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喷油规律对柴油机性能与排放的影响研究

作　者: 石秀勇
导　师: 李国祥
学　校: 山东大学
专　业: 热能工程
关键词: 柴油机排放电控共轨系统预喷射后喷射湍流混合碳烟模型
分类号: TK421
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着石油资源的日益枯竭和环境污染的日渐加剧,以及排放法规的愈加严格,内燃机的发展面临着越来越严峻的挑战。柴油机的燃油经济性优于汽油机20%～30%,但其较高的氮氧化物NOx和颗粒PM排放成为制约其发展的瓶颈。因此,采取有效措施降低柴油机的有害排放并推广其应用,对改善环境污染和延缓能源危机问题具有重要的理论意义和实际价值。燃油喷射系统对柴油机的燃烧过程及排放有着直接和决定性的影响。传统的机械式燃油供给系统已无法满足越来越严格的低油耗和低排放的法规要求,电控高压共轨喷射系统的出现解决了这个问题。在欧、美、日等发动机技术先进国家,利用电控共轨系统的多次喷射功能,通过优化喷油规律来改善柴油机燃烧与排放的研究已成为热点。但由于国内引进共轨系统较晚且受生产技术的制约,这方面的详细研究还鲜有报道。本文在国Ⅲ标准柴油机的基础上,利用电控共轨燃油系统的多次喷射技术,采用数值模拟与试验研究相结合的方法,旨在从优化喷油规律方面来挖掘发动机满足更高排放标准的潜力,同时探索多次喷射对柴油机性能与排放的影响规律,为同类机型的低排放研究和开发工作提供理论依据和试验基础。为了更深入的了解共轨燃油系统的喷射特性,利用EFS共轨喷油系统试验台,对不同喷油压力、不同喷油提前角以及不同的多次喷射条件下的喷油率进行了测取与分析。通过研究发现,由于共轨系统压力稳定的特性,实现了典型的矩形喷油率形状;当喷油始点不变时,喷射压力越高,则喷油速率越大,喷油持续期越短;而在喷油压力相同时,随着喷油提前角的变化,喷油率曲线形状基本未改变,只是相当于其位置沿着x轴的横向移动。当预喷油量为定值时,随预喷间隔的变化,预喷射喷油率的位置相当于在x轴上发生横向平移;而当预喷间隔不变、预喷油量不同时,在喷油率曲线上显示为相同位置上出现峰值不同的预喷射喷油率;同预喷情况相似,后喷时的喷油率随后喷间隔的变化,其主喷射喷油率形状基本不变,只是后喷燃油的喷油率位置沿着x轴发生了横向移动;而随着后喷油量的变化,后喷燃油的喷油率表现为只是在同一位置开始但其峰值有所不同的曲线形状。电控共轨喷油系统的最大优势在于,其喷油压力和喷油定时以及喷油量相对独立而不受发动机转速和扭矩的影响,从而使得柴油机在不同运行工况下拥有最佳的喷油过程成为可能。通过调整共轨压力和喷油提前角,对排放区的B50工况点,在发动机试验台架上进行了性能与排放的测试分析。研究表明,喷油压力提高,则燃油雾化质量改善,混合气形成更均匀,从而燃烧过程更充分,致使颗粒排放减少和油耗率降低;喷油提前角增大,使得燃油更集中于上止点附近燃烧放热,燃烧过程提前结束,从而提高了做功效率,改善了燃油经济性。但同时发现,虽然采取较高喷射压力和较小喷油提前角的结合可在一定程度上降低柴油机的排放,但是面对更高要求的排放标准和法规,这样的调整显得无能为力。通过相关文献的查阅研究,决定采用共轨系统的多次喷射技术来进一步改善柴油机的排放性能,并通过对试验机型进行Pi-3.0-25预喷方案和Po-5.0-10后喷射试验探索证明了其可行性。数值模拟的出现,给现代柴油机的设计开发提供了一条崭新的途径。但与此同时,由于柴油机新技术的不断应用,使得原有的数学模型已不能完全满足模拟预测的要求。如对于碳烟模型而言,当采用共轨系统的多次喷射功能时,由于喷油模式的改变,燃烧过程也发生了变化,从而影响到碳烟的生成和氧化过程,这时原有的模型就暴露了其不足之处。基于此,本文通过搜集大量相关文献资料,经过总结提炼,并针对研究后喷射的目的,提出了一个基于平均反应率的碳烟氧化模型,综合考虑了湍流混合控制与化学反应动力学对碳烟氧化的影响作用。利用CFD软件提供的接口,通过Fortran 90编程将所提出模型进行链接,耦合其它子模型,对柴油机在预喷和后喷条件下的燃烧及排放过程进行了数值模拟,并结合发动机台架试验结果验证了模型的正确性与合理性。为了探究不同预喷条件和后喷条件对柴油机燃烧与排放的影响规律,为试验研究提供理论指导,文中利用嵌入修正碳烟模型的FIRE软件,对多种预喷和后喷方案下的柴油机燃烧及排放过程进行了数值模拟。计算结果表明;采用预喷射之后,主喷期缸内的燃油混合情况要比没有预喷时更加均匀;预喷燃油的燃烧放热缩短了主喷燃油的滞燃期,且随着预喷油量的增加或预喷间隔的减小,主喷燃油滞燃期相应更短;少量预喷燃油的燃烧能够减少主喷燃油的预混合燃烧比例,降低缸内最高燃烧温度,有利于NOx排放的改善;但是预喷射间隔和油量应充分优化,如间隔太长或油量太少,则预喷不能起到预热主喷燃油的目的,而过小的预喷间隔或过大的油量又会造成主喷射油束因卷吸过多的预喷燃烧产物而处于富油缺氧状态,燃烧性能急剧恶化,造成碳烟大量产生;对于后喷而言,少量后喷燃油的燃烧对发动机的主喷燃烧过程影响很小,但由于后喷油束的射流作用促进了缸内混合气的湍流扰动,以及后喷燃油的燃烧放热提升了缸内温度,从而提高了碳烟的氧化率,降低了其最终排放量;本文通过分析影响碳烟氧化的各种原因,认为由后喷射引起的缸内气体的湍流混合是促进碳烟氧化的一个关键因素。为了进一步分析和揭示发动机的缸内燃烧过程及排放性能,分别在不同的多次喷射条件下,通过台架试验进行了气缸压力的采集与燃烧性能的分析,同时测得了NOx与PM排放值,并对其变化规律进行了分析和探讨。研究表明,模拟计算和试验结果吻合较好,尤其是变化趋势基本一致;表明所采用的计算模型能够正确反映柴油机的实际燃烧过程。通过模拟优化结合试验研究首先得到如下结论;(1)单次喷射优化时,在不引起燃油消耗率过多增加的前提下,倾向于选用较高喷射压力和较小喷油提前角的组合,对试验机型最终选择了共轨压力65MPa、喷油提前角为1°CA BTDC的组合作为基准状态;但仅靠喷油压力与喷油提前角的调整,难以满足更高排放标准对NOx与颗粒PM排放限值的要求,因而需采用先进的多次喷射技术,包括预喷和后喷。(2)在预喷优化时,倾向于选用小的预喷油量,预喷定时的优化要结合NOx排放和燃油消耗率进行;对试验机型最终选择了1.0mg、15°CA或35°CA间隔的预喷方案;后喷优化时,在不引起燃油经济性恶化的范围内,倾向于选用大的后喷油量和短的主、后喷间隔;对试验机型最终选择了5.0mg、10°CA间隔的后喷方案。通过以上多次喷射方案可以使柴油机的排放指标进一步降低。同时,通过模拟优化和试验研究还发现了不同预喷和不同后喷对柴油机性能与排放的影响关系;(1)在预喷射条件下,当预喷油量相同时,NOx排放与预喷间隔变化成反比关系;在预喷间隔相同且小于35°CA时,NOx排放与预喷油量变化成正比关系,而当预喷间隔大于35°CA时则恰好相反;碳烟排放的变化趋势与NOx排放变化相类似,唯一的区别是间隔35°CA前后的变化规律是一致的。(2)在后喷射条件下,当后喷间隔相同时,NOx排放与后喷油量变化成反比关系;当后喷油量相同时,NOx排放与后喷间隔也成反比关系;对于碳烟排放而言,当后喷间隔相同时,碳烟排放变化趋势与NOx排放变化相似,而当后喷油量相同时,碳烟排放随着后喷间隔的增大先增大后减小。但过大或过远的后喷会带来油耗率增加和排温上升问题,因此后喷油量和后喷间隔需要严格调整和仔细优化。综上所述,本文通过对一台直喷式柴油机进行多次喷射方案的模拟优化和试验研究,有效的改善了发动机的性能与排放,取得了较为理想的效果。数值模拟和试验结果有着较好的吻合,该数值模拟方法可以用于指导柴油机进一步的低排放研究与优化工作。本文的研究成果为继续提高柴油机性能与改善污染物排放及今后的深入研究、推广工作奠定了理论和试验基础。

全文目录

摘要  13-17
ABSTRACT  17-23
符号说明  23-24
第1章绪论  24-39
  1.1 引言  24-26
    1.1.1 能源问题  24-25
    1.1.2 环境问题  25
    1.1.3 排放法规  25-26
  1.2 柴油机的发展及所面临的问题  26-29
    1.2.1 柴油机的燃烧及主要排放物  26-28
    1.2.2 柴油机排放控制的难点  28-29
  1.3 燃油喷射技术的国内外研究现状  29-34
    1.3.1 电控燃油喷射系统的发展  29-31
    1.3.2 燃油喷射参数的优化控制  31-34
  1.4 柴油机数值模拟技术的研究现状  34-37
    1.4.1 内燃机数值模型的分类  34-35
    1.4.2 柴油机数值模拟的发展现状  35-36
    1.4.3 数值模拟存在的不足及发展方向  36-37
  1.5 课题的提出及主要研究内容  37-39
第2章柴油机性能与排放试验的初步分析  39-57
  2.1 引言  39
  2.2 试验设备及试验方法  39-41
  2.3 试验标准与试验方案  41-42
  2.4 喷油规律的试验测定  42-45
    2.4.1 共轨喷油试验系统  42-43
    2.4.2 喷油速率的测取与分析  43-45
  2.5 喷油压力与提前角对性能及排放的影响分析  45-50
    2.5.1 热力学分析  45-48
    2.5.2 排放性能分析  48-50
  2.6 多次喷射改善排放的依据与试验探究  50-55
    2.6.1 多次喷射改善排放的典型范例  50-53
    2.6.2 多次喷射的试验与结果分析  53-55
  2.7 本章小结  55-57
第3章碳烟模型的提出及试验验证  57-78
  3.1 引言  57
  3.2 数学模型  57-66
    3.2.1 气体流动模型  57-59
    3.2.2 喷雾雾化模型  59-61
    3.2.3 自燃着火模型  61-62
    3.2.4 湍流燃烧模型  62-63
    3.2.5 排放数学模型  63-66
  3.3 计算区域网格生成  66-69
    3.3.1 几何模型的建立  67
    3.3.2 网格的划分  67-69
  3.4 计算条件的设定  69
  3.5 计算模型的试验验证  69-70
  3.6 排放计算结果与试验的对比  70-71
  3.7 碳烟模型的提出与验证  71-77
    3.7.1 碳烟的生成机理  71-73
    3.7.2 碳烟模型的提出  73-74
    3.7.3 输运方程的求解  74-75
    3.7.4 模型的数值实现  75-76
    3.7.5 模型的计算对比  76-77
    3.7.6 模型的试验验证  77
  3.8 本章小结  77-78
第4章多次喷射影响燃烧与排放的数值模拟  78-102
  4.1 引言  78
  4.2 计算条件与方案的确定  78-79
  4.3 预喷射影响燃烧过程的数值分析  79-94
    4.3.1 预喷射混合气的形成  79-82
    4.3.2 预喷对主喷滞燃期的影响  82-83
    4.3.3 缸内燃烧结果分析  83-90
    4.3.4 热力学分析  90-91
    4.3.5 排放性能预测  91-94
  4.4 后喷射对燃烧及排放影响的数值分析  94-101
    4.4.1 缸内燃烧结果分析  94-98
    4.4.2 热力学分析  98-99
    4.4.3 碳烟排放预测结果  99-101
  4.5 本章小结  101-102
第5章多次喷射影响燃烧及排放的试验研究  102-125
  5.1 引言  102
  5.2 柴油机的滞燃期及影响因素  102-103
  5.3 多次喷射的喷油率测取与分析  103-106
    5.3.1 预喷射的喷油率测取与分析  104-105
    5.3.2 后喷射的喷油率测取与分析  105-106
  5.4 预喷射对燃烧与排放影响的试验分析  106-115
    5.4.1 有无预喷射对性能的影响分析  106-107
    5.4.2 预喷射对性能参数的影响分析  107-111
    5.4.3 预喷射对排放性能影响的分析  111-115
  5.5 后喷射对燃烧过程影响的试验分析  115-123
    5.5.1 后喷射影响性能参数的试验分析  116-118
    5.5.2 后喷射影响排放性能的试验分析  118-123
  5.6 本章小结  123-125
第6章全文总结与工作展望  125-129
  6.1 全文总结  125-127
  6.2 主要创新点  127-128
  6.3 工作展望  128-129
参考文献  129-137
致谢  137-138
攻读博士学位期间发表或已被录用的学术论文  138-139
学位论文评阅及答辩情况表  139-140
ENGLISH DISSERTATION  140-165
  Paper I.Numerical Simulation and Experimental Study of Mixture Formation and Combustion Process in a DI Diesel Engine  140-152
  Paper II.DI Diesel Engine Combustion Process Modeling Based on ECFM-3Z Model  152-165

喷油规律对柴油机性能与排放的影响研究

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