车用柴油机瞬态工况燃烧劣变及改善策略模拟研究

发布时间：2017-09-17 11:09

  本文关键词：车用柴油机瞬态工况燃烧劣变及改善策略模拟研究

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【摘要】：随着环境污染问题的日益加剧,世界各国不断出台越来越严格的排放法规,因此车用柴油机瞬变工况性能的研究日益得到研究工作者的重视。本论文以CA6DL重型增压柴油机为研究对象,利用三维流体力学软件STAR-CD进行仿真模拟,结合实验测得的表观参数的规律性结果,分析柴油机缸内非表观参数的分布和变化规律,揭示柴油机在不同负荷的瞬变工况下缸内燃烧和排放的劣变规律;针对瞬变小负荷工况缸内热力状态不良的情况,本研究引入预喷来探索其对缸内热力状态的影响;针对中高负荷工况油气混合效果不理想、燃烧劣变的情况,本研究提出通过引入后喷来改善缸内的流动;制定了以喷油策略为主的优化控制策略,实现对柴油机不同负荷工况瞬变性能劣变的有效控制。1、本研究从恒转速增扭矩的瞬变过程中,提取不同加载率瞬变过程的50%负荷工况对应的工作循环,以该循环所得到的试验参数做为边界条件,进行模拟计算。研究结果表明:柴油机在瞬变工况下燃烧会出现恶化的现象,燃烧速率降低、燃烧相位滞后;从缸内物理场演变规律的角度来看,瞬变工况下缸内“油气混合驱动能量”降低,造成燃油雾化、蒸发和混合的速率降低,最终导致缸内出现浓混合气增加、稀混合气减少的不正常现象;除此之外,缸内温度在1800K2500K之间的单元格比例、当量比φ2的单元格比例和Soot生成区的单元格比例均高于稳态工况值,造成Soot的排放恶化;但是NOx排放量低于稳态工况的NOx排放量。2、本研究选择恒定转速增转矩的瞬变过程(1650r/min,5s,0-100%负荷)中25%负荷工况点进行预喷模拟研究。研究结果表明:瞬变小负荷工况引入预喷后,燃烧前期缸内压力升高,甚至超越稳态工况的值;燃烧初期缸内平均温度值低于稳态工况值,但是燃烧后期缸内平均温度值高于稳态工况值;蒸发率的值明显高于瞬变无预喷射工况的蒸发率的值,并且高于稳态工况的值;燃烧的初期,蒸发已燃率的值明显提高,燃烧过程的中后期,剩余燃油率明显降低,预喷射量越大,降低越明显;相同预喷量下,预主喷间隔角越大,剩余燃油率降低的越明显;在预喷射期间,氧气驱动能量增加,当预喷量大于10%时,氧气驱动能量得到明显改善,甚至高于稳态工况值;在燃烧前期,燃油驱动能量明显增加,并高于稳态工况值,燃烧中后期,随着预喷量的增加,燃油驱动能量降低;在主喷之前,总驱动能量得到改善,当预喷量大于10%时,总驱动能量已经大于稳态工况的值;NOx的生成量相较于瞬变无预喷工况出现回升,并接近于稳态工况NOx的生成量;Soot生成量的峰值明显上升,5%预喷量和10%预喷量Soot生成量的峰值上升幅度最大;综合分析选取预喷量10%、预主喷间隔角5°CA最为适合。3、本研究选择恒定转速增转矩的瞬变过程(1650r/min,5s,0-100%负荷)中50%和90%负荷工况点进行后喷的模拟研究。研究结果表明:瞬变中高负荷工况引入后喷之后,缸内压力小幅度降低,在燃烧的中期缸内平均温度低于稳态工况的值,燃烧后期缸内平均温度开始升高并且大于稳态工况的值,后喷量越大,升高的越明显;后喷导致放热率第二峰值降低,在燃烧后期出现第三次放热峰值,使燃烧后期缸内平均温度增加,为燃烧后期生成的Soot的氧化提供有利的环境;燃烧后期,燃油驱动能量和总驱动能量增加,油气混合能力增强,且90%负荷工况燃烧后期驱动能量上升的更明显;主喷射阶段,较浓混合气和浓混合气的峰值比例不断减少,而稀混合气量则不断升高;燃烧后期,较浓混合气和浓混合气的比例又会出现上升,稀混合气比例则呈现反趋势;说明后喷对燃烧的不同阶段、不同质量的混合气形成有效的控制作用;Soot生成峰值降低,缸内主喷燃烧温度降低,NOx排放降低;瞬变50%负荷工况,后喷量为20%时,Soot的最终生成量相较于无后喷的瞬变工况降低了33.3%,NOx最终生成量相较于稳态工况也出现小幅度的降低;瞬变90%负荷工况,后喷量为30%时,Soot最终生成量最大相对于瞬变无后喷工况值降低73.3%;后喷充分利用主后喷间歇期运动过来的氧气,加强后期燃烧,使Soot氧化速率明显增加;综合考虑Soot最终生成量以及指示热效率和燃油消耗率等因素,认为瞬变中高负荷工况采用25%后喷量为宜。
【关键词】：柴油机 瞬变工况 预喷 后喷 燃烧 排放
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U464.172
【目录】：

• 摘要4-6
• abstract6-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 能源与环境污染问题10-12
• 1.2 车用柴油机排放法规12-13
• 1.3 电控高压共轨柴油机多段喷射技术研究现状13-16
• 1.4 车用柴油机瞬态工况研究现状16-19
• 1.5 本课题主要研究内容和研究意义19-22
• 第2章 数值模拟平台建立22-30
• 2.1 建立模拟平台23-24
• 2.1.1 研究对象23
• 2.1.2 网格划分和模型建立23-24
• 2.1.3 模型与算法的确定24
• 2.2 模型验证24-27
• 2.2.1 初始边界条件确定24-25
• 2.2.2 模型验证25-27
• 2.3 本章小结27-30
• 第3章 瞬态工况燃烧与排放性能劣变规律分析30-42
• 3.1 不同加载率瞬变工况的燃烧过程分析30-32
• 3.2 不同加载率瞬变工况的油气混合过程研究分析32-35
• 3.3 不同加载率瞬变工况的NO_x、Soot排放过程分析35-38
• 3.4 不同加载率瞬变工况的微观场分析38-39
• 3.5 本章小结39-42
• 第4章 预喷和后喷策略对柴油机瞬态工况性能的影响42-74
• 4.1 预喷对柴油机瞬态小负荷工况燃烧及排放过程的影响42-54
• 4.1.1 预喷对瞬变小负荷工况燃烧过程的影响43-47
• 4.1.2 预喷对瞬变小负荷工况油气混合过程的影响47-51
• 4.1.3 预喷对瞬变小负荷工况NO_x、Soot排放的影响51-53
• 4.1.4 预喷对瞬变小负荷工况影响的微观场分析53-54
• 4.2 后喷对柴油机瞬变中高负荷工况燃烧及排放过程的影响54-70
• 4.2.1 后喷对瞬变中高负荷工况燃烧过程的影响56-58
• 4.2.2 后喷对瞬变中高负荷工况油气混合过程的影响58-61
• 4.2.3 后喷对瞬变中高负荷工况Soot和NO_x排放的影响61-65
• 4.2.4 后喷对瞬变中高负荷工况指示热效率的影响65
• 4.2.5 后喷对瞬变中高负荷工况Soot排放微观场机理分析65-70
• 4.5 本章小结70-74
• 第5章 全文总结及工作展望74-78
• 5.1 全文总结74-76
• 5.2 工作展望76-78
• 参考文献78-84
• 作者简介及科研成果84-85
• 致谢85

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本文编号：869039