车用柴油机燃烧过程分析及EGR分层研究

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导师姓名
刘忠长
学科专业
动力机械及工程
文献出处
吉林大学   2013年
关键词
柴油机论文  燃烧优化论文  缸内组分分层论文  废气再循环论文
论文摘要

柴油机问世至今,无论是系统附件还是燃烧模式都发生了很大变化,从粗笨、噪声大、冒黑烟的形象中彻底脱离,代之以高效、节油、可靠、清洁,并广泛应用于汽车领域。随之快速发展的高压共轨燃油喷射系统、EGR技术、后处理技术等已极大的解决了柴油机排放问题,然而在超低排放与能源危机的双重压力下,考虑到能源的全循环生命周期效率,排放控制问题不能只通过简单的物理吸附及化学催化反应来解决,需要从排放物生成的根源——燃烧过程进行控制。本研究为了解决柴油机燃烧过程中NOx与soot排放的折衷关系,采用试验台架与数值模拟平台结合的方式对重型高压共轨涡轮增压柴油机稳态及瞬态工况下的工作过程、人为设定缸内EGR分层、进气过程实现缸内EGR分层等问题进行了研究,探索有效降低柴油机氮氧化物与微粒排放及实现显著的缸内组分分层的方法。本研究的研究对象为重型高压共轨涡轮增压柴油机。首先建立了重型柴油机瞬态及稳态试验平台,通过改变喷油参数研究柴油机稳态过程燃烧及排放特征的变化规律。稳态及瞬态过程研究一方面实现了对数值模型的多工况校验;一方面得到了柴油机缸内NOx与soot生成特征及规律,为缸内EGR分层设定提供理论基础。瞬态过程的研究表明:随着瞬变循环数增加,缸内温度-当量比分布向双岛图的NOx岛的递进减小,向soot岛的递进增加,对应NOx排放降低而碳烟排放增加;缸内油气分布不均匀程度呈先增加后减小的趋势;瞬变过程第176循环与相应的50%稳态负荷点(相同转速,相同平均指示压力,IMEP)相比,缸内分布不均匀程度在碳烟生成持续期内偏高是导致瞬变过程缸内碳烟排放恶化的主要原因;瞬变过程中缸内高温区持续时间对NOx生成的影响大于缸内高温区体积的影响,并且45个试验工况点的NOx排放与缸内平均温度特征的相关性分析结果与模拟分析结果一致。课题组前期时序分区燃烧的研究表明,采用后喷结合缸内化学氛围迁移可以解决缸内碳烟与NOx排放的折衷关系,但由于对后喷量及后喷时刻等参数十分敏感,时序分区燃烧降低排放的能力有限,因此本研究提出EGR分层的概念。基于缸内NOx与碳烟生成区域与生成时间不同的机理,在NOx生成区保持缸内较高的EGR,控制燃烧温度降低NOx生成,而在碳烟生成区使其保持充足的氧氛围,并利用缸内流动对缸内组分的迁移作用向碳烟区补充氧气,促进碳烟后期氧化。旨在缸内局部燃烧区内形成EGR率浓区,其余位置为新鲜空气充量,这样既可以降低向气缸内引入EGR的量,使EGR冷却损失下降,涡轮增压能力提高,又可以使缸内平均氧浓度保持在较高的水平,燃烧效率得到提高。EGR分层研究首先采用人为设定缸内EGR分布的方式,探索径向与轴向分层特征对柴油机燃烧及排放的影响规律及同时降低NOx与碳烟排放的潜力;其次,搭建重型柴油机全气道仿真模型,在切向进气道截面不同位置通入EGR,研究进气过程对缸内EGR分布的影响,结果表明:缸内设定EGR分层可同时降低NOx与碳烟排放;轴向分层局部EGR率30%时,排放同时降低效果优于径向分层;EGR分层与时序分区燃烧耦合,主喷定时由-3°提前到-5°时,碳烟与NOx同时降低,且此时对应的指示热效率也较高,能够打破NOx与碳烟排放间的折衷关系;进气过程EGR与空气未经混合流入进气道,继而流入气缸,缸内EGR呈梯度分布,可实现EGR分层,最大EGR率梯度可达18.3%。人为设定EGR分层能够实现同时降低NOx与碳烟排放,且与时序分区燃烧耦合通过调整喷油参数使柴油机保持较高的指示热效率。继而本研究设计了CO2喷射试验,研究如何实现EGR分层,并结合数值仿真分析评价CO2喷射试验的缸内组分分布。搭建CO2进气喷射试验台架及数值模拟平台;改造重型柴油机第一缸进气系统,分别在第一缸的切向与螺旋气道安装CO2喷管,并保证喷管出口靠近进气门位置,降低进气道内CO2与空气的混合机会;在1缸排气道内安装废气采样管,对1缸废气采样并由Horiba废气分析仪测量废气排放;结合全气道数值模型研究CO2喷射试验中缸内组分分布特征。研究结果表明:CO2喷射试验存在CO2窜缸的问题,CO2质量流量为10kg/h时,误差约为4%,CO2质量流量为50kg/h时,误差约为10%,因此CO2喷射试验只分析切向、螺旋及双进气道三种不同CO2喷射方式在随着CO2喷射质量流量的增加,柴油机燃烧及排放的变化规律;作者提出两种缸内组分分布评价方法,一是缸内组分质量浓度场及其浓度梯度,一是结合经济学中的洛伦兹曲线与基尼系数,评价不同CO2喷射方式缸内的氧气与CO2分配不均匀程度;组分的浓度梯度可直观表征缸内分布不均匀性,但仅限于局部特征,洛伦兹曲线及基尼系数由缸内全局单元格数据统计计算而得,反映的是缸内整体分布不均匀性特征。两种方法互为印证,互为补充。均匀CO2进气、切向气道、螺旋气道及双气道喷射CO2的四种方式对比得出,控制氧浓度在0.21附近,可以使发动机排放满足欧四水平,继续降低氧浓度能够使NOx与THC达到欧Ⅴ排放法规要求,但CO与碳烟排放较高,并会牺牲指示热效率,其中螺旋气道喷射CO2方式在缸内平均氧浓度为0.21时,NOx、碳烟、CO与THC排放同时满足欧Ⅳ排放水平,切向与双气道喷射也比较接近,但切向喷射NOx排放略高,双气道喷射CO排放略高;数值模拟分析表明采用进气道加装CO2喷管控制缸内组分分布虽然能实现缸内组分浓度梯度分布,但全局分层特征较低。为了解决CO2喷射试验的缸内全局分层特征较低的问题,本研究提出时序进气概念,即将进气过程分段。时序进气可以控制进气组分在缸内的分布位置,先进入气缸的组分在缸内分布为下浓上稀,后进入气缸的组分为下稀上浓;两段时序进气,第一段通入空气,第二段通入CO2,缸内氧气质量浓度梯度可达7.38%,缸内不均匀性特征高于0.2;与均匀进气相比,缸内平均CO2率相同时,时序进气的NOx与碳烟排放均较低,NOx降低51.2%,碳烟降低13.4%,由于燃烧区域CO2质量浓度高于均匀进气情况,燃油滞燃期更长,放热率峰值更高,但缸内压力偏低。

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中文摘要

Abstract

中英缩写词及术语表

第一章 绪论

1.1 柴油机燃烧过程研究概述

1.1.1 柴油机燃烧过程的基本特征

1.1.2 柴油机燃烧优化的基本思路及进展

1.2 本课题研究背景

1.2.1 柴油机瞬态过程研究

1.2.2 喷油规律及 EGR 技术研究进展

1.3 数值仿真计算进展

1.4 拟解决的关键科学问题及本研究主要内容

第二章 重型柴油机数值仿真及试验研究平台

2.1 重型柴油机试验测控平台

2.2 数值仿真平台

2.2.1 重型柴油机数值建模过程

2.2.2 进排气门关闭的燃烧室模型

2.2.3 全气道全循环数值计算模型

2.2.4 数值计算过程

2.3 数值模型的设定与验证

2.3.1 数值计算工作站及数值计算物理化学模型选择

2.3.2 数值计算初始条件及边界

2.4 数值模型验证

2.4.1 稳态工况数值模拟结果验证

2.4.2 柴油机瞬变过程数值模拟验证

2.4.3 全气道模型进气及燃烧过程验证

2.5 本章小结

第三章 柴油机稳态与瞬态燃烧过程分析

3.1 柴油机稳态工况燃烧过程试验分析

3.1.1 喷射压力

3.1.2 喷油正时

3.2 柴油机瞬变过程燃烧特征试验与模拟研究

3.2.1 燃烧特征参数瞬变试验结果与数值分析结果对比

3.2.2 瞬变过程 NO_x排放分析

3.2.3 瞬变过程碳烟排放分析

3.2.4 瞬变过程缸内分布不均匀度分析

3.2.5 瞬变过程与稳态过程对比分析

3.3 NO_x排放与缸内平均温度相关性分析

3.4 本章小结

第四章 设定缸内 EGR 分层的燃烧过程数值仿真研究

4.1 EGR 分层前期研究——时序分区燃烧概念

4.2 时序分区燃烧与 EGR 耦合对柴油机燃烧及排放的影响

4.2.1 EGR 与后喷耦合的 EGR 率增加的规律分析

4.2.2 EGR 与后喷耦合的主后喷间隔角增加的规律分析

4.3 人为设定缸内 EGR 分层燃烧过程分析

4.3.1 EGR 分层与均匀 EGR 的性能对比

4.3.2 轴向与径向 EGR 分层的性能对比

4.4 EGR 分层与时序分区燃烧模式耦合

4.4.1 改变主后喷间隔角

4.4.2 改变主喷定时

4.5 EGR 分层实现方式的数值模拟研究

4.6 本章小结

第五章 基于进气过程的缸内组分分层试验与模拟研究

5.1 进气道喷射 CO_2试验设计

5.1.1 进气道喷射 CO_2试验系统设计思想

5.1.2 进气喷射 CO_2气体与 EGR 对比分析

5.1.3 CO_2喷射试验系统改造

5.1.4 CO_2喷射系统流动特征计算

5.1.5 CO_2喷射试验系统误差分析

5.2 进气喷射 CO_2试验结果分析

5.2.1 试验重复性分析

5.2.2 不同 CO_2喷射位置试验结果分析

5.2.3 不同 CO_2喷射流量试验结果分析

5.2.4 CO_2喷射试验排放及指示热效率规律分析

5.3 进气喷射 CO_2缸内分布的数值模拟研究

5.3.1 数值模型设定

5.3.2 数值计算结果分析

5.4 本章小结

第六章 基于进气过程的缸内 EGR 分层优化模拟研究

6.1 分气道进气对缸内进气组分分布的影响研究

6.2 时序进气对缸内进气组分分布的影响研究

6.3 时序进气与分气道进气耦合提高缸内分布不均匀性

6.3.1 数值模拟方案

6.3.2 数值模拟结果分析

6.4 时序进气缸内分层燃烧与均匀进气燃烧对比

6.5 本章小结

第七章 全文总结

7.1 研究工作总结

7.2 本研究的主要创新点

7.3 工作展望

参考文献

作者简介及科研成果

致谢

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