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

西華大學碩士學位論文 直噴柴油發(fā)動機燃燒室形狀和噴射規(guī)律研究 車輛工程 研究生：許正偉指導老師：彭憶強 摘要：由于柴油機具有高效、節(jié)能以及大轉矩輸出的特點，汽車開始越來越多 地以柴油機為動力。研究直噴柴油機的混合氣形成和燃燒過程，對提高其動力 性和經(jīng)濟性，降低污染物排放具有重要的意義。對內燃機燃燒過程的研究除采 用傳統(tǒng)的試驗方法外，進行建立在試驗基礎上的燃燒過程數(shù)值模擬，也是一項 強有力的措施。本文利用a v l 公司的f i r e 軟件對國產(chǎn)c a 6 d e l 2 1 重型車用 柴油機的混合氣形成及燃燒過程進行了數(shù)值模擬：著重分析發(fā)動機工作過程中 缸內速度場、湍流動能、溫度場、濃度場和排放物n o 的分布規(guī)律，研究燃燒 室形狀與噴射規(guī)律等因素對直噴發(fā)動機性能的影響規(guī)律。論文涉及的工作如下： 通過對i 型和i i 型燃燒室缸內氣體流動特點進行分析，得到凸臺形狀對燃燒 室內氣體流動的影響規(guī)律；通過對直口型和縮口型燃燒室氣體流動特點進行 分析，表明縮口型燃燒室有利于形成強度較大的渦流，同時氣體流動性保持 較好，有利于后期燃燒擴散，降低排放；而直口型的優(yōu)點在于燃燒初期火焰 向缸內擴散較好。同時分析三種燃燒室缸內流場、湍流動能場、溫度場、濃 度場和n o 生成的變化規(guī)律。 以縮口i 型燃燒室為模型，選擇單次噴射和預噴射兩種不同的噴射規(guī)律進 行分析。結果表明：預噴射和單次噴射相比，由于提前預熱作用，使主噴期 縮短，缸內溫度降低，n o 生成量減少。 進行燃燒室結構和噴射規(guī)律的優(yōu)化設計，使混合氣形成和燃燒過程達到最優(yōu) 狀態(tài)；使缸內溫度場和濃度場分布均勻，燃燒排放物水平相對較低。結果表 明：優(yōu)化設計燃燒室形狀和噴射規(guī)律可以明顯改善直噴柴油機的燃燒和排放 性能。 關鍵詞：直噴柴油機燃燒室形狀噴射規(guī)律燃燒數(shù)值模擬 西華大學碩士學位論文 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 西華大學碩士學位論文 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 西華大學碩士學位論文 聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師的指導下進行的研究工作取得的 研究成果。除了文中特別加以標注和致謝的地方外，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或其它教育機構的學位論文 或證書使用過的材料。與我一起工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論 文中作了明確的說明并表示謝意。 本學位論文成果是本人在西華大學讀書期間在導師的指導下取得的，論文 成果歸西華大學所有，特此聲明! 作者簽名： 導師簽名： 7 1 明鉆旯汐b 乍叮月少日 西華大學碩士學位論文 西華大學 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校 保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和 借閱，西華大學可以將本論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可 以采用影印、縮印或掃描等復印手段保存和匯編本學位論文。 本學位論文屬于 1 、保密口，穆年解密后適用本授權書； 2 、不保密匭適用本授權書。 ( 請在以上口內劃) 學位論文作警名：推蹄 日期：州哆卜2 , o 指導教師簽名：卅呼巧中 日期：沙7 。明，= 滬 西華大學碩士學位論文 l 緒論 自1 8 9 7 年柴油機在德國m a n 公司運轉以來，已經(jīng)有1 0 0 多年了。與汽油 機相比，柴油機存在諸多顯著的特點：其可靠性好，不會產(chǎn)生早燃、爆燃等不 正常燃燒；有更好的經(jīng)濟性，汽油機的熱效率一般為2 0 - - , 3 0 ，而柴油機的 熱效率可達3 0 , - - 4 0 ，是當今熱效率最高的動力機械之一【1 1 ；有害排放物總 體比汽油機低，先進的柴油機即使不采用任何機外后處理措施，其有害氣體的 排放量也可以達到帶有三元催化反應器并采用閉環(huán)控制系統(tǒng)的汽油機的排放指 標。由于柴油機具有以上特點，己被廣泛應用于交通、工程機械，礦山機械和 農(nóng)用機械等領域。目前歐美等國在重型和中型載重汽車上，己采用高效率的直 噴式柴油機，我國的車用內燃機也逐漸向著柴油機化這一趨勢發(fā)展。 柴油機因其較低的燃油消耗率和較高的熱效率，在車用發(fā)動機方面得到了 越來越多的應用。然而隨著柴油機保有量的增加，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重的問題【2 ，3 1 ，體現(xiàn)在如下兩方面： 能源短缺：發(fā)動機主要燃用石油，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可能會消耗殆盡，使得全 球范圍內的能源危機問題日益突出。由于發(fā)動機的油耗在世界能源消耗中占有 很大的比重，所以降低發(fā)動機油耗一直是各國關注的重點。歐洲7 5 k w 以下不 同類型轎車發(fā)動機每百公里油耗的統(tǒng)計表明，采用直噴式柴油機后，油耗比汽 油機下降約3 5 , 4 0 ，直噴式增壓中冷柴油機的油耗又進一步比非增壓直噴式 柴油機下降了約1 5 。 環(huán)境污染：發(fā)動機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、殘余氮氣( 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 ) 、 未燃碳氫( c h ) 、氮氧化合物( n o x ) 、二氧化硫( s 0 2 ) 、微粒等。對柴油機而 言，燃燒系統(tǒng)的不斷完善，已經(jīng)使c o 和h c 的排放指標比較容易達到，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 作用生成光化學煙 霧外，還會引起人的呼吸系統(tǒng)、肝臟等疾病；微粒p m 對人體的健康危害與p m 大小及組成有關。p m 越小，停滯于人體肺部支氣管的概率越高，對人體的危 害也越大，其中o 1 - 4 ) 5 p m 的p m 對人體危害最大 4 - 9 。 由于排氣對環(huán)境及人體的危害性，各國相繼制定了嚴格的排放法規(guī)。 晴華大學碩士學位論文 1 1 國內外排放法規(guī)的發(fā)展 車用柴油機的排放以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)達國家寫入了法規(guī)。迄今為止，全球的車用柴油機排放法規(guī)主要以美國、歐 洲和日本為主。其中最為嚴格的當數(shù)美國加卅地區(qū)的限制法規(guī)。 我國國家環(huán)?？偩钟? 9 9 9 年1 月率先在北京、7 月在上海實施相當于歐i 的排放標準，從2 0 0 0 年開始，在全國范圍內開始實施歐i 。2 0 0 5 年開始實施歐 i i ，以2 0 1 0 年與國際水平接軌為最終目標。2 0 0 1 年又重新頒布實行了新的 g b l 7 6 9 1 - - 2 0 0 1 標準，其中對氣態(tài)和微粒污染物排放限值規(guī)定越來越嚴格【l “。 l _ 1 1 國外排放法規(guī)的發(fā)展 目前，世界上實行的排放標準主要有美國、歐洲和日本三大體系，而其中 美國和歐洲的排放體系為各國廣泛引用，中國采用的是歐洲排放標準體系】。 2 0 世紀7 0 8 0 年代歐洲汽車的排放標準足比較寬松的。1 9 9 3 年歐洲聯(lián)盟 開始實施相對嚴格的排放法規(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)是對原e c er8 3 0 0 法規(guī)的修訂。其后對e c er 8 3 0 0 又進行了兩次修 訂。e c e r8 3 0 3 即e u r o l l 法規(guī)，對柴油車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 西華大學碩士學位論文 機動車排放歐洲標準是一個持續(xù)發(fā)展的體系，1 9 9 2 年前在歐洲已實施若 干階段。從1 9 9 2 年起，歐洲開始實施歐i ( 歐i 型式認證排放限值) ：1 9 9 6 年 起開始實施歐i i ( 歐i i 型式認證和生產(chǎn)一致性排放限值) ；2 0 0 0 年起開始實施 歐1 1 1 ( 歐i i i 型式認證和生產(chǎn)一致性排放限值) ；2 0 0 5 年起開始實施歐i v ( 歐 型式認證和生產(chǎn)一致性排放限值) ：而歐洲議會和歐盟成員國部長會議已經(jīng)討論 通過了最新的重型柴油車歐v 標準，并于2 0 0 8 年年中開始實施。標號越高， 排放水平要求越嚴。圖i - 2 表示歐洲柴油轎車排放標準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準 美國輕型車排放測試用1 9 7 5 年頒布的美國城市標準測試循環(huán)f t p 一7 5 ，從 1 9 7 4 年起用十三工況法測試重型車用柴油機的排放，1 9 8 4 年起改為瞬態(tài)法。由 于日本沿襲美國的測試方法，從發(fā)展的角度來看，日本在中長期法規(guī)中采取瞬 態(tài)測試方法。目前，歐洲、美國和日本這三個法規(guī)體系的總體趨勢為到2 0 1 0 年，將柴油機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。 西華大學碩士學位論文 表l 一1 美國重型車用柴油機排放法規(guī) 【g 時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。動機 i ”g 目十氣悻發(fā)動扒 i n us i n e u 總結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 年的時間里，限值都比較寬松。進入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，對汽車排放的控制 越來越嚴格，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、美國和日本排放法規(guī)的發(fā)展趨勢 4 西華大學碩士學位論文 1 1 2 國內瑚 放法規(guī) 同發(fā)達國家相比，我國機動車排放法規(guī)實施起步較晚。我國于1 9 8 3 年開始 陸續(xù)頒布汽車排放標準，1 9 9 4 年5 月開始實施，1 9 9 9 年開始了新一輪的排放標 準修訂工作，柴油機工況法排放( 包括微粒排放控制) 標準也已于1 9 9 9 年頒布。 歐洲法規(guī)在道理交通情況、標準的適度性等方面相對較適合于我國的實際 情況。在充分吸收歐美的經(jīng)驗后，我國確定以歐洲的汽車法規(guī)為藍本，全面等 效地采用了歐盟指令、e c e 技術內容和部分歐共體法規(guī)的基礎上，形成了中國 排放法規(guī)體系。從2 0 0 0 年起開始實行歐i 標準( 歐洲1 9 9 2 年實行) ，2 0 0 4 年 開始實行歐i i 標準( 歐洲1 9 9 5 年實行) ，2 0 0 8 年實行歐標準( 歐洲2 0 0 0 年 實行) ，2 0 1 0 年將與國際同步。目前已頒布多項汽油車、柴油車排放限值和測 量方法標準。這些標準是在參考歐洲、美國和日本的排放法規(guī)基礎上制訂的。 我國頒布的法規(guī)中，控制輕型汽車的排放標準g b l 8 3 5 2 1 2 0 0 1 ，其排放限值和 測試方法相當于歐洲2 0 世紀9 0 年代初實施的輕型汽車歐i 標準， g b l 8 3 5 2 2 2 0 0 1 相當于歐洲2 0 世紀9 0 年代中期實施的輕型汽車歐i i 標準?？?制重型汽車的排放標準g b l 7 6 9 1 2 0 0 1 ，其排放限值和測試方法相當于歐洲發(fā)布 實施的重型汽車歐i 和歐i i 標準。我國對于汽車排放的控制計劃是到2 0 1 0 年與 國際排放標準接軌【1 5 】。 表1 3 中國車用柴油機排放限值 實施實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)代柴油機機節(jié)能與減排技術 機動車排放標準體系建立及實施的最終目的是：通過改進機動車排放控制 技術來促進機動車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，減少空氣污染和保護人體健康。歐美日 5 西華大學碩士學位論文 等發(fā)達國家已經(jīng)實現(xiàn)了低排放，并向零排放的目標邁進。我國排放標準體系建 立相對滯后，從各國排放法規(guī)的實施可以看出：我國在汽車排放控制技術方面 相對歐洲水平落1 0 多年。因此了解和掌握國外先進的排放控制技術、研究適合 于我國現(xiàn)狀的車用發(fā)動機排放控制技術是很有必要的【1 6 1 。 為適應不斷提高的節(jié)能和降低排放的要求，世界各國已開發(fā)應用許多車用 柴油機排放和節(jié)能控制技術措施，歸納起來主要有：機內措施和后處理措施。 車用柴油機的排放控制措施主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1 電子控制技術 電子控制技術是實現(xiàn)車用柴油機全工況范圍性能最優(yōu)化的重要手段，目前 已可實現(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 ) 實現(xiàn)廢氣再循環(huán)可降低n o x ，但不利于燃油經(jīng)濟性，若能實現(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 柴油機氣缸內能燃燒的燃料量取決于氣缸的充氣量，為此車用柴油機上廣 泛采用了渦輪增壓與中冷技術，從而大大提高柴油機的動力性、經(jīng)濟性 2 8 , - 3 n 。 4 排氣后處理技術 柴油車排氣凈化后處理技術主要有過濾捕集法和催化轉化法 3 2 - 3 5 1 。 柴油機排放的特點是：h c 和c o 的排放量相對較少，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。根 據(jù)以上特點，控制柴油機排放污染的方法主要分為機前處理( 燃料的改質) 、機 內( 凈化) 控制以及機后處理( 尾氣催化控制) 三種方式。 機前處理是指在燃料與空氣進入氣缸燃燒前進行的處理。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。 機后處理是利用各種濾清凈化裝置和催化轉化器，對排氣系統(tǒng)內的廢氣進 行最后的處理，以進一步降低有害物的排放量，是機前處理和機內控制方法的 重要補充?，F(xiàn)已使用的有氧化催化轉化器、顆粒捕捉器( d p f ) 及其再生技術 和等離子技術。 本文主要研究對柴油機進行機內控制，而柴油機機內控制的實質是對其燃 6 西華大學碩士學位論文 燒過程進行優(yōu)化，涉及到燃燒室結構的研究。 柴油機燃燒室的形狀和結構參數(shù)，對柴油機的燃燒及污染物的生成有重要 的影響。改進燃燒室結構是優(yōu)化燃燒系統(tǒng)工作過程的基礎，也是排放控制技術 應用的基礎。同時，燃燒室結構與n o x 的排放有著密切關系。 研究表明，直噴式柴油機n o x 排放明顯優(yōu)于非直噴式柴油機，這是因為非 直噴式柴油機前期的燃燒發(fā)生在混合氣過濃的預燃室或渦流室里，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 度下進行的，故n o x 的生成量較少。對于相同類型但結構不完全相同的燃燒室， 其燃燒過程和n o x 的排放有差異。在改進燃燒系統(tǒng)時，應注意使燃燒室、進氣 渦流及噴油方式相互匹配，使燃燒室內的空氣運動和油束協(xié)調匹配，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 進燃燒室結構的方法，改變噴射規(guī)律，采用預噴射方式等都是很有效的排放控 制措施。 柴油機本身的熱效率很高，但是柴油機的排放控制還有進一步提高的余地。 實踐證明，柴油機燃燒過程及有害排放物的生成機理是極復雜的，這就決定了 有害物質排放控制的難度。減少柴油機排放污染的關鍵在于降低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 格的排放法規(guī)，必須把現(xiàn)有被證明是有效的技術合理地優(yōu)化組合，需要將使用 低硫燃料及代用燃料、優(yōu)化燃燒室結構、有效組織燃燒室內的氣流運動、使用 電控高壓燃油噴射、促進噴霧的微?；雀鞣N方法有機組合和綜合利用，以達 到減少排放、降低污染的目的。 綜上所述，隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)政策的改變，清潔型柴油機將得到越來越廣 泛的應用。但是如何做到“清潔 ，如何使柴油機的排放符合現(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 直噴柴油機的發(fā)展過程 車用柴油機最早采用分離式燃燒室發(fā)動機。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，特別是對要達到 7 西華大學碩士學位論文 高轉速和提高發(fā)動機功率來說，燃油與空氣必須充分地混合。但是，這種分離 式燃燒室發(fā)動機的效率不高，且相應的燃油消耗也不佳，因為空氣流入分離式 燃燒室和隨后灼熱的燃氣從燃燒室噴出勢必產(chǎn)生流動損失和壁部熱損失。如果 采用直接噴射就可以避免上述的損失，此時，需要較高的噴油壓力以形成良好 的混合氣。直噴柴油機的燃油消耗可比分離式燃燒室發(fā)動機降低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上實現(xiàn)。從此在載重汽車領域內直 噴式發(fā)動機逐步取代了分離式燃燒室發(fā)動機。 石油危機推動了直噴式柴油機在轎車上的使用。美國加利福尼亞州率先要 求載重柴油汽車降低排放，并在這個方面擁有大量的新技術。為了降低油耗和 廢氣排放，就要將載重汽車柴油機所用的燃燒方法轉用到轎車柴油機上。隨后 轎車柴油機的發(fā)展又遇到了新的問題，如需要提高功率、擴大轉速范圍、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。同時對缸內擠流 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開發(fā)的研究規(guī) 劃。通過試驗和采用新的設計方案，最后制成了樣機。這些研究工作的成果最 后都在現(xiàn)代直噴式轎車柴油機發(fā)動機開發(fā)準則及關鍵技術中有所體現(xiàn)。其關鍵 技術主要由噴油系統(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速范圍均能實現(xiàn)有效和清潔的燃燒。由 于當時沒有高壓噴射，混合氣的形成主要靠在壓縮過程中燃燒室內產(chǎn)生的擠流 來促進其生成。 直噴柴油機燃燒方法的主要特點是：進氣道的流阻較小，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)時間短，排 放物少；可以對噴油嘴噴出的油束數(shù)量及其在燃燒室中噴射方向進行合理選擇， 是采用直接噴油系統(tǒng)的優(yōu)點之一。 而對上述所有要素進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，此項工作至今仍需要花費大量時間。在這些因素之中，著重強調的 是燃燒室的設計。燃燒室的設計應能使每次產(chǎn)生的擠流水平持久地保持，對各 種不同的發(fā)動機要分別予以確定。a v l 用高速攝影法以及借助燃燒室中流動情 況的三維模擬對燃燒室內的流動所作了深入的研究，結果表明，優(yōu)良的燃燒室 8 西華大學碩士學位論文 形狀可使空氣在燃燒室中長時間保持旋轉，直到膨脹沖程時仍在旋轉。這非常 有助于燃油束和空氣良好地混合，燃燒室內能夠組織擠流，增加了直噴對轉速 的適用范圍，使混合氣的形成有所改善，從而能實現(xiàn)快速和清潔的燃燒【3 6 1 。 1 4 柴油機燃燒過程數(shù)值模擬研究的發(fā)展 隨著計算機的普及應用，數(shù)值模擬逐漸發(fā)展壯大起來。由于計算機軟件、 硬件技術的快速發(fā)展，為數(shù)值模擬研究提供了強有力的技術保障，也進一步促 進了計算機模擬技術的發(fā)展 3 7 1 。數(shù)值模擬是計算機應用技術的重要方面，在現(xiàn) 代工程設計中已經(jīng)起著越來越重要的作用。概括地說，主要有以下優(yōu)點： ( 1 ) 能夠模擬真實條件，對試驗結果以輔助理論分析，可以替代許多難以 或無法實施的試驗，還可以模擬試驗中難于實現(xiàn)的理想條件，進行“模擬試驗”， 提出趨勢預測。 ( 2 ) 可以節(jié)省研究開發(fā)費用。 ( 3 ) 可以縮短試驗時間而不受時空的限制。 ( 4 ) 可以解決一般方法難以解決的大型系統(tǒng)問題。 ( 5 ) 可以避免實際試驗對人身、財產(chǎn)的危害。 內燃機燃燒過程模擬，是綜合運用流體力學、熱力學、傳熱傳質學、化學 反應動力學和數(shù)值計算等學科的知識，來描述內燃機工作過程中缸內流動工質、 傳熱等流體力學與熱力學行為的一系列物理和化學的數(shù)學方程式。它從內燃機 有關工作過程的物理化學模型出發(fā)，運用微分方程對有關工作過程進行數(shù)學描 述，然后用數(shù)值計算方法求解，求得各參數(shù)隨時間和空間的變化規(guī)律，進而可 以了解到有關參數(shù)對內燃機性能的影響。 根據(jù)內燃機研究對象的不同，對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。最常見內燃機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、準維模型和多維模型三類【3 8 1 。 零維模型是通過對大量實際燃燒過程的統(tǒng)計分析，找出規(guī)律性，用曲線擬 合或經(jīng)驗公式的方法，建立一組表達燃燒放熱過程參數(shù)間的經(jīng)驗公式，將復雜 的燃燒過程簡化表達成幾個特征參數(shù)間的關系，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，特點是假定缸內工質均勻分布，各種熱力 9 西華大學碩士學位論文 學參數(shù)和熱物性參數(shù)處處相等，即隨時處于熱力學平衡狀態(tài)，因此，零維模型 又稱為熱力學模型。 準維模型誕生于7 0 年代，預測排放的要求是其發(fā)展的直接原因。這類模型 是在零維模型的基礎上考慮噴霧及火焰?zhèn)鞑サ任锢磉^程的長度和尺度，把燃燒 室按火焰位置或噴注空間分布形態(tài)，分成若干個區(qū)域，分別考慮油滴蒸發(fā)、噴 霧擴散、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 模型預測缸內不同區(qū)域的燃燒溫度，并針對不同機型側重不同的子過程，使放 熱率更接近實際，并能預測有害排放物。準維模型雖然未仔細考慮空間分布， 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)內各參數(shù)隨 時間變化的方程式，計算各分區(qū)內的溫度和濃度。 2 0 世紀8 0 年代以來，隨著計算機應用的普及、流體力學和數(shù)值計算方法 等學科的日趨成熟，內燃機缸內的工作過程多維數(shù)值模擬得到了較快的發(fā)展。 多維模型是一個十分復雜的熱力學燃燒系統(tǒng)，其中包含氣流運動，物質質量、 動量和能量的傳遞與轉換，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動( 氣門與活塞) 等等。 它避免了準維模型的缺點，對過程的描述不再是從現(xiàn)象出發(fā)，而是建立在流體 力學、熱力學及燃燒化學等普遍定律的基礎上的。多維模型是在遵循質量守恒、 動量守恒和能量守恒的基礎上，進一步考慮了燃燒室中溫度、壓力、工質成份 及流體速度等三維結構，通過求解支配燃燒現(xiàn)象的物理、化學過程的基本微分 方程，可提供有關燃燒過程中氣體流速、溫度、壓力及成份在燃燒室內瞬態(tài)空 間分布的詳細信息。 1 5c f d 軟件在柴油機上的應用 c f d 是計算流體力學( 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、數(shù)值計算方法和計算機技術的基礎上建立起來的新型學科。c f d 使用的方法是對所需分析的對象先抽象出其流場的控制方程，然后再用數(shù)值計 算方法將其離散到一系列空間網(wǎng)格節(jié)點上求解其離散數(shù)值解的一種方法。1 9 3 3 年，英國人t h o r n 首次用手搖計算機數(shù)值求解了二維粘性流體偏微分方程，c f d 技術由此而生。1 9 7 4 年，丹麥的n i e l s e n 首次將c f d 用于暖通空調工程領域， 1 0 西華大學碩士學位論文 對通風房間內的空氣流動進行模擬。之后短短的2 0 多年內，c f d 技術得到了 迅猛的發(fā)展。 隨著世界范圍內汽車行業(yè)競爭的日益激烈，生產(chǎn)廠家需要不斷推出新產(chǎn)品 和完善現(xiàn)有產(chǎn)品來占領市場，這就要求在縮短設計、改進周期的同時提高設計 精度和產(chǎn)品的可靠性，以往采用的“樣機研制一進行試驗一改進設計”的設計 模式費時、費力已經(jīng)無法滿足市場需要變化。要實現(xiàn)上述要求，必須充分利用 計算機資源，加強對模型的開發(fā)完善，用模擬計算結果來指導設計【3 9 1 。 c f d 技術應用于發(fā)動機上，對于探求燃燒放熱效率和排放物形成的機理， 使發(fā)動機滿足日益嚴格的排放法規(guī)的要求有著重要的意義。目前，c f d 技術己 被成功地應用于對不同類型的汽油機和柴油機的進氣流場、噴霧形成及發(fā)展、 工質燃燒以及排放物的形成進行分析和優(yōu)化的研究工作。 內燃機三維模型實質是求解缸內氣體運動的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，平均動量方程，平均能量方程和氣體狀態(tài)方程，考慮到 缸內氣流運動為湍流運動，又增加了k s 方程，即湍動能k 方程和湍動能耗散 率g 方程。 目前研究人員對湍流燃燒本質的認識尚未完全清楚，內燃機缸內的湍流具 有強渦流、強壓縮、強瞬變和各向異性的特點；對湍流與化學反應的相互作用 的研究還不夠深入，燃燒化學反應十分復雜，因此目前的燃燒模型尚處于半經(jīng) 驗、半理論基礎上。但隨著對湍流燃燒機理認識的深入，現(xiàn)在的湍流燃燒模型 將會減少并逐步消除其中的經(jīng)驗成分，使其建立在更深厚的理論基礎之上。 近年來，c f d 技術逐漸應用于柴油發(fā)動機缸內流動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，而是更近于試驗的分析研究，且極大地依 靠一些簡化的、線性化的、與問題有關的數(shù)學方程，以及依靠邊試邊改的方法 和試驗所得的經(jīng)驗公式，它來源于實踐，是發(fā)動機現(xiàn)代設計所必需的有力工具 之一。 由于計算機硬件的發(fā)展和數(shù)值計算技術的改進，c f d 已經(jīng)成為一種極為有 效的科學手段，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，在發(fā)動機的研究中將發(fā)揮越來越大的作 用【柏】。 在國內外，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 ， 西華大學碩士學位論文 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、交通等領域得到了廣泛的應用。這些商用c f d 軟件對 燃燒的模擬已經(jīng)有了相當高的精度，因此被越來越多的研究人員應用到發(fā)動機 的燃燒過程模擬上。 1 6f i r e 軟件簡介 本文中模擬計算使用的是a v l f i r e 軟件。f i r e 是奧地利a v e 公司推出 的一款內燃機專用的流體力學計算軟件。a v l 公司是一家專門從事發(fā)動機研發(fā) 和制造的公司，a v l 模擬技術部門在汽車內外流動以及發(fā)動機噴霧燃燒模擬分 析方面有著豐富的經(jīng)驗和多年的積累。 在a v l 幾十年發(fā)動機研發(fā)過程中開發(fā)的c f d 軟件f i r e 在業(yè)內享有很高 的聲譽。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，可以完成對仿真參數(shù)、求解 器內核和計算結果的控制。在f i r e 中既可以模擬發(fā)動機中的穩(wěn)態(tài)流動，也可 以模擬發(fā)動機瞬態(tài)的工作過程。同時f i r e 還可以和其它領域的仿真軟件( 如 b o o s t ) 集成做耦合計算，從而綜合計算發(fā)動機的燃燒和流動過程。它擁有全 自動，半自動以及手動方式生成靜網(wǎng)格和動網(wǎng)格的能力；同時，還包含豐富的 湍流、燃燒和排放預測模型，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 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 預測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 進行耦合求 解。目前該軟件應用主要針對發(fā)動機領域，包括：進排氣系統(tǒng)優(yōu)化設計、冷卻 水套熱力分析、瞬態(tài)缸內流動、噴嘴內流動、噴霧燃燒、催化轉化器起燃過程 竺竺 4 q 葉“寸o 1 7 本文的研究內容及意義 1 7 1 研究內容 為深入分析燃燒室形狀及噴射規(guī)律對c a 6 d e i 2 1 發(fā)動機工作過程的影響， 本文利用c f d 軟件a v l - - f i r e 對不同燃燒室及不同噴射規(guī)律情況下的混合氣 1 2 西華大學碩士學位論文 形成過程及燃燒過程進行三維數(shù)值模擬，并著重分析上述各工況下的缸內速度 場、湍流動能、濃度場及溫度場的變化規(guī)律。在對比分析的基礎上，優(yōu)化設計 燃燒室形狀并進行預噴射規(guī)律的匹配研究。 本文研究的具體內容如下： l 、完成對c a 6 d e l 2 1 發(fā)動機缸內燃燒燃燒室的建模，用f i r e 軟件劃分 發(fā)動機缸內流體的網(wǎng)格。 2 、用f i r e 對直噴發(fā)動機的混合氣形成過程進行三維數(shù)值模擬。 3 、研究燃燒室形狀對c a 6 d e l 2 l 發(fā)動機進氣流場和燃燒的影響規(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計方案。 4 、研究噴射規(guī)律對c n g 發(fā)動機混合氣形成的影響規(guī)律。在固定燃燒室形 狀的模擬平臺下，考察預噴射規(guī)律對缸內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，并進行燃燒性能分析。 1 7 2 研究意義 直噴柴油機的主要排放物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混合氣的形成條件有關。當其它條件不變時，為了抑 制n o x 的生成量，適當減弱混合期內氣流強度，易形成局部高溫缺氧，不利于 擴散燃燒，使n o x 生成量減少?；蛘咴谌紵埃瑖娙胛⒘咳剂线M行預混合，減 低燃燒速率，使缸內溫度減低，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，如何控制燃燒室內氣流運動規(guī)律及強度是及其重要的。 直噴發(fā)動機燃燒室內的氣流運動狀態(tài)及其變化規(guī)律主要取決于燃燒室的結 構形狀和噴射規(guī)律。而燃燒室內的流場特性的試驗很復雜，需要一些昂貴的高 速攝影等測試設備。因此，通過使用模擬計算來分析燃燒室內的氣流運動分布 規(guī)律，是一種有效手段。本文利用f i r e 軟件，對三種不同結構形狀的縮口型 直噴式燃燒室進行了數(shù)值模擬計算，分析不同燃燒室結構對燃燒室內氣流運動 分布規(guī)律影響，以便分析這種氣流運動規(guī)律對排放特性的影響。 結合我國車用柴油機所采用的縮口型直噴式燃燒室，分析不同結構形狀的 縮口型燃燒室內的氣流運動及其燃燒規(guī)律，并以此為依據(jù)改進燃燒室設計，是 很有現(xiàn)實意義和實用價值的。 1 3 西華大學碩士學位論文 2 燃燒模型的建立 數(shù)學方法的發(fā)展、湍流模型的完善、高速大容量計算機的引進等為c f d 輔 助發(fā)動機研究提供了較好的條件。由于三維模擬對物理過程的描述及邊界條件 的確定更接近實際，因而有更大的發(fā)展?jié)摿?。目前內燃機多維數(shù)值模擬計算程 序得到了迅速發(fā)展，并已得到了廣泛的應用，取得了與試驗結果比較吻合的計 算結果，顯示了較強的預報能力，對內燃機的研制、開發(fā)、設計及試驗研究有 彳艮大的啟示作用和參考價值。 本文應用f i r e 軟件建立了基于直噴發(fā)動機缸內流場及燃燒的模擬平臺， 可獲得發(fā)動機常規(guī)試驗中無法得到的缸內燃燒參數(shù)的信息，用于評價直噴發(fā)動 機進氣、燃燒過程及排放性能。 2 1 發(fā)動機基礎參數(shù) 本文針對一汽集團國產(chǎn)c a 6 d e l 2 1 重型車用柴油機的性能要求，分析設計 了三種不同縮口型直噴式燃燒室，同時進行了數(shù)值模擬計算，分析了不同結構 的柴油機燃燒室對進氣流場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 機主要技術參數(shù)。 表2 1c a 6 d e l 2 1 發(fā)動機主要技術參數(shù) 項目單位技術參數(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 標定功率轉速k w r 心l15 5 2 3 0 0 最大扭矩