基于EGR技术的共轨柴油机燃烧系统优化

发布时间：2017-08-22 15:44

  本文关键词：基于EGR技术的共轨柴油机燃烧系统优化

  更多相关文章： 共轨柴油机 废气再循环 燃烧室结构 燃烧边界 喷油策略 排放特性

【摘要】：柴油机因具有良好的经济性、动力性和可靠性被广泛应用,但柴油机较高的颗粒物(PM)和NOx排放对环境造成了严重的污染。废气再循环(EGR)技术是降低NOx最有效的措施之一,但EGR参与燃烧会使柴油机热效率降低。因此,如何实现超低Soot和NOx排放并同时实现高热效率燃烧,是现代柴油机开发面临的重要挑战。本文以D19高压共轨柴油机为研究机型,应用GT-Power和AVL Fire建立了整机一维热力学仿真模型和三维CFD仿真模型,研究了不同燃烧室结构参数对柴油机燃烧过程、缸内气体流动及排放的影响,并在不同燃烧边界条件下考察了燃烧室的适应性。最后开展了不同燃油喷射策略耦合EGR技术对柴油机燃烧、性能和排放的影响规律。针对燃烧室结构的研究表明：较大缩口率(方案A)或较小径深比(方案C)燃烧室涡团保持性好；小缩口率(方案B)或大径深比(方案D)有利于燃烧开始时油气快速的混合；减小径深比(方案C)有利于燃烧后期逆挤流形成,降低Soot。在无EGR和小EGR率下Soot排放随压缩比增大而减少,EGR率为37%时,Soot排放随压缩比增大而增大。针对燃烧室对边界条件适应性的研究表明：EGR率为37%时,不同燃烧室的NO趋近于“零排放”。缩短喷油持续期间接提高了喷油压力,缸内当量比更加均匀,从而缩短滞燃期及燃烧持续期；缩短喷油持续期,可削弱燃烧室结构参数对缸内气体流动影响,降低Soot排放,但NO排放升高。涡流比为1.5时,不同燃烧室时缸内速度场增强,此时方案A的当量比分布最均匀；随涡流比增大,方案A的Soot排放减少,而方案B、C的Soot排放线性增大,方案D的Soot排放先降后升。在不同燃烧边界条件下,方案C同时实现最低的NO和Soot排放,表明其对不同燃烧边界的适应性较好,结构设计合理。针对喷油时刻耦合EGR的研究表明：随主喷定时推迟,BMEP先升高后降低,BSFC呈相反趋势。主喷时刻越晚,EGR率越大,BMEP和BSFC变化越显著；在较高EGR率时,随主喷定时推迟,NOx线性降低,Soot呈先降低后升高再降低。提高EGR率可削弱主喷定时提前对NOx生成促进的作用；随主喷定时推迟,有效热效率先升后降,排气损失率增大,传热损失和摩擦损失降低。主喷油量越大,BMEP随主喷定时推迟而降低的幅度越大；NOx排放随主喷油量减小而降低,在主喷定时提前时更为明显；中等负荷主喷油量的热效率升高而排气损失率降低,大负荷主喷油量热效率降低主要因为排气损失率较高；随主喷定时推迟,转速越高BMEP降低的速率越快,BSFC显著升高,但NOx降低;低转速时主喷时刻过于提前会造成NOx和传热损失率同时增加；高转速时主喷定时过于推迟会使发动机做功能力降低,排气损失率快速增加导致热效率显著降低。针对喷油压力耦合EGR的研究表明：在主喷油量增加时,随喷油压力增大,BSFC减小,NOx排放升高而Soot显著降低；小油量时NOx对喷油压力的改变更为敏感,主喷油量越大Soot降低幅度越明显；随喷油压力增大,有效热效率增加,排气损失率减少,传热损失率和摩擦损失率增加,且主喷油量越大,热效率随喷油压力提高而增加的幅度越大；随喷油压力增大,转速越高时BSFC降低越显著,但NOx随转速升高而降低；在相同EGR率下,转速越高,喷油压力对热效率的提升越显著,排气损失率减少。针对后喷参数耦合EGR的研究表明：随后喷时刻推迟和后喷油量增大,BSFC升高；同一后喷油量下,随后喷时刻推迟,NOx比排放升高,后喷时刻为12℃AATDC时,后喷油量越大,NOx越小,当后喷时刻继续推迟,NOx随后喷油量增加而升高；随后喷时刻推迟和后喷油量增加,有效热效率、传热损失率和摩擦损失率降低,但排气损失率增加。
【关键词】：共轨柴油机 废气再循环 燃烧室结构 燃烧边界 喷油策略 排放特性
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK421.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 引言13-14
• 1.2 柴油机主要排放物的生成机理14-15
• 1.3 柴油机排放控制技术15-21
• 1.3.1 柴油机机内排放控制技术16-19
• 1.3.2 柴油机机外排放控制技术19-21
• 1.4 本文的主要内容21-23
• 第二章 柴油机工作过程数学模型23-39
• 2.1 缸内工作过程一维数学模型的建立23-25
• 2.1.1 基本假设23
• 2.1.2 缸内热力过程基本方程23-24
• 2.1.3 缸内热力过程其它方程24-25
• 2.2 进排气系统的数学模型25-27
• 2.2.1 一维非定常流动基本方程25-26
• 2.2.2 一维非定常流动数学模型的求解方法26-27
• 2.2.3 中冷器参数的计算27
• 2.3 废气涡轮增压器的数学模型27-29
• 2.3.1 能量传递分析27-28
• 2.3.2 压气机特性参数计算28-29
• 2.3.3 涡轮特性参数计算29
• 2.4 缸内工作过程三维数学模型29-31
• 2.4.1 质量守恒方程30
• 2.4.2 动量守恒方程30
• 2.4.3 能量守恒方程30-31
• 2.5 湍流运动模型31-32
• 2.6 喷雾模型32-34
• 2.6.1 湍流耗散模型32
• 2.6.2 蒸发模型32-33
• 2.6.3 碰壁模型33-34
• 2.6.4 液滴破碎模型34
• 2.7 燃烧模型34-36
• 2.8 排放模型36-39
• 2.8.1 NOx排放模型36-37
• 2.8.2 碳烟生成模型37-39
• 第三章 不同燃烧室结构对柴油机燃烧及排放的影响39-51
• 3.1 计算模型的建立39-42
• 3.1.1 柴油机主要技术参数39
• 3.1.2 燃烧室结构参数39-40
• 3.1.3 网格划分40-41
• 3.1.4 模型验证41-42
• 3.2 燃烧室结构对柴油机燃烧及排放的影响42-47
• 3.2.1 燃烧室结构对缸内速度场的影响42-44
• 3.2.2 燃烧室结构对柴油机燃烧过程的影响44-45
• 3.2.3 燃烧室结构对柴油机排放特性的影响45-47
• 3.3 压缩比对柴油机燃烧及排放的影响47-49
• 3.3.1 不同压缩比对柴油机燃烧过程的影响47-48
• 3.3.2 不同压缩比对柴油机排放的影响48-49
• 3.4 本章小结49-51
• 第四章 燃烧室结构参数对燃烧边界适应性研究51-65
• 4.1 不同结构燃烧室耦合EGR对柴油机的影响51-55
• 4.1.1 不同结构燃烧室耦合EGR对柴油机燃烧过程的影响51-53
• 4.1.2 不同结构燃烧室耦合EGR对柴油机排放特性的影响53-55
• 4.2 喷油持续期对不同结构燃烧室柴油机的影响55-59
• 4.2.1 喷油持续期对不同结构燃烧室柴油机燃烧过程的影响55-57
• 4.2.2 喷油持续期对不同结构燃烧室柴油机排放特性的影响57-59
• 4.3 涡流比对不同结构燃烧室柴油机的影响59-64
• 4.3.1 不同涡流比对柴油机燃烧过程的影响59-61
• 4.3.2 不同涡流比对柴油机排放特性的影响61-64
• 4.4 本章小结64-65
• 第五章 喷油参数与后喷射耦合EGR对柴油机燃烧及排放的影响65-99
• 5.1 试验装置及一维热力学仿真模型构建65-70
• 5.1.1 试验台架介绍65-66
• 5.1.2 试验发动机及主要设备66-67
• 5.1.3 整机一维热力学仿真模型构建与验证67-69
• 5.1.4 模型验证69-70
• 5.2 喷油时刻耦合EGR对柴油机燃烧与排放的影响70-84
• 5.2.1 喷油时刻耦合不同EGR率对柴油机工作过程的影响70-76
• 5.2.2 不同主喷油量下喷油时刻耦合EGR对柴油机工作过程的影响76-80
• 5.2.3 不同转速下喷油时刻耦合EGR对柴油机工作过程的影响80-84
• 5.3 喷油压力耦合EGR对柴油机燃烧和排放的影响84-92
• 5.3.1 不同油量下喷油压力耦合EGR对柴油机工作过程的影响84-88
• 5.3.2 不同转速下喷油压力耦合EGR对柴油机工作过程的影响88-92
• 5.4 后喷参数耦合EGR对柴油机燃烧和排放的影响92-96
• 5.4.1 后喷参数耦合EGR对柴油机燃烧过程的影响92-94
• 5.4.2 后喷参数耦合EGR对柴油机性能及排放特性的影响94-96
• 5.5 本章小结96-99
• 第六章 全文总结与展望99-103
• 6.1 全文总结99-101
• 6.2 展望101-103
• 致谢103-105
• 参考文献105-109
• 附录A 攻读学位期间发表论文目录109-110
• 附录B 参与项目情况110

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 迈克·奥森加,胡林峰;卡特彼勒推出新一代燃油喷油系统[J];现代车用动力;1998年04期

2 张红光,何洪,刘兴华,李建纯,程昌圻,范伯元;车用大功率柴油机电控喷油系统的开发研究[J];中国公路学报;2003年02期

3 祝轲卿;徐权奎;杨林;卓斌;;高压共轨喷油系统多次喷射油量精确测量与规律分析[J];农业工程学报;2007年08期

4 范立云;文李明;田丙奇;马修真;宋恩哲;;电控双阀喷油系统多次喷射中的喷油量特性[J];哈尔滨工程大学学报;2012年06期

5 J.A.Kimberley,R.A.DiDomenico,许礼熙;一种新的柴油机喷油系统[J];车用发动机;1979年02期

6 熊光荣;降低船用柴油机燃油消耗率的一种喷油咀[J];重庆大学学报(自然科学版);1983年03期

7 刘云;;复式喷油系统液力驱动的要点[J];柴油机;1990年06期

8 张然治;三菱重工公司喷油设备研制动态[J];车用发动机;1992年04期

9 三浦昭宪,朱兰香;直列式喷油泵的喷油率控制——利用喷油系统模拟设计凸轮[J];现代车用动力;1997年01期

10 Walter Egler ,冯镜明;柴油机高压喷油系统模拟计算技术的发展[J];现代车用动力;1998年03期

中国重要会议论文全文数据库 前5条

1 沈权;;柴油机的新型喷油系统——共轨式喷油系统[A];四川省汽车工程学会三届一次学术年会论文集[C];1999年

2 赵阳;韩本忠;孙琦;黎新懿;;压力波动对喷油量精确控制的影响研究[A];面向未来的汽车与交通——2013中国汽车工程学会年会论文集精选[C];2013年

3 赵阳;韩本忠;孙琦;黎新懿;;压力波动对喷油量精确控制的影响研究[A];2013中国汽车工程学会年会论文集[C];2013年

4 张士长;;用排除法解决喷油报警[A];设备维修与改造技术论文集[C];2000年

5 阮周星;陈文军;叶春雷;沈武;周长银;;浅探柴油机的喷油与燃烧[A];中国造船工程学会修船技术学术委员会船舶维修理论与应用论文集第七集（2004年度）[C];2004年

中国重要报纸全文数据库 前4条

1 本报记者 王一鸣;实施国Ⅲ需要解决的难题[N];机电商报;2008年

2 姜叶;高压共轨是柴油机达到欧Ⅲ的必要手段[N];中国汽车报;2002年

3 本报记者 章彤;我们为什么要自主创新[N];江苏科技报;2006年

4 特约记者 李积轩;柴油机技术发展中的几个热点[N];中国船舶报;2001年

中国博士学位论文全文数据库 前9条

1 段炼;柴油机高压共轨喷油器喷油特性和结构创新研究[D];江苏大学;2015年

2 黄加亮;船用电控增压四冲程柴油机建模与性能优化研究[D];大连海事大学;2015年

3 白金龙;电控共轨柴油机曲轴箱排放及其形成研究[D];上海交通大学;2015年

4 郭树满;高压共轨柴油机燃油喷射控制系统的开发及喷油一致性的研究[D];天津大学;2012年

5 李新;基于喷油助燃再生的柴油车颗粒物后处理技术研究[D];武汉理工大学;2009年

6 王辉;多脉冲喷油模式的调制及其对柴油HCCI燃烧过程影响的研究[D];天津大学;2005年

7 齐鲲鹏;柴油机准维模型建模及共轨喷油系统硬件在环仿真研究[D];大连理工大学;2010年

8 石秀勇;喷油规律对柴油机性能与排放的影响研究[D];山东大学;2007年

9 武涛;燃用天然气合成油发动机燃烧特性与可靠性研究[D];上海交通大学;2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 李子竞;基于需求转矩的高压共轨柴油机喷油量的控制策略[D];吉林大学;2016年

2 马涛;基于EGR技术的共轨柴油机燃烧系统优化[D];昆明理工大学;2016年

3 邱赞卿;丁醇柴油复合喷油燃烧的试验研究[D];湖南大学;2012年

4 李卫东;基于模型的发动机喷油控制系统研究[D];浙江大学;2005年

5 万晓东;高压共轨柴油机喷油量控制策略及外特性标定研究[D];吉林大学;2007年

6 韩玉霞;电控高压共轨柴油机喷油器的喷油特性分析[D];江西农业大学;2012年

7 贾国海;车用汽油机喷油系统性能仿真及智能控制研究[D];湖南大学;2010年

8 郑大远;柴油机喷油系统振动噪声仿真研究[D];哈尔滨工程大学;2013年

9 张雪刚;电喷柴油机喷油策略优化燃烧和排放的研究[D];大连理工大学;2010年

10 靳森嘉;喷油策略对柴油机燃烧影响的可视化研究[D];北京理工大学;2015年

，

本文编号：719994