷油量23
• 2.3.2 缸内湍流动能以及湍流长度尺度23-24
• 2.3.3 缸内初始状态与边界条件24
• 2.3.4 计算时间步长的选取24
• 2.4 数值模型的选取24
• 2.5 发动机试验与计算模型验证24-26
• 2.5.1 发动机台架试验24-25
• 2.5.2 模型验证25-26
• 2.6 本章小结26-28
• 第三章 原机燃烧过程与碳烟生成特性分析28-40
• 3.1 原机燃烧过程28-33
• 3.1.1 缸内平均压力和平均温度28-29
• 3.1.2 瞬时放热率29-30
• 3.1.3 速度场30
• 3.1.4 当量比和温度场30-32
• 3.1.5 氧浓度和OH浓度32-33
• 3.2 缸内碳烟质量浓度33-35
• 3.3 缸内碳烟粒径与数密度35-38
• 3.4 本章小结38-40
• 第四章 喷油系统参数对碳烟生成特性影响分析40-64
• 4.1 喷孔直径的影响40-48
• 4.1.1 缸内平均温度和平均压力的影响分析40-41
• 4.1.2 碳烟质量浓度的影响分析41-44
• 4.1.3 碳烟粒径与数密度的影响分析44-48
• 4.2 喷孔夹角的影响48-56
• 4.2.1 缸内平均温度和平均压力的影响分析48-49
• 4.2.2 碳烟质量浓度的影响分析49-51
• 4.2.3 碳烟粒径与数密度的影响分析51-56
• 4.3 喷油提前角的影响56-63
• 4.3.1 缸内平均温度和平均压力的影响分析56
• 4.3.2 碳烟质量浓度的影响分析56-59
• 4.3.3 碳烟粒径与数密度的影响分析59-63
• 4.4 本章小结63-64
• 第五章 含氧混合燃料对碳烟生成特性影响分析64-75
• 5.1 缸内平均温度和平均压力影响分析64-65
• 5.2 碳烟质量浓度的影响分析65-67
• 5.3 碳烟粒径与数密度的影响分析67-73
• 5.4 本章小结73-75
• 第六章 总结与展望75-77
• 6.1 主要工作75
• 6.2 主要结论75-76
• 6.3 研究展望76-77
• 参考文献77-81
• 致谢81-82
• 在学期间发表的学术论文及其他科研成果82

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