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I
摘要
柴油机新型燃烧方式可以很好地解决传统燃烧中 NOx 和碳烟排放之间的 Trade-off 关系,具有清洁高效的特点,能有效缓解当前能源危机和环境污染的严峻形势。在众多柴油机新型燃烧方式中,晚喷燃烧以其在负荷拓展和燃烧相位控制方面的优势获得广泛关注。压缩比是柴油机的重要参数之一,压缩比增大对提高柴油机的动力性、经济性、冷启动性均有好处。本文采用数值模拟的方法对一台高压缩比柴油机在晚喷条件下的燃烧和排放特性进行研究。
本文以一台高压缩比六缸高压共轨柴油机为原型,利用 KIVA-3V 程序建立了三维数值模型,并从缸内压力、缸内温度、排放等方面对所建模型进行了验证,结果表明,计算值与试验值吻合较好,模型可靠。采用了一整套有效的初边值条件计算方法,确定计算工况的初边值条件。选取 20%和 40%两个负荷工况,分别研究了喷油始点、EGR 率、喷油策略对高压缩比柴油机晚喷燃烧特性的影响,并从多个方面进行了分析。研究结果表明:
喷油始点相对于上止点提前或者推迟,喷油时刻缸内温度均有所降低,滞燃期延长,缸内混合气更均匀,最高当量比减小,平均指示压力下降,但相对于低压缩比发动机,压缩比较高时平均指示压力对喷油始点的变化相对不敏感; 对于中等负荷工况,提前或推迟喷油都有利于实现预混燃烧,从而使缸内温度升高,最高当量比下降,Soot 排放降低,但 NOx 排放上升;低负荷工况随喷油始点推迟,缸内温度逐渐降低,NOx 排放逐渐减少,但 Soot 排放逐渐增多。此外,当喷油始点推迟到上止点后 8oCA 时,发动机发生失火。
随着 EGR 率的增加,喷油时刻缸内温度逐渐降低,滞燃期延长,缸内燃油
与空气混合时间增长,混合更加均匀,着火时刻缸内当量比降低;与低压缩比柴油机相比,高压缩比柴油机的滞燃期几乎呈线性增加;EGR 率增大,缸内最高压力、平均指示压力、缸内最高温度、总放热量均呈现下降趋势,NOx 排放降低,但 Soot 排放增加。
随着喷油次数的增加,滞燃期逐渐缩短,当量比增大,且分布更加集中; 缸内压力、缸内温度以及放热率的变化都随喷油次数的增加而越来越趋于平缓, 提高了发动机工作的平稳性和可靠性。NOx 排放曲线的变化趋势说明提前预喷有利于 NOx 排放的降低,但是喷油始点过于提前反而无法达到降低排放的目的, Soot 排放随着喷油次数的增加先增加后小幅降低。关键词:柴油机,压缩比,高压晚喷,NOx 排放,Soot 排放
II
Abstract
The bustion concept of diesel engine can be a good way to deal with the trade-off relations between Nitrogen Oxides (NOx) and Soot emissions in bustion. It is clean and efficient, which plays a great help on alleviating the serious situation of the current energy crisis and environmental pollution. New bustion with late injection has attracted a widespread attention because of its advantages in load expanding bustion phase controlling. Compression ratio (CR) is one of the most important parameters of di