基于CFD的柴油机缸内数值模拟及排放性能改善研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 2.83MB 59 页 15积分

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摘要

随着能源危机的日益凸显，环境污染问题的加剧，柴油机以其热效率高，经

济性好的优点在各行各业得到广泛的应用。提高柴油机动力性和经济性，降低 NOx

和微粒的排放，是改善柴油机性能的核心问题。为了满足日益严格的排放法规的

要求，改善柴油机燃烧过程是降低排放的有效手段之一。柴油机的燃烧过程是一

个十分复杂多变的物理化学过程，对其研究除了试验以外，缸内燃烧数值模拟也

是一种高效实用的方法。

本文论述了柴油机缸内燃烧过程的三维数值模拟计算方法，建立了缸内气相

湍流模型、燃油喷雾模型、燃烧模型等仿真模型。借助于奥地利 AVL 公司的 FIRE

软件，可不受试验条件的限制，对直喷式柴油机缸内燃烧过程进行了变参数数值

模拟计算，详细分析了缸内气相流场、温度场、压力场以及排放物浓度三维分布

情况。

本文以某重型载货车用柴油机为研究对象，建立了目标机型的简化结构模型，

模拟了柴油机压缩、燃烧、膨胀行程的工作状态。在不改变原目标机型压缩比的

情况下，对几种不同形状的燃烧室缸内流场及燃烧过程进行了仿真计算，重点分

析了不同形状燃烧室的缸内温度、压力、排放物浓度分布情况及变化规律。模拟

结果表明，燃烧室的形状可改变缸内流场特性，影响混合气的形成，进而决定不

同的燃烧特性。缩口率较小的燃烧室，可产生强烈的挤流，具有较长的涡流持续

期，缸内平均湍动能要明显高于其余两种燃烧室，加速了混合气的形成，可进一

步加强扩散燃烧，有效的减少微粒的排放量；在缩口率相同的情况下，有凸台的

燃烧室可在一定程度上减少 NOx 的生成。文中还分别考察了避阀坑、转速、喷油

持续角、喷油提前角等因素对缸内燃烧过程和排放物 NOx 及碳烟生成的影响，并

将模拟仿真计算结果与实测结果进行了比较，验证了计算模型设计的合理性。

关键词：柴油机数值模拟燃烧室喷油时刻排放

ABSTRACT

As the energy crisis and the population of environment become a global focus

recently, the diesel engine is widely used in many fields in life due to its thermal

efficiency and good economy. The key to improve the performance of diesel are to

enhance the power performance, to reduce fuel consumption and to improve the exhaust

emission of NOx and particulate matter. Optimizing the diesel engine’s combustion is

an effective method for the stringent vehicle emission regulation. The diesel engine

combustion is a physical and chemical process which is fairly complex and changeable.

Besides experimental study, multi-dimensions numerical simulation is also an efficient

method to study the in-cylinder combustion process.

The 3D numerical modeling of diesel engine combustion process and numerical

computing methods were introduced in this thesis. The turbulence models, spray models

and combustion models were analyzed in details. Without the experiment restricts, the

in-cylinder turbulence flow, diesel engine spray and combustion process, temperature

distribution, pressure distribution and exhaust emission distribution were well displayed

by the 3D numerical package FIRE developed by Austrian AVL company.

In this thesis, a direct injection diesel engine on heavy motor truck was taken as the

research object when simplified structure model of target engine is established, the

working position of compression stroke, combustion stroke and expansion stroke has

been simulated. Under the condition of keeping the same compression ratio of diesel

engine and volume of combustion chamber invariable, the in-cylinder combustion

process of different combustion chambers were compared. The analyses of the flow

field, fuel concentration field, temperature field and pressure field were carried out,

meanwhile the influence of mixture formation by different combustion chambers was

also given analysis. The results of the research indicated that longer swirl persistence

and larger turbulence kinetic energy of chamber with smaller reentrant diameter were

propitious to mixture formation, so that it enhanced the diffuse combustion, improved

the combustion character, and reduced the emission of particulate. The center convex of

combustion chamber reduced the emission of NOx under the condition of the same

necking coefficient. The influence of rotational speed, injection duration, injection

timing and hole of avoiding valve on the NOx and particulate matter in diesel engine

emissions have been studied in this thesis.

Key Words ：Diesel Engine, Numerical Simulation, Combustion

Chamber, Injection Timing, Emission

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................1

§1.1 课题来源 ..............................................................................................................1

§1.2 课题意义 ..............................................................................................................1

§1.3 柴油机缸内燃烧过程数值模拟发展与现状 ......................................................2

§1.3.1 国内外内燃机多维模拟的发展 ...................................................................2

§1.3.2 计算流体动力学概述 ...................................................................................3

§1.3.3 内燃机燃烧过程数值模拟技术的发展 .......................................................4

§1.3.4 柴油机燃烧过程多维仿真技术研究现状 ...................................................5

§1.4 课题主要研究内容 ..............................................................................................7

第二章直喷式柴油机燃烧过程仿真模型的建立 .........................................................9

§2.1 气相湍流流动模型 ..............................................................................................9

§2.1.1 湍流流动概述 ...............................................................................................9

§2.1.2 湍流的数值计算模拟方法 ...........................................................................9

§2.1.3 湍流模型 .....................................................................................................11

§2.1.4 湍流流动通用方程 .....................................................................................11

§2.2 燃油喷雾模型 ....................................................................................................12

§2.2.1 液滴破碎分裂模型 .....................................................................................13

§2.2.2 液滴蒸发模型 .............................................................................................14

§2.2.3 液滴湍流扩散模型 .....................................................................................16

§2.2.4 燃油喷雾撞壁模型 .....................................................................................17

§2.3 柴油机缸内燃烧模型 ........................................................................................18

§2.3.1 燃烧模型 .....................................................................................................18

§2.3.2 NOx 形成模型 .............................................................................................19

§2.3.3 碳烟的生成机理及氧化模型 .....................................................................20

§2.4 本章小结 ............................................................................................................22

第三章燃烧室形状对燃烧过程影响的多维数值模拟 ...............................................23

§3.1 计算对象 ............................................................................................................23

§3.2 燃烧室形状设计及网格划分 ............................................................................23

§3.2.1 燃烧室几何形状设计方案 .........................................................................23

§3.2.2 燃烧室网格划分 .........................................................................................25

§3.3 计算模型及边界条件 ........................................................................................25

§3.3.1 计算模型 .....................................................................................................25

§3.3.2 计算区域 .....................................................................................................26

§3.3.3 初始边界条件 .............................................................................................26

§3.4 计算结果及分析 ................................................................................................26

§3.4.1 缸内气流运动及湍动能分析 .....................................................................26

§3.4.2 缸内燃烧特性分析 .....................................................................................29

§3.5 燃烧室避阀坑对燃烧过程的模拟分析 ............................................................33

§3.5.1 燃烧室形状设计 .........................................................................................33

§3.5.2 模拟结果分析 .............................................................................................34

§3.5.3 试验结果分析 .............................................................................................36

§3.6 本章小结 ............................................................................................................36

第四章柴油机排放特性的多维数值模拟 ...................................................................37

§4.1 直喷式柴油机缸内燃烧三维数值仿真模型的建立 ........................................37

§4.1.1 仿真对象 .....................................................................................................37

§4.1.2 计算初始参数和边界条件 .........................................................................37

§4.1.3 缸内数值模拟燃烧过程的分段分析 .........................................................39

§4.2 不同转速及喷油持续角下的模拟结果与分析 ................................................40

§4.3 不同喷油提前角的模拟结果与分析 ................................................................45

§4.4 本章小结 ............................................................................................................48

第五章总结与展望 .......................................................................................................49

§5.1 全文总结 ............................................................................................................49

§5.2 后续工作展望 ....................................................................................................50

参考文献 .........................................................................................................................51

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................55

致谢 .............................................................................................................................56

第一章绪论

§1.1 课题来源

本学位论文课题来源于上海柴油机股份有限公司项目—SC11CK290Q3B 柴

油机气门定时优选研究。

§1.2 课题意义

1882 年德国人狄赛尔(Rudolf Diesel)提出了柴油机工作原理，1896 年制成了

第一台四冲程柴油机。一个世纪多以来，柴油机技术得以全面的发展，与汽油机

相比，柴油机有着诸多显著的特点：柴油机输出功率大，动力性能优异，比汽油

机有着更好的燃油经济性，同时其热效率可以达到百分之四十以上，在当前被产

业化应用的各种动力机械中，柴油机是燃烧效率最高、能量利用率最好、最节能

的热力发动机[1]；从燃烧形式来比较，柴油机燃料经高压油泵直接喷入燃烧室压

缩着火，不会产生早燃、爆燃等不正常的燃烧。直喷式柴油机的燃油与空气的分

层混合容易实现分层燃烧和稀薄燃烧，这种方式可以较大提高其燃油经济性和动

力性。装备了最先进技术的柴油机，升功率可达到 30~50kWh/L，扭矩储备系数

可达到 0.35 以上，最低燃油耗可达到 198g/(kw.h) ，标定功率油耗可达到

204g/kWh[2]；柴油机工作性能稳定可靠，耐久性好，汽油机的大修里程一般只有

30 万公里，技术先进的柴油机一般可达到 50 万公里；从排放性能方面比较，总

体上，柴油机的有害排放物要比汽油机的低，目前一些采用了最新技术的柴油机，

即使不采用任何后处理，其有害排放物总量可以降低到相当低的一个水平，与带

有三元催化反应器并采用闭环控制系统的汽油机排放水平相当。基于以上特点，

柴油机已被广泛应用于交通，工程机械，矿山机械和农用机械等国民经济支柱行

业中。

汽车柴油化是汽车工业发展的必然趋势[3]。长期以来，柴油机以其经济性好、

热效率高、功率覆盖面广、转速范围宽、排放低等优点，使其在汽车行业中的应

用范围不断扩大。欧洲柴油机轿车的产量已占总轿车年生产量的 32%，并且其比

重有越来越大的趋势。人们逐渐认识到，汽车的柴油化是目前保持汽车大批量、

低成本生产中，解决节能和环保双重压力的最经济、最有效的措施之一。

但是以我国现有的经济与技术水平，有着诸多的因素制约着汽车柴油化，其

中，柴油机的尾气排放控制是主要的技术难题之一。柴油机排放中的主要污染物

是微粒和 NOx，微粒是在高温、缺氧条件下生成的，NOx 是在高温、富氧条件下

产生的，二者之间的控制措施存在着矛盾，而且减排措施和燃油经济性之间也存

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摘要：

摘要随着能源危机的日益凸显，环境污染问题的加剧，柴油机以其热效率高，经济性好的优点在各行各业得到广泛的应用。提高柴油机动力性和经济性，降低NOx和微粒的排放，是改善柴油机性能的核心问题。为了满足日益严格的排放法规的要求，改善柴油机燃烧过程是降低排放的有效手段之一。柴油机的燃烧过程是一个十分复杂多变的物理化学过程，对其研究除了试验以外，缸内燃烧数值模拟也是一种高效实用的方法。本文论述了柴油机缸内燃烧过程的三维数值模拟计算方法，建立了缸内气相湍流模型、燃油喷雾模型、燃烧模型等仿真模型。借助于奥地利AVL公司的FIRE软件，可不受试验条件的限制，对直喷式柴油机缸内燃烧过程进行了变参数数值模拟计算，详...

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