摘 要

本文借助AVL-FIRE软件首先针对一个额定转速为1800r/min的发动机进行了空间三维模拟，针对于改变喷油提前角和改变喷油模式两种情况进行了比较，所得结果对于提高燃油经济性具有重要的指导意义。

论文主要研究了不同喷油提前角和2段喷射对柴油-正丁醇混合燃料缸内燃烧和排放的影响。

研究结果表明：喷油提前角的不同对于燃烧和排放的影响也不相同，喷油正时太早或者太晚对燃料的燃烧和排放都不是很好，找到一个合适的喷油提前角对于燃料的燃烧和排放至关重要。二段喷射对燃料的燃烧和排放作用更为明显，将单次喷射改为2二段喷射后，燃料的燃烧经济性明显提高。在研究中表明，在342.5°开始预喷，在352.5°开始主喷时，无论是从燃烧的经济性或者排放性来看，这种喷油策略比起单次喷射时要好得多。在342.5°开始预油时，压力和放热率也是比较理想的，而且极大地减少了NO的排放量，对环境也是非常友好。

本文的特色：本文运用AVL-FIRE软件对汽车发动机进行模拟，采用数值分析的方法，讨论了汽车发动机中不同的喷射策略对柴油-正丁醇混合燃料燃烧和排放的影响。

关键词：喷射策略；混合燃料；数值分析；缸内燃烧

Abstract

In this paper, with the help of AVL-FIRE software, a three-dimensional space simulation of an engine with rated speed of 1800 r/min is carried out. A comparison is made between changing injection advance angle and changing injection mode. The results obtained have important guiding significance for improving fuel economy.

In this paper, the effects of different injection advance angle and two-stage injection on combustion and emission of diesel-n-butanol blend fuel cylinder were studied.

The results show that different injection advance angles have different effects on combustion and emission. The timing of injection too early or too late is not very good for fuel combustion and emission. Finding a suitable injection advance angle is very important for fuel combustion and emission. The effect of two-stage injection on the combustion and emission of fuel is more obvious. The combustion economy of fuel is obviously improved when the single injection is changed to 22-stage injection.

The characteristics of this paper: The AVL-FIRE software is used to simulate the automobile engine. The effects of different injection strategies on the combustion and emission of diesel-n-butanol blends are discussed by numerical analysis.

Key Words：Injection strategy；Mixed fuel；numerical simulation；In cylinder combustion

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景、意义及目的 1

1.2国内外发展现状介绍 2

1.3研究内容目标及措施 3

第2章 单次喷射对燃烧和放热的影响 4

2.1AVL-FIRE模型的建立 4

2.1.1AVL-FIRE模型简介 4

2.1.2AVL-FIRE模型的参数 4

2.2模拟结果及分析 5

2.3喷油提前角对燃烧及排放的影响。 5

2.3.1喷油角提前角对放热速率的影响 5

2.3.2喷油角提前角对累积放热量的影响 6

2.3.3喷油提前角对未燃当量比的影响 7

2.3.4喷油提前角对平均反应速率的影响 8

2.3.5喷油提前角对一氧化氮排放平均质量分数的和平均生成速率的影响 8

2.3.6喷油提前角对碳烟燃烧和排放的影响 11

2.3.7喷油提前角对压力的影响 11

2.3.8喷油提前角对燃烧室温度的影响 12

2.4小结 13

第3章 二段喷射对燃烧及排放的影响 14

3.1二段喷射和单次喷射对压力的影响 14

3.2单次喷射和2段喷射对NO排放和碳烟排放的影响。 15

3.3小结 17

第4章 总结与展望 18

4.1总结 18

4.2展望 18

参考文献 20

致 谢 22

第1章 绪论

1.1课题研究背景、意义及目的

近年来被排入大气中的废气慢慢地在恶化我们赖以生存的大自然，作为空气污染的来源之一，这成为影响环境的又一个重要因素。近年来，随着人们生活水平提高，汽车数量越来越多，生产和使用量随之急剧增加，汽车尾气的排放量也在急剧增加，其尾气对于生态环境的污染日趋严重，机动车尾气中含有许多的有害物质，例如一氧化碳、氮氢化合物、碳氧化物以及固体悬浮颗粒等。

为了探索汽车排放的尾气对环境的影响，探索汽车尾气对环境的危害程度，需要调查汽车尾气是如何排放的。重点关注其对于生态环境、大气污染的情况。通过对汽车尾气的调查研究，可以提高对环境保护的认知程度，在自我修养上减少对环境的污染，使我们更加注重爱护自己赖以生存的大自然。近些年，在全国范围内，汽车保有量大幅度上升，尾气发放大幅度增加。国家大量宣传尾气危害和实施相应政策，减少对环境的破坏和污染，提高我们的保护环境的意识。因此，国家政府一方面采取了一定措施，另一方面大力宣传尾气危害从而增强了人民对环境的保护意识，并受到了一定的成效。但是以上却没有从根本上解决问题，只能适当减少尾气排放却没有彻底解决汽车尾气对大气的污染，因此我们要采取更为有效的措施来控制污染的恶化程度。我国经济正处于高速发展中，在其中，必须要注重汽车尾气的问题，随着经济的快速发展，怎么样协调好汽车尾气对环境的污染问题是重中之重，也是我们必须要克服的困难之一。汽车能给我们的出行带来方便，但与此同时，怎么样解决好汽车日益严重的尾气排放问题和污染问题是不能回避的，其影响在众多各类污染中比重最大，造成了严重污染，因此汽车尾气的排放是最重要的一环。汽车尾气已经是现代社会的环境大气中最多的污染源，因为在上世纪以来，汽车使用量大幅度的增加，有数据显示，在全国范围内，大约有三分之一的城市的空气质量不达标，其中很大一部分原因都是因为汽车尾气的排放，在许多大城市，汽车尾气极大地增加了大气污染的治理难度，很多的酸雨、雾霾或者光化学烟雾等重大的大气污染问题经常发生，这些都是机动车排放尾气中的NO或者Soot等污染物造成的。因此，从根本上改进柴油机喷射策略是减少汽车尾气排放，提高汽车性能比有效的方法，是根本上治理环境问题的有效方法。由此可见，研究喷射策略对柴油机正丁醇缸内燃烧的影响这个课题具有重大意义。

研究喷射策略对柴油机正丁醇缸内燃烧的影响主要目的在于减少汽车尾气的排放，增加燃烧效率比，尽量减少汽车尾气排放对环境的负担。

1.2国内外发展现状介绍

目前，国内外科学研究者们对柴油机喷射策略已经做了多次深入的研究，例如Amin Yousefia，洪宏国，Madjid Birouka等科学家们研究过柴油喷射正时对天然气/柴油双燃料发动机在低高负荷和低速高压条件下燃烧的影响，以及一系列很多对喷油策略的研究，多种结论表明，柴油机喷射策略对柴油机正丁醇缸内燃烧具有非常重要的影响。张全长，尧命发，郑尊清，张鹏等人做了正丁醇对柴油机低温燃烧和排放的影响。结果表明柴油中添加正丁醇燃料会对缸内燃烧造成很大的影响，比如会使使着火滞燃期延长燃烧温度下降和缸内最大爆发压力下降，也会减少指示油耗，降低低温燃烧“失火”的EGR率，改善燃油经济性等。结果还表明正丁醇在其中的作用非常明显，比如可以降低碳烟排放，可以让烟度变化趋势变得“平滑”，降低烟度峰值对应的EGR率。还有另外一点，进气压力与正丁醇对气体排放的影响有明显的关联。但是在文献中表明，正丁醇与THC排放的联系可能没有那么大。因此，在降低低温燃烧烟度和NOx排放，改善低温燃烧性能的有效途径是在柴油燃料添加正丁醇^[1]。

此外胡慧慧等也做了正丁醇—柴油对柴油机燃烧及排放影响的试验研究。研究结果表明在柴油中掺混一定比例的正丁醇对气缸压力、放热率以及NOx 、碳烟等排放污染物具有重大影响。在低转速、低负荷工况下缸内最大燃烧压力与燃烧柴油相比略有降低，而在高转速、高负荷工况缸内最大燃烧压力与燃烧柴油相比稍有增加。而随着掺混比例不同，柴油机的CO和HC排放也会有很大的改变^[2]。

刘旋也做过正丁醇—柴油混合燃料低温燃烧过程数值模拟研究，研究结果表明发动机动力性、排放性和经济性与研究不同比例的正丁醇和不同涡流比有重大关系。在其中，常温常压的条件下时，正丁醇和柴油互溶性和稳定性都非常良好^[3]。

肖俊华在正丁醇浓度分层燃烧及正丁醇/柴油活性分层燃烧先进压燃发动机数值优化与对比研究一文中提到，因为正丁醇与柴油的活性不同，所以CSC策略需要更高的进气初始温度。增加预混比会对CA50时刻，CA50时刻, 燃油经济性, 降低声响强度和NOx排放产生重要影响。对比RSC策略和CSC策略。而在着火可控性和声响强度方面，RSC策略更佳，而在燃油经济性和NOx排放，CSC策略更佳^[4]。

田维等做了关于正丁醇/柴油复合燃烧对轻型柴油机排放的影响。研究结果表明，高低负荷正丁醇的喷射量对颗粒物粒径分布有影响^[5]。

王庆新在预喷策略与燃料性质对柴油机低温燃烧和排放特性影响的试验研究中表明掺混正丁醇能够降低颗粒物的排放^[6]。

王站成等在EGR对正丁醇-柴油混合燃料燃烧和排放的影响中表明比例不同的正丁醇-柴油混合燃料会对最终的排放产生较大的影响^[7]。

马帅在正丁醇—柴油复合燃烧模式实验研究中表明，不同的时刻喷油以及不同比例的正丁醇柴油会对整个燃烧过程产生影响，比如最高爆发压力以及排放物等都会产生比较大的影响^[8]。

王鑫在正丁醇—生物柴油双燃料燃烧过程数值模拟研究一文中提到，比例不同的丁醇，柴油双燃料会对燃烧排放物产生巨大的影响^[9]。

杨如枝在高速柴油机正丁醇-柴油混合燃料低温燃烧研究中表明在在柴油中掺混正丁醇燃料会使主喷燃油放热率峰值降低^[10]。

赵志新在正丁醇/柴油混合燃料HCCI燃烧与排放特性的试验研究表明，过量空气系数会对缸内燃烧产生很大影响，其中影响因素大致有缸内压力、压升率和瞬时放热率等。而且这些因素还与正丁醇的比例有较大联系^[11]。

王庆新在预喷策略与燃料性质对柴油机低温燃烧和排放特性影响的试验研究表明在柴油中掺入汽油或正丁醇能有改变燃烧状况。比如降低排放污染物，但是会减低燃油经济性^[12]。

Mingfa Yao ，Hu Wang Zunqing ，Zheng Yan Yue等人在正丁醇添加剂和多次喷射对高清柴油机性能和排放的实验研究中说到不同的注入策略会对烟灰的排放有很大影响^[13]。

Zheng Chen，Jingping Liu，Zhenkuo Wu在正丁醇和EGR端口燃料喷射(PFI)对直喷式柴油机燃烧和排放的影响表示正丁醇浓度会对峰值气缸压力和峰值热释放率有影响^[14]。

Hosseini等人研究表明，2段喷射相较于直喷会改变燃油经济性^[15]。

1.3研究内容目标及措施

基本内容：柴油机喷射策略对正丁醇缸内燃烧及排放具有重大影响，本毕业设计针对不同的柴油机喷射策略，采用发动机 CFD 多维数值模拟计算软件柴油机的喷射策略对正丁醇缸内燃烧以及排放的影响，这次研究主要就是观察不同的喷射策略对柴油机缸内燃烧及排放的影响，尽量减少柴油机污染物的排放，增加柴油机缸内燃烧效率比。这些都是通过改进柴油机喷射策略能够大致实现完成的。

目标：本毕业设计的主要目的是了解和初步掌握 CFD 模拟软件，运用CFD研究不同的喷射策略进行对比对燃烧经济性和排放的影响，找出综合性价比最高的一种喷射策略，使正丁醇的缸内燃烧以及排放更科学。

措施：本次毕业设计采用 AVL FIRE 软件观察五种不同的喷射策略下，柴油机缸内燃烧与排放的特性，观察分析出三种不同的喷射策略对正丁醇燃烧与排放的影响，找出燃烧效率比最高，污染物排放最低，综合价值最高的喷射策略。

第2章 单次喷射对燃烧和放热的影响

2.1AVL-FIRE模型的建立

2.1.1AVL-FIRE模型简介

本次模拟主要使用AVL-FIRE软件来进行模拟。AVL-FIRE是目前应用最广泛的发动机模拟软件，数值分析也是运用于发动机模拟的较好方案，发动机三维流动分析可以求解最复杂的进气道流动、燃烧室结构、喷射参数和排放物生成的降低等，该软件是集中前处理，求解器和勾出礼包于一体的软件包，在同一界面能实现三维流动分析的全过程，有非常有好的用户界面。典型应用于水套冷却、柴油机缸内喷雾燃烧、参数化的燃烧室优化工具、HccL燃烧、发动机进排气系统等多种数值模拟。

在数值模拟的过程中需要网格划分，手动划分网格有多种形式，例如：可以在封闭的面框上生成面网格，在拉升面网格的到体网格；可以将复杂实体分块，在每一应用手动拉伸或网格自动生成得到体网格，再将这些分块的网络用join meshes或Arbitrary connect连接；对于2Dmeshing还可以应用interpolation工具进行手动划分。

2.1.2AVL-FIRE模型的参数

本文模拟的是4缸直列柴油机，具体的参数表2.1所示。

表2.1 发动机主要技术参数

根据实验中发动机的主要参数，在AVL-FIRE中，运用ESE Diesel模块中输入以上基本数据，得到基本的发动机模型。

2.2模拟结果及分析

本次模拟中采用柴油和正丁醇混合燃料，正丁醇的体积分数为20%。本次实验中发动机的转速为1800r/min，分别考察喷油提前角以及单次喷射和两段喷射对柴油-正丁醇缸内燃烧和排放的影响。

2.3喷油提前角对燃烧及排放的影响。

本次试验中，每循环保持喷油总量为大约33mg不变，喷油时间保持10℃不变，改变喷油提前角。喷油提前角分别设为开始为352.5°、结束为362.5°，以及开始为357.5°，结束为367.5°，还有开始为347.5°，结束为357.5°三组不同的喷油时间。下面分析每种喷油时间对柴油-正丁醇的燃烧和排放的影响。

2.3.1喷油角提前角对放热速率的影响

三种不同的喷油开始时刻对放热速率的影响如图2.1所示。

图2.1不同喷油正时的放热速率随曲轴转角的变化

从图中曲线走势看出，燃烧放热速率都是先增后减，再逐渐降为0，但是三种不同的喷油角度所对应的最大值有稍微差异，尤其是在352.5°时刻开始喷油时，在图表中可以清晰的看出，这时候所对应的燃烧放热速率是最大的，这样会使燃烧更充分，这样造成的结果可能是会减少的烟尘和一氧化氮的排放，并且燃烧利用率也会相对较高。而且，当在352.25°开始喷油时，放热速率在上止点附近达到最大值，放热曲线主要环绕在上止点附近，这表明这种喷油正时的放热效率很高。相对而言，在这一方面，在352.5°时开始喷油利于资源的利用和环境的保护。从另外一方面考虑，随着喷油开始时刻的往后推移，可以发现燃料的持续燃烧时间变得更长了，从这方面来讲，随着喷油时刻的推移，燃料的燃烧热量的集中释放。从图中可以看出，当在342.5°开始喷油时，喷油提前角太大，柴油和正丁醇都喷在压力和温度较低的燃烧室当中，燃烧条件差，滞燃反应期较长，这样导致的结果是燃烧的着火时间会增长，进一步导致速燃期的压力会急剧变大，从而使燃气的最高压力点出现在上止点之前，浪费柴油-正丁醇的经济性，有关燃烧室内压力和温度，后文会分析。从362.5°开始喷油的话，从图中看到，喷油时刻相对比较晚一些，喷油提前角相对比较小一些， 这样会使得燃烧反应会在做功膨胀的阶段进行，使得燃烧室内的升压率降低，最高压力下降，燃烧条件变差，浪费燃料，影响燃料的经济性和动力性

2.3.2喷油角提前角对累积放热量的影响

喷油角提前角对累积放热量的影响，如图2.2。

图2.2 不同喷油正时的累积放热量随曲轴转角的变化