（光学工程专业论文）进气初始条件对高密度低温柴油机燃烧和排放的影响.pdf

柴油机在h c 和c o 排放上具有汽油机无法比拟的优势。然而，由于柴油机 n o x 和碳烟排放存在“此消彼长 关系的缘故，同时降低这两种排放物非常困难 尽管柴油机后处理技术取得一些进展，然而，这种技术距实用化尚待时日。许多 学者尝试探索柴油机新的燃烧放式来达到同时降低n o x 和碳烟的目的。高密度 低温燃烧技术是从混合与化学过程时间尺度控制的基本概念出发，提出了时 间尺度控制燃烧过程( t s c c ) 的概念。在降低充量初始温度的条件下，可以通过提 高增压压力，提高充量密度。现代高强化柴油机在高负荷时，压缩终点的压力超 过1 0 m p a ，温度超过1 0 0 0 k ，传统意义上的着火滞燃期只有1 0 0us 左右。在这 种“极端”条件下，如何提高热效率，同时实现超低n o x 和微粒排放是新一代 内燃机燃烧理论和技术的重要课题。高密度低温燃烧模式有可能成为解决这 个难题的有效途径。对柴油机燃烧过程的研究除了传统的实验方法外，利用计算 机软件进行相关数值模拟也是一项常用手段。 本文系统地论述了缸内燃烧过程的三维数值模拟方法，分析了缸内气相湍流 模型、喷雾模型、燃烧模型的建模机理，并利用a v l 公司开发的三维模拟软件 f i r e ，建立柴油机模型，验证模型的准确性，利用正交试验方法设置试验方案， 并运用模型模拟了不同初始条件( 进气温度，进气压力和e g r ) 下的柴油机燃烧 过程，获得了发动机有关性能指标。研究表明： 1 ) e g r 对缸内燃烧的影响最大，进气温度和进气压力次之； 2 ) 指示燃油消耗率达到最小值的最佳水平组合为： 5 0 负荷时；e g r 取0 、进气温度取4 0 0 c 、进气压力取2 7 b a r ； 7 5 负荷时；e g r 取0 、进气温度取2 0 0 c 、进气压力取2 8 b a r ； 1 0 0 负荷时；e g r 取0 、进气温度取2 0 0 c 、进气压力取2 8 b a r ； 3 ) 平均指示压力达到最大值的最佳水平组合为： 5 0 负荷时；e g r 取0 、进气温度取4 0 0 c 、迸气压力取2 7 b a r ； 7 5 负荷时；e g r 取0 、进气温度取2 0 0 c 、进气压力取2 8 b a r ； 1 0 0 负荷时；e g r 取0 、进气温度取2 0 0 c 、进气压力取2 8 b a r ； 4 ) 碳烟排放量达到最小值的最佳水平组合为： 5 0 负荷时；e g r 取0 、进气温度取2 0 0 c 、进气压力取2 8 b a r ； 7 5 负荷时；e g r 取0 、进气温度取2 0 0 c 、进气压力取2 8 b a r ； 1 0 0 负荷时；e g r 取0 、进气温度取2 0 0 c 、进气压力取2 8 b a r ； 5 ) n o x 排放量达到最小值的最佳水平组合为： 炒 摘要 5 0 负荷时；e g r 取o 2 、进气温度取2 0 0 c 、进气压力取2 6 b a r ； 7 5 负荷时；e g r 取0 2 、进气温度取4 0 0 c 、进气压力取2 8 b a r ； 1 0 0 负荷时；e g r 取0 2 、进气温度取2 0 0 c 、进气压力取2 6 b a r ； 最后的综合平衡分析的最优方案是： 5 0 负荷e g r 为0 1 ，进气压力为2 7 b a r ，进气温度为4 0 0 c ； 7 5 负荷e g r 为0 1 ，进气压力为2 8 b a r ，进气温度为2 0 0 c ； 1 0 0 负荷e g r 为0 1 ，进气压力为2 8 b a r ，进气温度为2 0 0 c 。 关键词：车用柴油机；高密度一低温燃烧；正交试验法； 初始条件；模拟仿真 a b s t r a c t 一一_ 一 a b s t r a c t t h eh ca n dc oe m i s s i o n so fd i e s e le n g i n ea r em u c hl e s st h a nt h a to fg a s o l i n e e n g i n e h o w e v e r , b o t hr e d u c i n gn o xa n ds o o te m i s s i o n so fd i e s e le n g i n ea r ev e r y d i f f i c u l tb e c a u s et h ee m i s s i o n sh a v e “t r a d e o f f r e l a t i o n s h i p a l t h o u g h t h ea f t e r p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fd i e s e le n g i n eh a sag r e a td e v e l o p m e n t ，i ti s s t i l lf a rf r o m p u t t i n gt h et e c h n o l o g yi n t ou s e m a n ys c h o l a r sh a v et r i e dt oe x p l o r et h en e w d i e s e l c o m b u s t i o nm o d e lt ob o t hd e c r e a s ee m i s s i o n so fn o x a n ds o o t h i g hd e n s i t y l o w t e m p e r a t u r e c o m b u s t i o np r o p o s e st i m es c a l e c o n t r o lo ft h ec o m b u s t i o np r o c e s s ( t s c c ) c o n c e p tb a s e d o nc h e m i c a lp r o c e s s e sf r o mt h em i x i n gt i m es c a l ec o n t r o l t h e v o l u m e t r i cd e n s i t yc a nb ci m p r o v e db yi n c r e a s i n gt h es u p e r c h a r g ep r e s s u r e a st h e i n i t i a lt e m p e r a t u r ei sr e d u c e d o nt h eh i g h 1 0 a dc o n d i t i o no fm o d e mh e a v yd u t y d i e s e le n g i n e ，t h em a xc o m p r e s s i o np r e s s u r ei sm o r et h a n1 0 m p a ；t e m p e r a t u r ei s g r e a t e rt h a n1 0 0 0 k ；a n dt h et r a d i t i o n a ls e n s e o ft h ei g n i t i o nd e l a yi so n l y1 0 0 【l a s o ， h o wt oi m p r o v et h et h e r m a le f f i c i e n c ya n da c h i e v eu l t r a l o wn o x a n dp a r t i c u l a t e e m i s s i o n si sa ni m p o r t a n ti s s u ef o rn e wg e n e r a t i o no fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e c o m b u s t i o nt h e o r ya n dt e c h n o l o g yo nt h i s “e x t r e m e ”c o n d i t i o n h i g hd e n s i t y l o w t e m p e r a t u r ec o m b u s t i o nm o d em a yb ea ne f f e c t i v ew a y t os o l v et h i sp r o b l e m n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sac o m m o nw a y t os t u d yt h ed i e s e le n g i l l ec o m b u s t i o np r o c e s s b e s i d ee x p e r i m e n t a l i nt h i sp a p e r , t h e3 - d i m e n t i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o do ft h ec o m b u s t i o n p r o c e s si sd i s c u s s e d ，t h em e c h a n i s mo f g a st u r b u l e n c em o d e l ，s p r a ym o d e l ，a n d m o d e l i n gc o m b u s t i o nm o d e la r ea n a l y z e d d i e s e le n g i n em o d e li sp r o p o s e du s i n g s i m u l a t i o ns o f t w a r ef i r e ，a n dt h ea c c u r a c yo ft h em o d e li sv e r i f i e d e x p e r i m e n t p r o g r a mi s s e tu s i n go r t h o g o n a lp i l o t t h ee f f e c to fi n i t i a lc o n d i t i o n s ( i n t a k ea i r t e m p e r a t u r e ，a i rp r e s s u r e a n de g r ) o nd i e s e le n g i n ec o m b u s t i o np r o c e s sw a s s i m u l a t e du s i n gm o d e la n dt h ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sh a v eb e e ng o t t h er e s u l t s i n d i c a t et h a t ： 1 ) e g rh a sg r e a t e s ti m p a c to nt h ec o m b u s t i o n ，i n t a k ea i rt e m p e r a t u r ea n da i r p r e s s u r ef o l l o w e d ； 2 ) t h eo p t i m a lc o m b i n a t i o n so fi s f c a r e ： 5 0 o f t h el o a d ； e g ri s0 ，i n t a k ea i rt e m p e r a t u r ei s4 0 u c ，i n l e tp r e s s u r ei s2 7 b a r 7 5 o f t h el o a d ； l a b s t r a c t e g ri s0 ，i n t a k ea i rt e m p e r a t u r ei s2 0 0 c ，i n l e tp r e s s u r ei s2 8 b a r 0 0 o f t h el o a d ； e g ri s0 ，i n t a k ea i rt e m p e r a t u r ei s2 0 0 c ，i n l e tp r e s s u r ei s2 8 b a r ) t h eo p t i m a lc o m b i n a t i o n so fi m e p a r e ： 5 u o f t h el o a d ； e g ri s0 ，i n t a k ea i rt e m p e r a t u r ei s4 0 0 c ，i n l e tp r e s s u r ei s2 7 b a r 7 5 o f t h el o a d ； e g ri s0 ，i n t a k ea i rt e m p e r a t u r ei s2 0 0 c ，i n l e tp r e s s u r ei s2 8 b a r 1 0 0 o ft h el o a d ； e g ri s0 ，i n t a k ea i rt e m p e r a t u r ei s2 0 0 c ，i n l e tp r e s s u r ei s2 8 b a r 4 ) t h e o p t i m a lc o m b i n a t i o n so fm a s sf r a c t i o no fs o o ta r e 5 0 o f t h el o a d ； e g ri s0 ，i n t a k ea i rt e m p e r a t u r ei s2 0 0 c ，i n l e tp r e s s u r ei s2 8 b a r 7 5 o f t h el o a d ； e g ri s0 ，i n t a k ea i rt e m p e r a t u r ei s2 0 0 c ，i n l e tp r e s s u r ei s2 8 b a r 1 0 0 o ft h el o a d ； e g ri s0 ，i n t a k ea i rt e m p e r a t u r ei s2 0 0 c ，i n l e tp r e s s u r ei s2 8 b a r 5 ) t h eo p t i m a lc o m b i n a t i o n so fm a s s f r a c t i o no fn o xa r e ： 5 0 o f t h el o a d ； e g ri s0 2 ，i n t a k ea i rt e m p e r a t u r ei s2 0 0 c ，i n l e tp r e s s u r ei s2 6 b a r 7 5 o f t h el o a d ； 。 e g ri s0 2 ，i n t a k ea i rt e m p e r a t u r ei s4 0 0 c ，i n l e tp r e s s u r ei s2 8 b a r 1 0 0 o ft h el o a d ； e g ri s0 2 ，i n t a k ea i rt e m p e r a t u r ei s2 0 0 c ，i n l e tp r e s s u r ei s2 6 b a r f i n a l l y , t h eb e s tc o m b i n a t i o nb a s e do no v e r a l lb a l a n c eo ft h ep r o g r a mi s ： 5 0 o f t h el o a d ； e g ri s0 1 ，i n t a k ea i rt e m p e r a t u r ei s4 0 0 c ，i n l e tp r e s s u r ei s2 7 b a r 7 5 o f t h el o a d ； e g ri s0 1 ，i n t a k ea i rt e m p e r a t u r ei s2 0 0 c ，i n l e tp r e s s u r ei s2 8 b a r 1 0 0 o ft h el o a d ； e g ri s0 1 ，i n t a k ea i rt e m p e r a t u r ei s2 0 0 c ，i n l e tp r e s s u r ei s2 8 b a r k e yw o r d s ： d i e s e l ：h i i g hd e n s i t y - l o wt e m p e r a t u r ec o m b u s t i o n ； o r t h o g o n a l ； i n i t i a lc o n d i t i o n s ：n u m e f i c a ls i m u l a t i o n 2 目录 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2 低温燃烧的研究发展现状l 1 3 数值模拟计算的发展研究现状4 1 4 主要的c f d 软件7 1 5 本文研究内容9 第二章柴油机模拟的数学模型和结果分析方法1 0 2 1 湍流模拟1 0 2 2 柴油机喷雾模拟模型1 5 2 3 柴油机缸内燃烧与排放模型1 7 2 4 正交试验设计方法1 9 2 5 本章小结2 1 第三章柴油机模型的建立及验证“2 2 3 1 试验方案的建立2 2 3 2 研究对象2 3 3 3 燃烧室的设置2 4 3 4 缸内设置参数的确定2 5 3 5 计算模型的选取2 5 3 6 计算结果与实验值的对比2 6 3 7 本章小结2 7 第四章模型结果及分析2 8 4 1 初始条件对放热率的影响2 8 4 2 初始条件对放热量的影响3 0 4 3 初始条件对最高燃烧压力的影响3 2 4 4 初始条件对最高温度的影响3 5 4 5 初始条件对指示燃油消耗率的影响3 7 4 6 初始条件对平均指示压力的影响3 9 4 7 初始条件对机械效率的影响4 2 4 8 初始条件对碳烟排放的影响4 3 4 9 初始条件对n o x 排放的影响4 5 4 1 0 综合分析4 7 4 1 l 验证最佳试验组4 9 本章小结4 9 第五章全文工作总结与展望5 1 5 1 全文总结5 1 5 2 工作展望5 2 参考文献5 3 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 柴油机由于其热效率高、容易获得高功率而被用作货车及船舶动力装置。最 近，人们正在对柴油机的作用进行重新评估，认为其高的热效率可有效降低作为 地球温室效应主要原因的c o 排放【1 l 。由于世界能源危机和环境污染的加剧，世界 各国对汽车发动机“节能减排”的要求变得愈发严格。推广柴油机是提高热效率 和降低温室气体排放的有效途径之一。此外，柴油机在h c 和c o 排放上也具有汽 油机无法比拟的优势。然而，由于柴油机n o x 和碳烟排放存在“此消彼长”关系 的缘故【2 j ，同时降低这两种排放物非常困难尽管柴油机后处理技术取得一些进展( 3 l ， 然而，这种技术距实用化尚待时日。k a m i m o t o 和k i t a m u r a 等分别以正庚烷为燃料 的由- t 副4 j 1 5 j 上标识了碳烟与n o x 的生成区，即生成碳烟和n o x 的当量比巾和 燃烧温度t 的条件。k o o k 等人指出了在由t 平面上柴油机传统燃烧模式与低温燃 烧模式中碳烟与n o x 的生成区【s l 。这些理论表明柴油机的n o x 、碳烟的排放，决 定于燃烧过程当量比和燃烧温度的变化历程。为同时降低n o x 、碳烟的排放寻找 燃烧控制路径提供了可能。为了满足日益严格的排放法规，柴油机需要一种有效的 技术途径同时降低n o 和碳烟排放。柴油机低温燃烧模式有可能成为解决这一难题 的有效手段。研究表明【6 】，在低当量比情况下，如果局部燃烧温度在2 2 0 0 k 以上， n o x 会大量生成： 在当量比较高的情况下，为了避开碳烟的主要生成区域，最高燃 烧温度则需要进一步降低。如果燃烧温度可以保持在低于1 6 5 0 k 的水平，无论当量 比如何，燃烧都可以完全避开n o x 和碳烟的主要生成区域，这种燃烧模式便是低温 燃烧。与传统直喷式柴油机的燃烧相比，低温燃烧模式通常增加燃烧前的油气混 合，或者采用大量的排气再循环( e g r ) 。由空气或e g r 稀释后的混合气使燃烧温度 降低，从而减少n o x 的生成。均质混合气的形成减少了局部过浓的区域，从而减少 了碳烟的生成。同时，稀薄的混合气也有利于抑制碳烟的生成。 1 2 低温燃烧的研究发展现状 目前诞生的低温燃烧技术有很多种，它们各自有优缺点。第一种是h c c i ，它 是低温燃烧的一个分支，是同时降低柴油机n o x 和碳烟排放的一种有效手段。其 主要观点是在着火前形成一种理想的均质稀薄混合气，通过提高压缩比，采用e g r 、 2第一章绪论 进气加温和增压等手段来提高缸内混合气的温度和压力，使气缸内的高度稀释的 预混合气可以实现多点同时着火【7 】。目的是不需要n o 还原催化器或大幅度减轻 其负担【8 】。h c c i 燃烧的应用也存在着些问题；在大幅降低n o x 和碳烟排放的同 时，h c 和c 0 排放却大幅增加，特别是在低负荷条件下；为了避免爆震，发动机 的工作范围很窄，仅限于部分负荷，因此在动力性上受到限制；由于h c c i 着火 过程完全依靠化学动力学，其燃烧相位和燃烧速率难以直接控制；其冷起动和瞬 态的性能不佳；在均质混合气的制备以及h c c i 控制策略方面仍然需要进一步研究 【9 】【1 0 】。今后还有必要分析下列现象和效果：( 1 ) 着火滞后的化学反应机理和燃油性 状的效果；( 2 ) 混合气和温度的不均匀性带来的影响；1 3 ) 燃油附着于气缸表面的现 象；( 4 ) 排气的生成机理；( 5 ) 热损失机理。要解释这些现象和效果，必须从以详细 化学反应与计算流体动力学( c f d ) 相结合的计算编码进行模拟和发动机试验两方 面进行研究开发。特别是对与着火有关的缓慢低温氧化反应和其后的急剧高温氧 化燃烧现象的说明及其最佳控制来说，这些手段的有效利用是必不可少的。在实 用化方面，抑制由温度和混合气的不均匀带来的气缸间偏差也是课题之一， 在 用进气温度传感器，燃烧压力传感器和火焰传感器检测燃烧状态的同时，还必须 确立包括以多次喷射、e g r 及进、排气气门可变机构控制压缩比和残留气体( 内部 e g r ) 在内的高度燃烧控制法。由此，虽然必须将稀薄预混合压缩着火的运转领域 扩大到高速高、低负荷领域，但不得不说这是一个复杂且高成本的装置【9 j 。 第二种是柴油机浓混合气无烟燃烧技术( s m o k e l e s s r i c hd i e s e lc o m b u s t i o n ) 由丰田公司开发【1 1 1 。浓混合气无烟燃烧式柴油机拥有与传统直喷式柴油机相同的 热效率，然而它的n o x 和碳烟排放却低很多。柴油机浓混合气无烟燃烧是在理论 空燃比甚至是更浓的混合气条件下，通过大量的冷e g r ( 6 0 或者以上) 来保持油束 内的温度低至无微粒生成，但是对高e g r 率的需要限制了其只能在低负荷区域应 用，而且e g r 的增加使h c 和c o 排放以及燃烧效率下降。这种新燃烧方式和传统 延长滞燃期以使局部混合气稀薄化，从而降低黑烟的方法不同，它是利用了至今 从未利用过的特性，即通过大流量e g r 大幅度降低燃烧温度，从而抑制黑烟生成 反应的无烟化技术。大流量e g r 情况下的黑烟排放具有以下特性：不是一味地随 着e g r 的增加( 即空燃比的降低) 而增加，而是在一定的e g r 率以上( 即一定的空 燃比以下) 会再次转为降低的趋势。本燃烧方式可以实现无烟浓燃，还可以通过 n o 吸附还原型催化器大幅度降低n o 排放【1 到。 第三种是m k 燃烧。k i m u r a 发现使用大量的e g r 、高涡流比和推迟喷油可以 同时降低n o x 和碳烟排放【1 3 j 【1 引。这种燃烧方式叫做“m o d u l a t e dk i n e t i c s 燃烧。 大量的e g r 导致着火延迟期延长，保证了油气在着火前更加充分地混合，因此，微 粒的生成被显著抑制；使用高涡流比抑制了h c 和可溶性有机成分( s o f ) 的生成；推 第一章绪论 3 迟的燃烧相位以及使用大量e g r 所降低的燃烧温度又显著减少了n o x 的生成。由 于喷油时刻与燃烧开始时刻近似一致，相对于h c c l 燃烧，燃烧相位更加容易控制。 但是，因为燃油的推迟喷射，大部分燃烧发生在膨胀行程，所以热效率下降，失 火的风险增加。此外，在大负荷区域喷油持续期增加，因此需要更长的着火延迟 期来保证燃油在着火前进入气缸；然而，负荷的增加同时导致了e g r 温度的上升， 使着火延迟期缩短。因此，大负荷时整个喷射过程很难在着火延迟期内完成。 第四种u n i b u s ( u n i f o r mb u l k yc o m b u s t i o ns y s t e r n ) 燃烧技术由丰田公司开 发。最初的u n i b u s 燃烧是通过提前喷油时刻、提高喷油压力、缩短喷油脉冲以 及使用e g r 来形成均质的混合气【1 s l 【1 6 1 。在随后的研究中，u n i b u s 燃烧模式采用 了两次喷射的策略【17 j 通过控制首次喷射时刻、喷射量、进气温度以及进气压力， 燃油可以开始低温化学反应但是不会燃烧；而在上止点附近的第2 次喷射，则是 引发燃烧的关键因素。通过改变第2 次喷油时刻，燃烧相位可以得到控制。在 u n i b u s 燃烧模式下，增大进气压力可以使压力升高率大大降低【1 剐升高的喷油压力 可以降低碳烟生成速率，却增加碳烟氧化速率；负荷增加则会同时增大碳烟的生 成和氧化速率【1 引。 第五种是部分预混合燃烧，它是通过燃油部分预混合来减少燃烧中扩散部分 的比例。该种燃烧方式通过将燃油在压缩行程直喷，利用很长的一段时间来形成 预混的稀薄混合气；或者可以在进气道内预先喷射一部分燃油，从而获得一部分 均质混合气。这种燃烧方式可以将排放降至很低水平，但是，当喷油量超过一定的 范围时，将会发生爆震【1 引，这限制了部分预混合燃烧的工作区域。同时，这种燃烧 方式伴随着燃烧效率的下降及h c 和c o 等污染物的上升【2 0 】 2 1 1 。如果不使用e g r ， 这种燃烧方式所产生的n o x 和燃烧噪声比h c c l 燃烧高很多【l 剐。 第六种是稀预混压燃燃烧( p c c i ) 路径【2 2 1 ，通常采用的技术手段是在压缩冲程早 期进行燃油喷射，此时的缸内温度与压力较低，化学反应速率较慢。早喷的燃油 在着火前有很充足的时间实现均匀的混合。p c c i 燃烧方式可以实现低碳烟和n o x 的排放。“早喷”技术难题是；较低的缸内压力和温度使燃油和缸套碰撞，造成润 滑油的稀释，燃油的消耗增加；混合气燃烧始点提前引起“敲缸”。在普通柴油 机压缩比条件下，柴油低温自燃通常发生在上止点前2 0 。c a 左右，然后是急骤的 高温放热。随着发动机负荷的增加，这种现象愈加严重。它导致散热损失增加， n o x 排放增加。t a k e d a 【2 3 】与n a k a g o m e 2 4 】等人对此燃烧模式开展研究，均取得某些 突破。第七种是稀扩散燃烧( l d c ) 路径【2 5 1 。燃油喷射发生在上止点附近。实现该路 径最重要的是增强燃油的混合过程，使着火前当量比下降到2 附近。然后预混燃 烧开始，伴随着混合气的温度快速上升。由于此时是贫氧燃烧( 中2 ) ，只能产生 不完全燃烧的中间产物。为此必须使中间燃烧产物与燃烧室内未参与燃烧的氧分 4第一章绪论 子实现充分混合才能继续氧化反应，显然贫氧预混燃烧后的燃烧是由混合控制的 燃烧。此时发动机已进入后燃期，其混合速率决定了燃烧产物和发动机热效率。 总上所述，上文所接受的低温燃烧技术的共同目的是在追求高热效率的同时 最大限度的降低排放。但是各种燃烧技术都有一定的优势也存在许多问题。在中 低负荷范围内实现了高效、清洁燃烧但随着负荷的增加，拓宽发动机运行范围亦 受到限制。为了解决这个问题，目前有一种新的技术；高密度一一低温燃烧技术引 起学者的注意。苏万华等【2 6 】人从混合与化学过程时间尺度控制的基本概念出发， 提出了时间尺度控制燃烧过程( t s c c ) 的概念，化学过程时间尺度锄可以用 a r r h e n i u s 方程表示： 式中为是该反应时刻的温度，w f u e z 和，分别为燃料和氧参加化学反应的浓 度。众所周知， 为对影响的权重最大，降低为可大幅度抑制化学反应率。混 合率决定( p f u e z 和，因此提高混合率即提高化学反应率。但另一方面， 降低 不会降低蒸发率，从而影响混合率。反过来抑制化学反应率，低温燃烧存在拐点。 其中受e g r 气体影响，增加e g r 一方面可降低氧浓度延长滞燃期，增加预混 二 合气的混合时间，增加预混合气量，另一方面减少叩d 也抑制了可参与化学反应的 二 叩向“和，的生成率。e g r 的多重作用使燃烧控制增加了变数。在降低充量初始 温度的条件下，可以通过提高增压压力，提高充量密度。理论计算e g r 气体的热 容即使在2 0 0 0 k 的高温下也只是空气热容的1 0 8 倍。e g r 的热容作用完全可以用 增加8 的空气来替代。现代高强化柴油机在高负荷时，压缩终点的压力超过 i o m p a ，温度超过1 0 0 0 k ，传统意义上的着火滞燃期只有1 0 0us 左右。在这种“极 端条件下，如何提高热效率，同时实现超低n o x 和微粒排放是新一代内燃机燃 烧理论和技术的重要课题。高密度一一低温燃烧模式有可能成为解决这个难题的有 效途径。 1 3 数值模拟计算的发展研究现状 数学模型应用于内燃机循环过程的数值模拟已经有很长的历史。甚至早到十 九世纪末内燃机诞生的初期。英国人d c l e r k 是内燃机工作过程模拟研究的首创者。 旦 e c 叩 酣 吃 a | i 政 第一章绪论 5 他于1 8 8 2 年用标准空气循环分析方法比较了内燃机的热效率。稍后，德国人 r d i e s e l 提出了一系列具有不同燃烧方式的内燃机的循环模型。但在此后的8 0 年 的发展中，在这方面没有重大突破。研究工作主要集中在改进未燃和已燃混合气 热力学的计算精度上。1 9 3 6 年c h o t t l e l 等人制定了已燃混合气热力学性质图表， 为内燃机性能计算提供了一个极有用的工具。上世纪6 0 年代出现了首批电子计算 机的内燃机循环的模拟研究工作，其目标是预测发动机的动力性和燃油经济性。 自那时以来，内燃机工作过程和燃烧过程数学模型的研究突飞猛进地向前发展。 计算模型发展经历了放热率计算、零维模型、准维模型和多维模型这样四个阶段 1 3 1 零维模型 零维模型又叫单区模型，它假定气缸内工质均匀分布，各个热力学参数和热 物理参数处处相等，即随时处于热力学平衡状态，零维模型已经被广泛用于内燃 机设计和研究中去，零维模型主要应用在两个方面。 根据己知示功图计算放热率曲线。 用经验的放热规律预测示功图，计算各种参数变化对内燃机性能的影响， 以及找出最佳参数匹配。 零维模型最大特点是舍掉了物理一化学反应过程，认为系统内各点的热力学 性质和化学状态固定，然后在研究大量试验数据的基础上得出经验系数，将复杂 的缸内过程抽象为几个参数之间的变化关系。零维模型主要用于在内燃机设计阶 段。其突出优点是简单，能够满足一般性能计算的要求。但是由于它是经过简化 的模型，完全不能考虑燃烧室几何形状的影响，且忽略了火焰传播过程以及燃烧 室内已燃气和未燃气同时存在的现象，因此它无法描述喷雾、油滴蒸发、混合、 卷吸及工质运动等重要物理过程等，无法真实的反映发动机的性能；而且虽然计算 过程较为简便，但是由于该模型的准确率依赖十分经验数据。所以一旦经验数据 选择不慎就会影响到整个计算结果。 1 3 2 准维模型 准维模型主要是研究和预测柴油机的排放特性，及寻求对其控制的措施而发 展起来的。它是在热力学模型的基础上考虑喷雾及火焰传播等物理过程的长度尺 寸，把燃烧室按火焰位置或喷注空间分布形态分成两个以上的区域，分别考虑喷 雾分散、油滴蒸发、直喷式柴油机涡流室燃烧系统的燃烧模拟混合与卷吸、燃烧 与火焰传播及已燃区燃烧产物变化等子过程，组成燃烧模型预不同区域的燃烧温 6 第一章绪论 度，并针对不同机型侧重不同的子过程，使放热率更接近实际，能预测有害排放 物浓度。在众多的燃烧模型中，具有代表性的准维模型有两种。一种以喷注的混 合理础，称为喷注混合燃烧模型，另一种以油滴燃烧理论为基础，称为油滴燃烧 模型。 喷注混合燃烧模型 1 9 7 5 年c u m m 工n s 林慰祥博士等提出的模型可以作为有代表性的喷注混合 燃烧其根据主要是a b r a m o v i c h 的稳定喷注在有限空间里的混合理论。这种理论认 为，油机燃烧过程中，由于缸内工质的温度己远远超过燃油汽化的温度，燃油只 能以汽状态存在，柴油机的燃烧过程主要是燃油蒸汽和空气的混合来控制。在模 型中燃烧喷注被再分成多达1 0 个小区，这些小区的边界线实际上是喷当量比曲线。 由于假设各个小区的成分是均匀的，所以按照事先选定的喷注中燃比沿喷注中心 线及喷注半径方向的分布曲线，用积分方法就可求出该瞬时各个小油浓度及燃烧 的混合物准备率，从而确定各个小区的温度、成分比，最终求出整在该瞬时的压 力、温度等参数。 ( 参油滴燃烧模型 日本广岛大学广安博之提出的油滴燃烧理论认为燃油颗粒与周围空气间混重 要的影响，但如何描述碰壁现象，如何表征缸内充量运动对喷注碰壁的影响就油 机准维模型发展的关键问题之一。因此中外很多学者都在研究喷注碰壁现象，测 量手段测量碰壁后速度和浓度的时空分布。n o b l h i k o 等人对直喷式柴油机浅盆室 的油束碰壁现象研究后发现，混合气的形成和燃烧速度随碰壁而汽化的那部分的 增加而增加，即燃烧速度由燃油蒸气的紊流混合过程所控制，不总能由油滴分解 释。 1 3 3 多维模型 多维模型是用数值方法求解描述燃烧过程的质量、动量、能量和化学组分的 程。这是一组多自变量的偏微分方程。根据空间坐标，又可分为一维、二维和三 维多维模型一般有模拟缸内各个物理化学过程的若干子模型组成。再结合适当的 件，用数值方法求解。计算结果能够提供有关燃烧过程中温度、压力、成分及排 在每时间步长下每一空间位置分布情况，故它是一种较为精细的模型。大连理工 第一章绪论7 大学硕士研究生学位论文虽然多维能精准模拟燃烧过程，但其发展也面临许多问 题，最首要的问题就是计算机容量和速度。多维模型的广泛应用有赖于电子计算 机的发展。其次，如何获得更多更准确的数据来评价多维模型也是一个难题，还 有赖于测试技术的发展。多维模型目前正处在迅速发展的阶段，它的一些子模型， 特别是湍流模型和湍流燃烧模型，还远未达到成熟。但随着计算机技术的飞跃发 展和相关学科中新成果的不断涌现，使得多维模型的研究、发展和应用正以前所 未有的规律和速度向前发展。三种模型相比，各有其应用特点。由于零维模型的 放热率来源于实验结果，故在适用范围内，它能较好的预测发动机的性能指标， 它的突出特点是简单，计算费用小，较实用。但正是由于零维模型的纯经验性， 使它无法反应流场、燃烧室形状对发动机性能的影响，故它对燃烧现象实质不能 提供更多的信息。另外，由于均匀态的假设使得它不能预测排放，它的应用因而 带有较大的局限性。多维模型理论上讲虽然精细，但实际模拟计算中为求解偏微 分方程不得不做很多重大的简化假设，加之边界条件难以准确确定，所得结果仍 有很大的猜测性，再加上计算机容量和计算成本的限制，实际的三维计算成本目 前还太高。在最近一段时间内，多维模型的作用还只能是探索性和解说性的。而 准维模型由于将热力过程和缸内紊流过程联系了起来，这就使它比零维模型有更 广的应用范围，加之它计算成本不算太高，有可能在今后较长的一段时间内，它 将作为内燃机燃烧过程模拟极端的有效模型之一。 1 一主要的c f d 软件 随着计算机技术和计算流体力学理论的发展，出现了越来越多的c f d 专业软 件。在内燃机领域中，使用较广泛的有k i v a 、s t a r c d 和f i r e 等软件。 1 4 1k i v a k i v a 程序是由美国l o s a l a m o s 国家实验室针对计算模拟内燃机中的热流现象 而开发的。美国l o s a l a m o s 国家实验室长期以来集中了众多的优秀专家，致力于计 算流体动力学和计算燃烧学的研究，在该领域做了许多开创性工作。在一系列多 维模拟的程序中，由该国家实验室开发的k i v a 系列程序作为一个非常优秀的软件， 已成为美国能源部能量转化和利用技术的一个重要组成部分。k i v a 程序集在不断 的发展完善过程中，开发、吸收了内燃机模拟领域最新的研究成果和模型，一直 处于仿真软件的领先地位。由于其源代码完全开放，研究者可以根据自己的需要 任意修改、添加不同的模型和子程序，所以世界各国的大学和研究机构许多都采 8 第一章绪论 用k i v a 作为内燃机工作过程的仿真工具，也出现了许多k i v a 程序的改进版。迄今 为止，从国际上发表的论文来看，内燃机多维燃烧模拟方面的研究约有5 0 是利 用k i v a 直喷式柴油机涡流室燃烧系统的燃烧模拟系列程序计算的。特别值得一提 的是，虽然k i v a 系列程序是针对内燃机燃烧室内的流动、燃烧计算编写的，但对 源程序作适当改动，就可以适应各种燃烧装置( 如燃气轮机) 内的流动和燃烧模拟， 正因如此，k i v a 系列程序得到了越来越广泛的应用。但是k i v a 程序最大的缺点是 网格生成方法的适用范围有限，在某些算例中会产生网格畸变，引起计算不稳定。 1 4 2s 1 - a r c d s t a r c d 是由c o m p u t a t i n a ld y n a m i e s l t d 公司推出的商用c f d 软件。由于网格 生成技术十分先进，使它在工业领域各学科得到了广泛的应用。s t a r c d 具有发动 机动网格生成的专门模块，可对多种气门型式、具有复杂几何结构的燃烧室和进 气道进行网格生成。并内嵌多种计算模型，可对多种不同实际问题进行模拟分析。 1 4 3f i r e f i r e 软件是由奥地利a v l 公司开发的用于模拟内燃机流动、喷雾、燃烧过程 的c f d 软件，由前处理，求解器和后处理三部分组成。该软件采用高阶格式，局 部嵌入网格，七一s ，r n g 及r s m 湍流模型，可计算可压流和不可压流，稳态与瞬 态流，运动边界问题，藕合传热问题及燃烧问题。对内燃机工作过程多维数值模 拟就是将缸内空间离散成结构化或非结构化的计算网格和高质量的动网格，f i r e 拥有网格和动网格生成能力，包含了全自动，半自动以及手动网格生成功能，能 够对进气道在内的复杂结构轻松实现快速优质的网格划分。数值计算采用移动边 界法，并引入各种物理化学模型，包括湍流、燃烧和排放预测模型等，同时用户 也可以根据不同的求解对象和环境自定义模型以实现模拟计算与实际情况的一致 性。f i r e 可计算发动机缸内任意时刻的温度场、速度场、压力场及排放物分布。 用数值方法在计算机上对内燃机中的湍流流动、喷雾混合、传热传质和燃烧排放 过程进行模拟。模拟计算不但能以图形形式显示与输出随时间变化的缸内详细信 息，而且能做到在不改变其他参数的情况下，只变动研究者所感兴趣的某个参数， 就能得到该参数对发动机性能的影响，为发动机优化设计提供依据1 2 列。 本文在研究过程中需要应用软件进行仿真计算。结合本校的资源和本人的学 习情况，本文选择f i r e 软件进行仿真计算。 第一章绪论 9 1 5 本文研究内容 根据学校的资源情况以及本文要研究的内容即应用a v l - f i r e 三维模拟软件研 究初始条件对高密度一低温柴油机燃烧和排放的影响是适宜的。 本文具体研究内容有： 运用e s e 模块对柴油机进行物理建模； ( d 运用a v lf i r e 进行了仿真计算，对模型的有效性进行了试验验证； ( d 分析初始条件( 进气温度、进气压力、e g r 率) 对高密度一低温柴油机燃 烧和排放的影响，着重解决在提高热效率的基础上，消除n o 和s o o t 排放物之间 “此消彼长”的问题。 1 0第二章柴油机模拟的数学模型和