（車輛工程專業(yè)論文）直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室形狀和噴射規(guī)律研究.pdf

西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室形狀和噴射規(guī)律研究 車輛工程 研究生：許正偉指導(dǎo)老師：彭憶強(qiáng) 摘要：由于柴油機(jī)具有高效、節(jié)能以及大轉(zhuǎn)矩輸出的特點(diǎn)，汽車開始越來越多 地以柴油機(jī)為動(dòng)力。研究直噴柴油機(jī)的混合氣形成和燃燒過程，對(duì)提高其動(dòng)力 性和經(jīng)濟(jì)性，降低污染物排放具有重要的意義。對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒過程的研究除采 用傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法外，進(jìn)行建立在試驗(yàn)基礎(chǔ)上的燃燒過程數(shù)值模擬，也是一項(xiàng) 強(qiáng)有力的措施。本文利用a v l 公司的f i r e 軟件對(duì)國(guó)產(chǎn)c a 6 d e l 2 1 重型車用 柴油機(jī)的混合氣形成及燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬：著重分析發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中 缸內(nèi)速度場(chǎng)、湍流動(dòng)能、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)和排放物n o 的分布規(guī)律，研究燃燒 室形狀與噴射規(guī)律等因素對(duì)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響規(guī)律。論文涉及的工作如下： 通過對(duì)i 型和i i 型燃燒室缸內(nèi)氣體流動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行分析，得到凸臺(tái)形狀對(duì)燃燒 室內(nèi)氣體流動(dòng)的影響規(guī)律；通過對(duì)直口型和縮口型燃燒室氣體流動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行 分析，表明縮口型燃燒室有利于形成強(qiáng)度較大的渦流，同時(shí)氣體流動(dòng)性保持 較好，有利于后期燃燒擴(kuò)散，降低排放；而直口型的優(yōu)點(diǎn)在于燃燒初期火焰 向缸內(nèi)擴(kuò)散較好。同時(shí)分析三種燃燒室缸內(nèi)流場(chǎng)、湍流動(dòng)能場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃 度場(chǎng)和n o 生成的變化規(guī)律。 以縮口i 型燃燒室為模型，選擇單次噴射和預(yù)噴射兩種不同的噴射規(guī)律進(jìn) 行分析。結(jié)果表明：預(yù)噴射和單次噴射相比，由于提前預(yù)熱作用，使主噴期 縮短，缸內(nèi)溫度降低，n o 生成量減少。 進(jìn)行燃燒室結(jié)構(gòu)和噴射規(guī)律的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使混合氣形成和燃燒過程達(dá)到最優(yōu) 狀態(tài)；使缸內(nèi)溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布均勻，燃燒排放物水平相對(duì)較低。結(jié)果表 明：優(yōu)化設(shè)計(jì)燃燒室形狀和噴射規(guī)律可以明顯改善直噴柴油機(jī)的燃燒和排放 性能。 關(guān)鍵詞：直噴柴油機(jī)燃燒室形狀噴射規(guī)律燃燒數(shù)值模擬 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 s t u d yo nc o m b u s t i o nc h a m b e rs h a p e a n d i n j e c t i o n l a wf o rd i r e c ti n je c t i o nd i e s e le n g i n e a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：x uz h e n g w e it u t o r - p e n gy i q i a n g a b s t r a c t ：b e c a u s eo fi t sg o o dp e r f o r m a n c e s ，m o r ea n dm o r ed i e s e le n g i n e sa r eu s e d i 1 1 a l lk i n d so f v e h i c l e s i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h ed i r e c t - i n j e c t i o nd i e s e le n g i n e c o m b u s t i o np r o c e s sf o ri n c r e a s i n gt h ee n g i n e sp o w e ra n dd e c r e a s i n gt h ep o l l u t a n t e m i s s i o n s i na d d i t i o nt ot e s tm e t h o d s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ec o m b u s t i o n p r o c e s si sa l s oag o o dm e t h o df o ri n v e s t i g a t i n gt h e p r o c e s s i nt h i sp a p e r ，a v l s f i r es o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t i o nf o rv e h i c l ed i e s e le n g i n ec a 6 d e1 - 21 w o r k f o c u s e so nt h ep r o c e s so fe n g i n ec y l i n d e r , d r a wi n f l u e n c el a wo fd i r e c t - i n j e c t i o n e n g i n e ，s u c ha sc o m b u s t i o nc h a m b e ra n di n j e c t i o nl a w t h ew o r kd e s c r i b e di nt h i s t h e s i si n c l u d e s ： t oa n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fg a sf l o wi nc y l i n d e ro ft y p e ia n dt y p e i ic o m b u s t i o nc h a m b e r ，t h ee f f e c to ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e rs h a p et ot h eg a s f l o wi sg o t t h r o u g ha n a l y z i n g 謝t l lc h a r a c t e r i s t i co fg a sf l o w i n gi nc o m b u s t i o n c h a m b e ra b o u ts t r a i g h ta n dn e c k i n gm o u t ht y p e ，i ti ss h o w nt h a tt h ec o m b u s t i o n c h a m b e rn e c k i n g - t y p ei sc o n d u c i v et ot h ef o r m a t i o no fl a r g ev o r t e xs t r e n g t h , w h i l ec o n d u c i v et ot h es p r e a do fp o s t - c o m b u s t i o na n dr e d u c ee m i s s i o n s t h e a d v a n t a g eo ft h es t r a i g h tm o u t ht y p el i e s i nb u r n i n gt h ei n i t i a lf l a m ea n d s p r e a d i n gb e t t e r ( 墓) w i t ht h ec oc o m b u s t i o nc h a m b e ro fn e c k i n git y p ea st h em o d e l ，t w ok i n d so f d i f f e r e n tl a w so fs i n g l ei n j e c t i o na n dp r e i n j e c t i o ns p r a y i n ga r ec h o s e nf o r a n a l y z i n g t h er e s u l t ss h o wt h a t ：c o m p a r e dw i t hs i n g l ei n j e c t i o n , t h ep r e i n j e c t i o n c a ns h o r t e nt h ew a r n l u pt i m e ，s ot h a tt h em a i ns p r a y i n gp e r i o di ss h o r t e n e dt o r e d u c et e m p e r a t u r ea n dn o g e n e r a t e di nc y l i n d e r i no r d e rt oo p t i m i z et h et h ec o m b u s t i o np r o c e s s ，a n dm a k em i x t u r ef o r m a t i o n , t h e 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 s t r u c t u r eo fc o m b u s t i o nc h a m b e ra n ds p r a yl a wa r en e wd e s i g n e dt or e a c ht h e o p t i m u ms t a t e ，s ot h a tt h el e v e lo fc o m b u s t i o ne m i s s i o n si sr e l a t i v e l yl o w s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t , o p t i m a ld e s i g no ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e rs h a p e a n di 坷e c f i o nl a wc a l lb es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dd i r e c ti n j e c t i o nd i e s e le n g i n e c o m b u s t i o na n de m i s s i o n sp e r f o r m a n c e k e y w o r d ：d i r e c t - i n j e c t i o nd i e s e le n g i n e ，c o m b u s t i o nc h a m b e rs h a p e ，i n j e c t i o nl a w ， c o m b u s t i o n , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作取得的 研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包括其它人已經(jīng) 發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包括為獲得西華大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位論文 或證書使用過的材料。與我一起工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論 文中作了明確的說明并表示謝意。 本學(xué)位論文成果是本人在西華大學(xué)讀書期間在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的，論文 成果歸西華大學(xué)所有，特此聲明! 作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 7 1 明鉆旯汐b 乍叮月少日 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 西華大學(xué) 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校 保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和 借閱，西華大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可 以采用影印、縮印或掃描等復(fù)印手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 1 、保密口，穆年解密后適用本授權(quán)書； 2 、不保密匭適用本授權(quán)書。 ( 請(qǐng)?jiān)谝陨峡趦?nèi)劃) 學(xué)位論文作警名：推蹄 日期：州哆卜2 , o 指導(dǎo)教師簽名：卅呼巧中 日期：沙7 。明，= 滬 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 l 緒論 自1 8 9 7 年柴油機(jī)在德國(guó)m a n 公司運(yùn)轉(zhuǎn)以來，已經(jīng)有1 0 0 多年了。與汽油 機(jī)相比，柴油機(jī)存在諸多顯著的特點(diǎn)：其可靠性好，不會(huì)產(chǎn)生早燃、爆燃等不 正常燃燒；有更好的經(jīng)濟(jì)性，汽油機(jī)的熱效率一般為2 0 - - , 3 0 ，而柴油機(jī)的 熱效率可達(dá)3 0 , - - 4 0 ，是當(dāng)今熱效率最高的動(dòng)力機(jī)械之一【1 1 ；有害排放物總 體比汽油機(jī)低，先進(jìn)的柴油機(jī)即使不采用任何機(jī)外后處理措施，其有害氣體的 排放量也可以達(dá)到帶有三元催化反應(yīng)器并采用閉環(huán)控制系統(tǒng)的汽油機(jī)的排放指 標(biāo)。由于柴油機(jī)具有以上特點(diǎn)，己被廣泛應(yīng)用于交通、工程機(jī)械，礦山機(jī)械和 農(nóng)用機(jī)械等領(lǐng)域。目前歐美等國(guó)在重型和中型載重汽車上，己采用高效率的直 噴式柴油機(jī)，我國(guó)的車用內(nèi)燃機(jī)也逐漸向著柴油機(jī)化這一趨勢(shì)發(fā)展。 柴油機(jī)因其較低的燃油消耗率和較高的熱效率，在車用發(fā)動(dòng)機(jī)方面得到了 越來越多的應(yīng)用。然而隨著柴油機(jī)保有量的增加，其大量使用還是給人類的生 存環(huán)境、資源等帶來了一些嚴(yán)重的問題【2 ，3 1 ，體現(xiàn)在如下兩方面： 能源短缺：發(fā)動(dòng)機(jī)主要燃用石油，而石油是一種無法短期再生的資源，按 照目前的消耗率，地球上的石油燃料在今后幾十年內(nèi)可能會(huì)消耗殆盡，使得全 球范圍內(nèi)的能源危機(jī)問題日益突出。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗在世界能源消耗中占有 很大的比重，所以降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗一直是各國(guó)關(guān)注的重點(diǎn)。歐洲7 5 k w 以下不 同類型轎車發(fā)動(dòng)機(jī)每百公里油耗的統(tǒng)計(jì)表明，采用直噴式柴油機(jī)后，油耗比汽 油機(jī)下降約3 5 , 4 0 ，直噴式增壓中冷柴油機(jī)的油耗又進(jìn)一步比非增壓直噴式 柴油機(jī)下降了約1 5 。 環(huán)境污染：發(fā)動(dòng)機(jī)排放物主要成分包括：二氧化碳( c 0 2 ) 、水蒸氣( h 2 0 ) 、 過量空氣、殘余氮?dú)? n 2 ) 及不完全燃燒產(chǎn)物和有害的氧化物如一氧化碳( c o ) 、 未燃碳?xì)? c h ) 、氮氧化合物( n o x ) 、二氧化硫( s 0 2 ) 、微粒等。對(duì)柴油機(jī)而 言，燃燒系統(tǒng)的不斷完善，已經(jīng)使c o 和h c 的排放指標(biāo)比較容易達(dá)到，其主 要有害排放物是n o x 和顆粒。氮氧化合物( n o x ) 除與h c 作用生成光化學(xué)煙 霧外，還會(huì)引起人的呼吸系統(tǒng)、肝臟等疾?。晃⒘ m 對(duì)人體的健康危害與p m 大小及組成有關(guān)。p m 越小，停滯于人體肺部支氣管的概率越高，對(duì)人體的危 害也越大，其中o 1 - 4 ) 5 p m 的p m 對(duì)人體危害最大 4 - 9 。 由于排氣對(duì)環(huán)境及人體的危害性，各國(guó)相繼制定了嚴(yán)格的排放法規(guī)。 晴華大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 國(guó)內(nèi)外排放法規(guī)的發(fā)展 車用柴油機(jī)的排放以c o 、h c 、n o x 和微粒物為主。近些年來，由于溫室 效應(yīng)引起全球變暖的問題，c 0 2 的排放量也受到越來越廣泛的重視，并被一些 發(fā)達(dá)國(guó)家寫入了法規(guī)。迄今為止，全球的車用柴油機(jī)排放法規(guī)主要以美國(guó)、歐 洲和日本為主。其中最為嚴(yán)格的當(dāng)數(shù)美國(guó)加卅地區(qū)的限制法規(guī)。 我國(guó)國(guó)家環(huán)保總局于1 9 9 9 年1 月率先在北京、7 月在上海實(shí)施相當(dāng)于歐i 的排放標(biāo)準(zhǔn)，從2 0 0 0 年開始，在全國(guó)范圍內(nèi)開始實(shí)施歐i 。2 0 0 5 年開始實(shí)施歐 i i ，以2 0 1 0 年與國(guó)際水平接軌為最終目標(biāo)。2 0 0 1 年又重新頒布實(shí)行了新的 g b l 7 6 9 1 - - 2 0 0 1 標(biāo)準(zhǔn)，其中對(duì)氣態(tài)和微粒污染物排放限值規(guī)定越來越嚴(yán)格【l “。 l _ 1 1 國(guó)外排放法規(guī)的發(fā)展 目前，世界上實(shí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)主要有美國(guó)、歐洲和日本三大體系，而其中 美國(guó)和歐洲的排放體系為各國(guó)廣泛引用，中國(guó)采用的是歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)體系】。 2 0 世紀(jì)7 0 8 0 年代歐洲汽車的排放標(biāo)準(zhǔn)足比較寬松的。1 9 9 3 年歐洲聯(lián)盟 開始實(shí)施相對(duì)嚴(yán)格的排放法規(guī)e c er8 3 0 l ，即e u r oi 法規(guī)，或稱m v e g l 。 該法規(guī)是對(duì)原e c er8 3 0 0 法規(guī)的修訂。其后對(duì)e c er 8 3 0 0 又進(jìn)行了兩次修 訂。e c e r8 3 0 3 即e u r o l l 法規(guī)，對(duì)柴油車h c + n o x 排放的限值降低為e u r o i 的7 1 9 1 ，p m 排放的限值更是比e u r oi 降低了將近一半。m v e g 3 ( e u r o i i i ) 對(duì)c o 、h c + n o x 和p m 的限值又降低到了e u r o i i 的9 6 以下，其中p m 的限值變化最大，接近6 0 。而m v e g 4 ( e u r o i v ) 規(guī)定各污染物要在e u r o l i i 限值的基礎(chǔ)上再減少5 0 左右，如圖1 - 1 所示。 3 2 5 2 15 1 0 ； 0 _ 置l h k l 瞳_ i e x h a u s te m i s s i o nr e g u l 舭i o n so f m l - t y p ed i e s e lc a r sa n dl l 曲tg o o d sv e h i c l e s ( w e i g l iu n d e r 2 5 0 0k g ) 圖1 1m 1 類柴油機(jī)轎車與輕型貨車排放法規(guī)( 重量不超過2 5 0 0k g ) 2 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 機(jī)動(dòng)車排放歐洲標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)持續(xù)發(fā)展的體系，1 9 9 2 年前在歐洲已實(shí)施若 干階段。從1 9 9 2 年起，歐洲開始實(shí)施歐i ( 歐i 型式認(rèn)證排放限值) ：1 9 9 6 年 起開始實(shí)施歐i i ( 歐i i 型式認(rèn)證和生產(chǎn)一致性排放限值) ；2 0 0 0 年起開始實(shí)施 歐1 1 1 ( 歐i i i 型式認(rèn)證和生產(chǎn)一致性排放限值) ；2 0 0 5 年起開始實(shí)施歐i v ( 歐 型式認(rèn)證和生產(chǎn)一致性排放限值) ：而歐洲議會(huì)和歐盟成員國(guó)部長(zhǎng)會(huì)議已經(jīng)討論 通過了最新的重型柴油車歐v 標(biāo)準(zhǔn)，并于2 0 0 8 年年中開始實(shí)施。標(biāo)號(hào)越高， 排放水平要求越嚴(yán)。圖i - 2 表示歐洲柴油轎車排放標(biāo)準(zhǔn)i l 。 。盥娑崔黜蕊2 想磐氅斃鎏。 f 口r o t _ 1 h 憎 f i 9 1 - 2 e x h a u s te m i s s i o n r e g u l a t i o n s i n t l e e l i f o r d i e s e l p a s s e n g e rc a 圖1 - 2 歐洲柴油轎車排放標(biāo)準(zhǔn) 美國(guó)輕型車排放測(cè)試用1 9 7 5 年頒布的美國(guó)城市標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試循環(huán)f t p 一7 5 ，從 1 9 7 4 年起用十三工況法測(cè)試重型車用柴油機(jī)的排放，1 9 8 4 年起改為瞬態(tài)法。由 于日本沿襲美國(guó)的測(cè)試方法，從發(fā)展的角度來看，日本在中長(zhǎng)期法規(guī)中采取瞬 態(tài)測(cè)試方法。目前，歐洲、美國(guó)和日本這三個(gè)法規(guī)體系的總體趨勢(shì)為到2 0 1 0 年，將柴油機(jī)的氣體排放量和微粒排放量控制在接近零排放的水平。從總體上 看，三個(gè)法規(guī)體系的發(fā)展趨于一致【l “，如表1 - 1 、1 - 2 所示。 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 表l 一1 美國(guó)重型車用柴油機(jī)排放法規(guī) 【g 時(shí)1 p i e p ae r m r 。n m e 喲i p r 刪o n 日e n c yc 啪。c a l m m 甜r e u m e b o a r d l 【e r n a ef u ev e h l c l e 表1 2 歐洲重型車用柴油機(jī)排放法規(guī) i m l 譬警 z s c ”e t c ”e 虻 e t c 9 l l h _ 蹦d - m _ i 【肭 i-i i a w j ir 刪- 2 0 0 5瑚l 3 520 00 200020 0 3 h c 黑爿1 1廣t ro “h 為一”6 _ 晉叫 154 0l540 舊囂燃黢：繇蕊裟。動(dòng)機(jī) i ”g 目十氣悻發(fā)動(dòng)扒 i n us i n e u 總結(jié)控制柴油車排放的歷史，其特征可歸納為前松后緊。從開始控制汽車 排放的1 9 7 0 年至1 9 8 9 年，近2 0 年的時(shí)間里，限值都比較寬松。進(jìn)入9 0 年代， 隨著環(huán)境問題日益突出，汽車排放越來越引起人們的重視，對(duì)汽車排放的控制 越來越嚴(yán)格，柴油車排放的要求也隨之提高，如圖1 3 所示。 f i gl d e v e l o p m e n tt r e n do f e x h a u s te m i s s i o nr e g u l a t i o n si ne u ，u sa n dj a p a n 圖l 一3 歐洲、美國(guó)和日本排放法規(guī)的發(fā)展趨勢(shì) 4 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 2 國(guó)內(nèi)瑚 放法規(guī) 同發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)機(jī)動(dòng)車排放法規(guī)實(shí)施起步較晚。我國(guó)于1 9 8 3 年開始 陸續(xù)頒布汽車排放標(biāo)準(zhǔn)，1 9 9 4 年5 月開始實(shí)施，1 9 9 9 年開始了新一輪的排放標(biāo) 準(zhǔn)修訂工作，柴油機(jī)工況法排放( 包括微粒排放控制) 標(biāo)準(zhǔn)也已于1 9 9 9 年頒布。 歐洲法規(guī)在道理交通情況、標(biāo)準(zhǔn)的適度性等方面相對(duì)較適合于我國(guó)的實(shí)際 情況。在充分吸收歐美的經(jīng)驗(yàn)后，我國(guó)確定以歐洲的汽車法規(guī)為藍(lán)本，全面等 效地采用了歐盟指令、e c e 技術(shù)內(nèi)容和部分歐共體法規(guī)的基礎(chǔ)上，形成了中國(guó) 排放法規(guī)體系。從2 0 0 0 年起開始實(shí)行歐i 標(biāo)準(zhǔn)( 歐洲1 9 9 2 年實(shí)行) ，2 0 0 4 年 開始實(shí)行歐i i 標(biāo)準(zhǔn)( 歐洲1 9 9 5 年實(shí)行) ，2 0 0 8 年實(shí)行歐標(biāo)準(zhǔn)( 歐洲2 0 0 0 年 實(shí)行) ，2 0 1 0 年將與國(guó)際同步。目前已頒布多項(xiàng)汽油車、柴油車排放限值和測(cè) 量方法標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)是在參考?xì)W洲、美國(guó)和日本的排放法規(guī)基礎(chǔ)上制訂的。 我國(guó)頒布的法規(guī)中，控制輕型汽車的排放標(biāo)準(zhǔn)g b l 8 3 5 2 1 2 0 0 1 ，其排放限值和 測(cè)試方法相當(dāng)于歐洲2 0 世紀(jì)9 0 年代初實(shí)施的輕型汽車歐i 標(biāo)準(zhǔn)， g b l 8 3 5 2 2 2 0 0 1 相當(dāng)于歐洲2 0 世紀(jì)9 0 年代中期實(shí)施的輕型汽車歐i i 標(biāo)準(zhǔn)。控 制重型汽車的排放標(biāo)準(zhǔn)g b l 7 6 9 1 2 0 0 1 ，其排放限值和測(cè)試方法相當(dāng)于歐洲發(fā)布 實(shí)施的重型汽車歐i 和歐i i 標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)對(duì)于汽車排放的控制計(jì)劃是到2 0 1 0 年與 國(guó)際排放標(biāo)準(zhǔn)接軌【1 5 】。 表1 3 中國(guó)車用柴油機(jī)排放限值 實(shí)施實(shí)施氧化碳碳氯化合物 氦氧化物蹶聿電物伊m ， 霸度 階段日期( a 羽q 水0 x ，1 5 k w 衢聃v m j l2 0 9 14 51 】s i o0 ，6 1o 3 6 22 0 0 3 9 ，i4 o1 17 oo 1 5n 1 5 32 0 0 7 1 12 ，l0 6 6 5 oo 1 0nj ，”o 名 42 0 l o 1 11 50 4 6 3 5o mo 5 52 0 1 2i 11 50 4 6 2 oo j 0 20 j 1 2 現(xiàn)代柴油機(jī)機(jī)節(jié)能與減排技術(shù) 機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)體系建立及實(shí)施的最終目的是：通過改進(jìn)機(jī)動(dòng)車排放控制 技術(shù)來促進(jìn)機(jī)動(dòng)車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，減少空氣污染和保護(hù)人體健康。歐美日 5 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了低排放，并向零排放的目標(biāo)邁進(jìn)。我國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)體系建 立相對(duì)滯后，從各國(guó)排放法規(guī)的實(shí)施可以看出：我國(guó)在汽車排放控制技術(shù)方面 相對(duì)歐洲水平落1 0 多年。因此了解和掌握國(guó)外先進(jìn)的排放控制技術(shù)、研究適合 于我國(guó)現(xiàn)狀的車用發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制技術(shù)是很有必要的【1 6 1 。 為適應(yīng)不斷提高的節(jié)能和降低排放的要求，世界各國(guó)已開發(fā)應(yīng)用許多車用 柴油機(jī)排放和節(jié)能控制技術(shù)措施，歸納起來主要有：機(jī)內(nèi)措施和后處理措施。 車用柴油機(jī)的排放控制措施主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1 電子控制技術(shù) 電子控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)車用柴油機(jī)全工況范圍性能最優(yōu)化的重要手段，目前 已可實(shí)現(xiàn)電控噴油、電控管理、電控廢氣再循環(huán)等全電控系統(tǒng)【1 7 2 3 1 。 2 采用廢氣再循環(huán)( e g r ) 實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)可降低n o x ，但不利于燃油經(jīng)濟(jì)性，若能實(shí)現(xiàn)e g r 冷卻 與電控，則有利于改善綜合性能【砒刀。 3 渦流增壓中冷技術(shù) 柴油機(jī)氣缸內(nèi)能燃燒的燃料量取決于氣缸的充氣量，為此車用柴油機(jī)上廣 泛采用了渦輪增壓與中冷技術(shù)，從而大大提高柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性 2 8 , - 3 n 。 4 排氣后處理技術(shù) 柴油車排氣凈化后處理技術(shù)主要有過濾捕集法和催化轉(zhuǎn)化法 3 2 - 3 5 1 。 柴油機(jī)排放的特點(diǎn)是：h c 和c o 的排放量相對(duì)較少，s o x 的排放量取決 于燃油本身的含硫量，而固體顆粒物( p m ) 和n o x 是排放污染物的重點(diǎn)。根 據(jù)以上特點(diǎn)，控制柴油機(jī)排放污染的方法主要分為機(jī)前處理( 燃料的改質(zhì)) 、機(jī) 內(nèi)( 凈化) 控制以及機(jī)后處理( 尾氣催化控制) 三種方式。 機(jī)前處理是指在燃料與空氣進(jìn)入氣缸燃燒前進(jìn)行的處理。目前使用的方法 有降低燃油的含硫量，控制十六烷值的范圍，使用添加劑和選用代用燃料。 機(jī)后處理是利用各種濾清凈化裝置和催化轉(zhuǎn)化器，對(duì)排氣系統(tǒng)內(nèi)的廢氣進(jìn) 行最后的處理，以進(jìn)一步降低有害物的排放量，是機(jī)前處理和機(jī)內(nèi)控制方法的 重要補(bǔ)充?，F(xiàn)已使用的有氧化催化轉(zhuǎn)化器、顆粒捕捉器( d p f ) 及其再生技術(shù) 和等離子技術(shù)。 本文主要研究對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行機(jī)內(nèi)控制，而柴油機(jī)機(jī)內(nèi)控制的實(shí)質(zhì)是對(duì)其燃 6 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 燒過程進(jìn)行優(yōu)化，涉及到燃燒室結(jié)構(gòu)的研究。 柴油機(jī)燃燒室的形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)柴油機(jī)的燃燒及污染物的生成有重要 的影響。改進(jìn)燃燒室結(jié)構(gòu)是優(yōu)化燃燒系統(tǒng)工作過程的基礎(chǔ)，也是排放控制技術(shù) 應(yīng)用的基礎(chǔ)。同時(shí)，燃燒室結(jié)構(gòu)與n o x 的排放有著密切關(guān)系。 研究表明，直噴式柴油機(jī)n o x 排放明顯優(yōu)于非直噴式柴油機(jī)，這是因?yàn)榉?直噴式柴油機(jī)前期的燃燒發(fā)生在混合氣過濃的預(yù)燃室或渦流室里，由于缺氧使 n 0 x 的生成受到了抑制；另外，在主燃燒室中的燃燒開始較晚，且是在較低溫 度下進(jìn)行的，故n o x 的生成量較少。對(duì)于相同類型但結(jié)構(gòu)不完全相同的燃燒室， 其燃燒過程和n o x 的排放有差異。在改進(jìn)燃燒系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意使燃燒室、進(jìn)氣 渦流及噴油方式相互匹配，使燃燒室內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)和油束協(xié)調(diào)匹配，這樣可以 促使混合氣的生成，改善燃燒，從而減少尾氣中污染物的排放。除了上述的改 進(jìn)燃燒室結(jié)構(gòu)的方法，改變噴射規(guī)律，采用預(yù)噴射方式等都是很有效的排放控 制措施。 柴油機(jī)本身的熱效率很高，但是柴油機(jī)的排放控制還有進(jìn)一步提高的余地。 實(shí)踐證明，柴油機(jī)燃燒過程及有害排放物的生成機(jī)理是極復(fù)雜的，這就決定了 有害物質(zhì)排放控制的難度。減少柴油機(jī)排放污染的關(guān)鍵在于降低p m 和n o x 的 排放量。而p m 和n o x 的生成條件是相互矛盾和制約的，比如利用提高火焰溫 度、強(qiáng)化燃燒使p m 減少的方法正是n 0 x 產(chǎn)生的基本條件。因此要滿足日益嚴(yán) 格的排放法規(guī)，必須把現(xiàn)有被證明是有效的技術(shù)合理地優(yōu)化組合，需要將使用 低硫燃料及代用燃料、優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)、有效組織燃燒室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)、使用 電控高壓燃油噴射、促進(jìn)噴霧的微粒化等各種方法有機(jī)組合和綜合利用，以達(dá) 到減少排放、降低污染的目的。 綜上所述，隨著我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)政策的改變，清潔型柴油機(jī)將得到越來越廣 泛的應(yīng)用。但是如何做到“清潔 ，如何使柴油機(jī)的排放符合現(xiàn)行的和未來的排 放法規(guī)，將是我們面臨的亟待解決的問題。 1 3 直噴柴油機(jī)的發(fā)展過程 車用柴油機(jī)最早采用分離式燃燒室發(fā)動(dòng)機(jī)。在噴油壓力較低的情況下，為 使燃油和空氣充分地混合，采用分離式燃燒室是很有必要的，特別是對(duì)要達(dá)到 7 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 高轉(zhuǎn)速和提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率來說，燃油與空氣必須充分地混合。但是，這種分離 式燃燒室發(fā)動(dòng)機(jī)的效率不高，且相應(yīng)的燃油消耗也不佳，因?yàn)榭諝饬魅敕蛛x式 燃燒室和隨后灼熱的燃?xì)鈴娜紵覈姵鰟?shì)必產(chǎn)生流動(dòng)損失和壁部熱損失。如果 采用直接噴射就可以避免上述的損失，此時(shí)，需要較高的噴油壓力以形成良好 的混合氣。直噴柴油機(jī)的燃油消耗可比分離式燃燒室發(fā)動(dòng)機(jī)降低1 5 一2 0 ， 直到1 9 5 0 年以后，直噴方式才得以在柴油機(jī)上實(shí)現(xiàn)。從此在載重汽車領(lǐng)域內(nèi)直 噴式發(fā)動(dòng)機(jī)逐步取代了分離式燃燒室發(fā)動(dòng)機(jī)。 石油危機(jī)推動(dòng)了直噴式柴油機(jī)在轎車上的使用。美國(guó)加利福尼亞州率先要 求載重柴油汽車降低排放，并在這個(gè)方面擁有大量的新技術(shù)。為了降低油耗和 廢氣排放，就要將載重汽車柴油機(jī)所用的燃燒方法轉(zhuǎn)用到轎車柴油機(jī)上。隨后 轎車柴油機(jī)的發(fā)展又遇到了新的問題，如需要提高功率、擴(kuò)大轉(zhuǎn)速范圍、降低 燃燒噪聲、減少h c 和n o x 排放、消除排氣臭味和刺激作用。同時(shí)對(duì)缸內(nèi)擠流 的方式、匹配的燃油壓力和噴油系統(tǒng)等問題還需要進(jìn)一步的研究。因此，a v l 的創(chuàng)辦人h a n sl i s t 教授于1 9 7 4 年開始，制訂轎車直噴式柴油機(jī)開發(fā)的研究規(guī) 劃。通過試驗(yàn)和采用新的設(shè)計(jì)方案，最后制成了樣機(jī)。這些研究工作的成果最 后都在現(xiàn)代直噴式轎車柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)準(zhǔn)則及關(guān)鍵技術(shù)中有所體現(xiàn)。其關(guān)鍵 技術(shù)主要由噴油系統(tǒng)、燃燒方式、增壓中冷、廢氣再循環(huán)和氧化催化等部分組 成。其中燃燒方法的主要目的是所有轉(zhuǎn)速范圍均能實(shí)現(xiàn)有效和清潔的燃燒。由 于當(dāng)時(shí)沒有高壓噴射，混合氣的形成主要靠在壓縮過程中燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的擠流 來促進(jìn)其生成。 直噴柴油機(jī)燃燒方法的主要特點(diǎn)是：進(jìn)氣道的流阻較小，便于產(chǎn)生擠流； 離活塞頂上的縮口型燃燒室能使燃油與空氣良好的混合，燃燒持續(xù)時(shí)間短，排 放物少；可以對(duì)噴油嘴噴出的油束數(shù)量及其在燃燒室中噴射方向進(jìn)行合理選擇， 是采用直接噴油系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一。 而對(duì)上述所有要素進(jìn)行合理的匹配是開發(fā)燃燒方法的一大挑戰(zhàn)。由于影響 因素繁多，此項(xiàng)工作至今仍需要花費(fèi)大量時(shí)間。在這些因素之中，著重強(qiáng)調(diào)的 是燃燒室的設(shè)計(jì)。燃燒室的設(shè)計(jì)應(yīng)能使每次產(chǎn)生的擠流水平持久地保持，對(duì)各 種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)要分別予以確定。a v l 用高速攝影法以及借助燃燒室中流動(dòng)情 況的三維模擬對(duì)燃燒室內(nèi)的流動(dòng)所作了深入的研究，結(jié)果表明，優(yōu)良的燃燒室 8 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 形狀可使空氣在燃燒室中長(zhǎng)時(shí)間保持旋轉(zhuǎn)，直到膨脹沖程時(shí)仍在旋轉(zhuǎn)。這非常 有助于燃油束和空氣良好地混合，燃燒室內(nèi)能夠組織擠流，增加了直噴對(duì)轉(zhuǎn)速 的適用范圍，使混合氣的形成有所改善，從而能實(shí)現(xiàn)快速和清潔的燃燒【3 6 1 。 1 4 柴油機(jī)燃燒過程數(shù)值模擬研究的發(fā)展 隨著計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，數(shù)值模擬逐漸發(fā)展壯大起來。由于計(jì)算機(jī)軟件、 硬件技術(shù)的快速發(fā)展，為數(shù)值模擬研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障，也進(jìn)一步促 進(jìn)了計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展 3 7 1 。數(shù)值模擬是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的重要方面，在現(xiàn) 代工程設(shè)計(jì)中已經(jīng)起著越來越重要的作用。概括地說，主要有以下優(yōu)點(diǎn)： ( 1 ) 能夠模擬真實(shí)條件，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果以輔助理論分析，可以替代許多難以 或無法實(shí)施的試驗(yàn)，還可以模擬試驗(yàn)中難于實(shí)現(xiàn)的理想條件，進(jìn)行“模擬試驗(yàn)”， 提出趨勢(shì)預(yù)測(cè)。 ( 2 ) 可以節(jié)省研究開發(fā)費(fèi)用。 ( 3 ) 可以縮短試驗(yàn)時(shí)間而不受時(shí)空的限制。 ( 4 ) 可以解決一般方法難以解決的大型系統(tǒng)問題。 ( 5 ) 可以避免實(shí)際試驗(yàn)對(duì)人身、財(cái)產(chǎn)的危害。 內(nèi)燃機(jī)燃燒過程模擬，是綜合運(yùn)用流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、化學(xué) 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和數(shù)值計(jì)算等學(xué)科的知識(shí)，來描述內(nèi)燃機(jī)工作過程中缸內(nèi)流動(dòng)工質(zhì)、 傳熱等流體力學(xué)與熱力學(xué)行為的一系列物理和化學(xué)的數(shù)學(xué)方程式。它從內(nèi)燃機(jī) 有關(guān)工作過程的物理化學(xué)模型出發(fā)，運(yùn)用微分方程對(duì)有關(guān)工作過程進(jìn)行數(shù)學(xué)描 述，然后用數(shù)值計(jì)算方法求解，求得各參數(shù)隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律，進(jìn)而可 以了解到有關(guān)參數(shù)對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能的影響。 根據(jù)內(nèi)燃機(jī)研究對(duì)象的不同，對(duì)不同的問題需要采用不同的處理方法，因 此提出了各種燃燒模型。最常見內(nèi)燃機(jī)燃燒模型的分類方法是e v b r a e c o 于 19 7 4 年提出的將燃燒模型按維數(shù)分為零維模型、準(zhǔn)維模型和多維模型三類【3 8 1 。 零維模型是通過對(duì)大量實(shí)際燃燒過程的統(tǒng)計(jì)分析，找出規(guī)律性，用曲線擬 合或經(jīng)驗(yàn)公式的方法，建立一組表達(dá)燃燒放熱過程參數(shù)間的經(jīng)驗(yàn)公式，將復(fù)雜 的燃燒過程簡(jiǎn)化表達(dá)成幾個(gè)特征參數(shù)間的關(guān)系，又稱單區(qū)模型。這類模型一般 是在燃燒模擬研究早期發(fā)展起來的，特點(diǎn)是假定缸內(nèi)工質(zhì)均勻分布，各種熱力 9 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 學(xué)參數(shù)和熱物性參數(shù)處處相等，即隨時(shí)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，因此，零維模型 又稱為熱力學(xué)模型。 準(zhǔn)維模型誕生于7 0 年代，預(yù)測(cè)排放的要求是其發(fā)展的直接原因。這類模型 是在零維模型的基礎(chǔ)上考慮噴霧及火焰?zhèn)鞑サ任锢磉^程的長(zhǎng)度和尺度，把燃燒 室按火焰位置或噴注空間分布形態(tài)，分成若干個(gè)區(qū)域，分別考慮油滴蒸發(fā)、噴 霧擴(kuò)散、混合與卷吸、燃燒火焰?zhèn)鞑ゼ耙讶紖^(qū)燃燒產(chǎn)物變化等過程，生成燃燒 模型預(yù)測(cè)缸內(nèi)不同區(qū)域的燃燒溫度，并針對(duì)不同機(jī)型側(cè)重不同的子過程，使放 熱率更接近實(shí)際，并能預(yù)測(cè)有害排放物。準(zhǔn)維模型雖然未仔細(xì)考慮空間分布， 但可從燃燒、可燃混合氣形成、火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象出發(fā)，列出描述分區(qū)內(nèi)各參數(shù)隨 時(shí)間變化的方程式，計(jì)算各分區(qū)內(nèi)的溫度和濃度。 2 0 世紀(jì)8 0 年代以來，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及、流體力學(xué)和數(shù)值計(jì)算方法 等學(xué)科的日趨成熟，內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的工作過程多維數(shù)值模擬得到了較快的發(fā)展。 多維模型是一個(gè)十分復(fù)雜的熱力學(xué)燃燒系統(tǒng)，其中包含氣流運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)質(zhì)量、 動(dòng)量和能量的傳遞與轉(zhuǎn)換，燃料的噴射、霧化與蒸發(fā)，混合氣的形成、著火與 燃燒，還包括傳熱、氣相物與微粒的排放以及邊界的運(yùn)動(dòng)( 氣門與活塞) 等等。 它避免了準(zhǔn)維模型的缺點(diǎn)，對(duì)過程的描述不再是從現(xiàn)象出發(fā)，而是建立在流體 力學(xué)、熱力學(xué)及燃燒化學(xué)等普遍定律的基礎(chǔ)上的。多維模型是在遵循質(zhì)量守恒、 動(dòng)量守恒和能量守恒的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了燃燒室中溫度、壓力、工質(zhì)成份 及流體速度等三維結(jié)構(gòu)，通過求解支配燃燒現(xiàn)象的物理、化學(xué)過程的基本微分 方程，可提供有關(guān)燃燒過程中氣體流速、溫度、壓力及成份在燃燒室內(nèi)瞬態(tài)空 間分布的詳細(xì)信息。 1 5c f d 軟件在柴油機(jī)上的應(yīng)用 c f d 是計(jì)算流體力學(xué)( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 的英文縮寫，它是 在流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上建立起來的新型學(xué)科。c f d 使用的方法是對(duì)所需分析的對(duì)象先抽象出其流場(chǎng)的控制方程，然后再用數(shù)值計(jì) 算方法將其離散到一系列空間網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上求解其離散數(shù)值解的一種方法。1 9 3 3 年，英國(guó)人t h o r n 首次用手搖計(jì)算機(jī)數(shù)值求解了二維粘性流體偏微分方程，c f d 技術(shù)由此而生。1 9 7 4 年，丹麥的n i e l s e n 首次將c f d 用于暖通空調(diào)工程領(lǐng)域， 1 0 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 對(duì)通風(fēng)房間內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)行模擬。之后短短的2 0 多年內(nèi)，c f d 技術(shù)得到了 迅猛的發(fā)展。 隨著世界范圍內(nèi)汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，生產(chǎn)廠家需要不斷推出新產(chǎn)品 和完善現(xiàn)有產(chǎn)品來占領(lǐng)市場(chǎng)，這就要求在縮短設(shè)計(jì)、改進(jìn)周期的同時(shí)提高設(shè)計(jì) 精度和產(chǎn)品的可靠性，以往采用的“樣機(jī)研制一進(jìn)行試驗(yàn)一改進(jìn)設(shè)計(jì)”的設(shè)計(jì) 模式費(fèi)時(shí)、費(fèi)力已經(jīng)無法滿足市場(chǎng)需要變化。要實(shí)現(xiàn)上述要求，必須充分利用 計(jì)算機(jī)資源，加強(qiáng)對(duì)模型的開發(fā)完善，用模擬計(jì)算結(jié)果來指導(dǎo)設(shè)計(jì)【3 9 1 。 c f d 技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)上，對(duì)于探求燃燒放熱效率和排放物形成的機(jī)理， 使發(fā)動(dòng)機(jī)滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求有著重要的意義。目前，c f d 技術(shù)己 被成功地應(yīng)用于對(duì)不同類型的汽油機(jī)和柴油機(jī)的進(jìn)氣流場(chǎng)、噴霧形成及發(fā)展、 工質(zhì)燃燒以及排放物的形成進(jìn)行分析和優(yōu)化的研究工作。 內(nèi)燃機(jī)三維模型實(shí)質(zhì)是求解缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)的n a v i e r - s t o k e s 方程，包括各組 分的平均連續(xù)性方程，平均動(dòng)量方程，平均能量方程和氣體狀態(tài)方程，考慮到 缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)為湍流運(yùn)動(dòng)，又增加了k s 方程，即湍動(dòng)能k 方程和湍動(dòng)能耗散 率g 方程。 目前研究人員對(duì)湍流燃燒本質(zhì)的認(rèn)識(shí)尚未完全清楚，內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的湍流具 有強(qiáng)渦流、強(qiáng)壓縮、強(qiáng)瞬變和各向異性的特點(diǎn)；對(duì)湍流與化學(xué)反應(yīng)的相互作用 的研究還不夠深入，燃燒化學(xué)反應(yīng)十分復(fù)雜，因此目前的燃燒模型尚處于半經(jīng) 驗(yàn)、半理論基礎(chǔ)上。但隨著對(duì)湍流燃燒機(jī)理認(rèn)識(shí)的深入，現(xiàn)在的湍流燃燒模型 將會(huì)減少并逐步消除其中的經(jīng)驗(yàn)成分，使其建立在更深厚的理論基礎(chǔ)之上。 近年來，c f d 技術(shù)逐漸應(yīng)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流動(dòng)和燃燒過程的分析和優(yōu) 化研究。c f d 不是單純的理論分析，而是更近于試驗(yàn)的分析研究，且極大地依 靠一些簡(jiǎn)化的、線性化的、與問題有關(guān)的數(shù)學(xué)方程，以及依靠邊試邊改的方法 和試驗(yàn)所得的經(jīng)驗(yàn)公式，它來源于實(shí)踐，是發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)所必需的有力工具 之一。 由于計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展和數(shù)值計(jì)算技術(shù)的改進(jìn)，c f d 已經(jīng)成為一種極為有 效的科學(xué)手段，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ诎l(fā)動(dòng)機(jī)的研究中將發(fā)揮越來越大的作 用【柏】。 在國(guó)內(nèi)外，著名的商業(yè)c f d 軟件，如：a v l f i r e ，s ，i = a r c d ，f l u e n t ， 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 c f x ，p h o e n i c s 等已經(jīng)成為大家熟悉的燃燒過程數(shù)值模擬的軟件，在熱能、 航空航天、化工、冶金、交通等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。這些商用c f d 軟件對(duì) 燃燒的模擬已經(jīng)有了相當(dāng)高的精度，因此被越來越多的研究人員應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī) 的燃燒過程模擬上。 1 6f i r e 軟件簡(jiǎn)介 本文中模擬計(jì)算使用的是a v l f i r e 軟件。f i r e 是奧地利a v e 公司推出 的一款內(nèi)燃機(jī)專用的流體力學(xué)計(jì)算軟件。a v l 公司是一家專門從事發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā) 和制造的公司，a v l 模擬技術(shù)部門在汽車內(nèi)外流動(dòng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧燃燒模擬分 析方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)和多年的積累。 在a v l 幾十年發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過程中開發(fā)的c f d 軟件f i r e 在業(yè)內(nèi)享有很高 的聲譽(yù)。它擁有前處理程序f a m e 和后處理程序i m p r e s s 作充實(shí)和支撐。f i r e 由很多的用戶圖形界面組成，在這些圖形界面中，可以完成對(duì)仿真參數(shù)、求解 器內(nèi)核和計(jì)算結(jié)果的控制。在f i r e 中既可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)中的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，也可 以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)的工作過程。同時(shí)f i r e 還可以和其它領(lǐng)域的仿真軟件( 如 b o o s t ) 集成做耦合計(jì)算，從而綜合計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和流動(dòng)過程。它擁有全 自動(dòng)，半自動(dòng)以及手動(dòng)方式生成靜網(wǎng)格和動(dòng)網(wǎng)格的能力；同時(shí)，還包含豐富的 湍流、燃燒和排放預(yù)測(cè)模型，其中湍流模型有k - s 湍流模型、r s m 模型和 a v l h t m 模型等，燃燒模型有擬序火焰模型、e b u 模型、p d f 模型和特征時(shí) 間尺度模型等。排放模型包含了z e l d o v i c h 的n o x 預(yù)測(cè)模型和幾種不同的碳煙 模型；f i r e 通過開放接口的方式允許用戶自定義模型，并與f i r e 進(jìn)行耦合求 解。目前該軟件應(yīng)用主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，包括：進(jìn)排氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、冷卻 水套熱力分析、瞬態(tài)缸內(nèi)流動(dòng)、噴嘴內(nèi)流動(dòng)、噴霧燃燒、催化轉(zhuǎn)化器起燃過程 竺竺 4 q 葉“寸o 1 7 本文的研究?jī)?nèi)容及意義 1 7 1 研究?jī)?nèi)容 為深入分析燃燒室形狀及噴射規(guī)律對(duì)c a 6 d e i 2 1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的影響， 本文利用c f d 軟件a v l - - f i r e 對(duì)不同燃燒室及不同噴射規(guī)律情況下的混合氣 1 2 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 形成過程及燃燒過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，并著重分析上述各工況下的缸內(nèi)速度 場(chǎng)、湍流動(dòng)能、濃度場(chǎng)及溫度場(chǎng)的變化規(guī)律。在對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì) 燃燒室形狀并進(jìn)行預(yù)噴射規(guī)律的匹配研究。 本文研究的具體內(nèi)容如下： l 、完成對(duì)c a 6 d e l 2 1 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒燃燒室的建模，用f i r e 軟件劃分 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流體的網(wǎng)格。 2 、用f i r e 對(duì)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣形成過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬。 3 、研究燃燒室形狀對(duì)c a 6 d e l 2 l 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流場(chǎng)和燃燒的影響規(guī)律，主 要分析研究了三種形狀不同的燃燒室，提出最佳燃燒室形狀設(shè)計(jì)方案。 4 、研究噴射規(guī)律對(duì)c n g 發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣形成的影響規(guī)律。在固定燃燒室形 狀的模擬平臺(tái)下，考察預(yù)噴射規(guī)律對(duì)缸內(nèi)混合氣濃度分布及燃燒的影響規(guī)律， 提出優(yōu)化方案。 5 、提出燃燒室形狀和噴射規(guī)律的匹配方案，并進(jìn)行燃燒性能分析。 1 7 2 研究意義 直噴柴油機(jī)的主要排放物n o x 的生成，主要取決于混合燃燒過程。而混合 燃燒過程直接與燃燒室內(nèi)混合氣的形成條件有關(guān)。當(dāng)其它條件不變時(shí)，為了抑 制n o x 的生成量，適當(dāng)減弱混合期內(nèi)氣流強(qiáng)度，易形成局部高溫缺氧，不利于 擴(kuò)散燃燒，使n o x 生成量減少?；蛘咴谌紵埃瑖娙胛⒘咳剂线M(jìn)行預(yù)混合，減 低燃燒速率，使缸內(nèi)溫度減低，也可使n o x 生成量減少。所以，從有效抑制 n o x 排放物角度考慮，如何控制燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律及強(qiáng)度是及其重要的。 直噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其變化規(guī)律主要取決于燃燒室的結(jié) 構(gòu)形狀和噴射規(guī)律。而燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)特性的試驗(yàn)很復(fù)雜，需要一些昂貴的高 速攝影等測(cè)試設(shè)備。因此，通過使用模擬計(jì)算來分析燃燒室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)分布 規(guī)律，是一種有效手段。本文利用f i r e 軟件，對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)形狀的縮口型 直噴式燃燒室進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，分析不同燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng) 分布規(guī)律影響，以便分析這種氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)排放特性的影響。 結(jié)合我國(guó)車用柴油機(jī)所采用的縮口型直噴式燃燒室，分析不同結(jié)構(gòu)形狀的 縮口型燃燒室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)及其燃燒規(guī)律，并以此為依據(jù)改進(jìn)燃燒室設(shè)計(jì)，是 很有現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值的。 1 3 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 燃燒模型的建立 數(shù)學(xué)方法的發(fā)展、湍流模型的完善、高速大容量計(jì)算機(jī)的引進(jìn)等為c f d 輔 助發(fā)動(dòng)機(jī)研究提供了較好的條件。由于三維模擬對(duì)物理過程的描述及邊界條件 的確定更接近實(shí)際，因而有更大的發(fā)展?jié)摿?。目前?nèi)燃機(jī)多維數(shù)值模擬計(jì)算程 序得到了迅速發(fā)展，并已得到了廣泛的應(yīng)用，取得了與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合的計(jì) 算結(jié)果，顯示了較強(qiáng)的預(yù)報(bào)能力，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的研制、開發(fā)、設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究有 彳艮大的啟示作用和參考價(jià)值。 本文應(yīng)用f i r e 軟件建立了基于直噴發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流場(chǎng)及燃燒的模擬平臺(tái)， 可獲得發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)試驗(yàn)中無法得到的缸內(nèi)燃燒參數(shù)的信息，用于評(píng)價(jià)直噴發(fā)動(dòng) 機(jī)進(jìn)氣、燃燒過程及排放性能。 2 1 發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)參數(shù) 本文針對(duì)一汽集團(tuán)國(guó)產(chǎn)c a 6 d e l 2 1 重型車用柴油機(jī)的性能要求，分析設(shè)計(jì) 了三種不同縮口型直噴式燃燒室，同時(shí)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，分析了不同結(jié)構(gòu) 的柴油機(jī)燃燒室對(duì)進(jìn)氣流場(chǎng)特性與燃燒過程的影響。表2 1 是c a 6 d e l 2 1 發(fā)動(dòng) 機(jī)主要技術(shù)參數(shù)。 表2 1c a 6 d e l 2 1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 項(xiàng)目單位技術(shù)參數(shù) 型式直列六缸、水冷、直噴、增壓中冷 缸數(shù)缸6 缸徑i l u n1 0 6 行程i 衄1 2 5 壓縮比1 7 5 排量l6 6 1 8 標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速k w r 心l15 5 2 3 0 0 最大扭矩