摘 要

自20世纪70年代，随着对能源危机和环境污染的认识逐步加强，人们对柴油机的排放提出了更高的要求，为了降低CO、HC、NOx和颗粒的排放量，人们对柴油机的空燃比进行了研究。

本文借助AVL-FIRE软件对 L1624型号的柴油机缸内燃烧过程进行数值模拟，选择合理的模型，如数学模型、湍流模型、排放模型等，并计算和分析L1624型柴油机不同空燃比下的排放与做功等特性以寻找其最佳空燃比。

首先，建立仿真模型，选取FIRE自带的常用模板，输入L1624的燃烧室参数，得到燃烧室模型并保存。通过改变初始温度、压力，分析空燃比变化及喷油提前角对排放特性的影响。结果表明：在不同空燃比条件下模拟燃烧，其排放特性曲线包括NO、颗粒的质量分数曲线及反应速率曲线变化规律基本相同，对于NO而言，NO排放量随空燃比增大而增大，达到某一值后，空燃比继续增大会导致NO的排放量减小；对于soot而言，soot的排放量随空燃比增大而减小。在不同喷油提前角下，其排放特性变化规律基本相同，喷油提前角越大其NO的排放量越大，对于soot而言喷油提前角越小其排放量越大。结论：就36.48、30.69、25.54、21.86、15.89五组空燃比，空燃比36.48为最佳空燃比；10°CA喷油提前角为最佳喷油提前角。

关键词：空燃比；缸内过程；发动机建模；

Abstract

Since the 70s of the 20th century,with the awareness of energy crisis and environmental pollution gradually strengthen,people on diesel engine emissions proposed higher requirements,in order to reduce CO,HC,NOx and particulate emissions,the people of diesel engine air fuel ratio are studied.

With the aid of AVL-FIRE software,the numerical simulation of the combustion process in the cylinder of L1624 models choose a reasonable model,such as the mathematical model,turbulence model,emission model and simulation analysis of L1624 types of emission characteristics of diesel engine.

Firstly,the simulation model is established,and the common template of FIRE is selected ,and the combustion chamber parameters of the L1624 are input,and the combustion chamber model is obtained.BY changing the initial temperature and pressure ,the influence of the change of the air fuel ratio on the emission characteristics were analyzed.The result showed that in different air fuel ratio condition simulation of combustion,the discharge characteristic curve including NO,particle mass fraction curves and reaction rate curve is basically the same,for NOx emissions with the air fuel ratio increases,reaches a certain value,the air-fuel ratio continued to increase will lead to the decrease of the amount of NOx emission;for soot and soot emission with empty burning ratio decreases.under different fuel injection advance angle,the emission characteristics of the change of the law is basically the same,the higer fuel injection advance angle,the greater NO emissions,for soot,the smaller the fuel injection advance angle,the greater the discharge.Conciusion:25.54,15.98,11.82,8.1four groups of air fuel ratio,air fuel ratio 25.54 for the best air fuel ratio;12degrees injection advance angle for the best fuel injection advance angle.

Key words:air fuel ratio;AVL-FIRE software;combustion process;

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究的目的及意义 1

1.2课题研究的背景 1

1.3本课题研究目标、内容 2

第2章 燃烧模型选取 3

2.1数学模型 3

2.2湍流模型 4

2.3喷雾模型 5

2.4燃烧模型 7

2.5排放预测模型 7

第3章 边界条件设置及模型建立 9

3.1柴油机主要参数 9

3.2燃烧室的建模 9

3.3初始条件的设置 13

3.3.1 循环喷油量 13

3.3.2进气温度及压力 14

3.3.3初始湍动能 14

3.4数值求解 14

3.5缸内燃烧过程模拟软件介绍 15

3.5.1 相关软件的介绍 15

3.5.2 FIRE 软件的优势 15

第4章 软件计算及结果分析 16

4.1.空燃比参数的设置方式 16

4.2压缩功的计算方式 16

4.3空燃比对排放的影响 17

4.3.1Fire软件计算结果 17

4.3.2结果分析 22

4.3.3总结 22

4.3喷油提前角对排放的影响 24

4.3.1fire软件计算结果 24

4.3.2总结 25

第5章全文总结与工作展望 26

5.1全文总结 26

5.2工作展望 26

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1课题研究的目的及意义

柴油机具有油耗低，效率高，动力性能好等优点，得到了越来越多的应用。大部分重型机械、卡车都使用柴油机作为动力来源，目前越来越多的轿车也在广泛的使用柴油机。但柴油机排出的有害物质在极大程度上危害了环境，同时这些有害物质对人类的健康也带来了威胁。自20世纪70年代，随着对能源危机和环境污染的认识逐步加强，人们对柴油机的排放提出了更高的要求，为了降低CO、HC、NOx和颗粒的排放量，人们对柴油机的空燃比进行了研究。空燃比对柴油机的燃烧影响非常大，柴油机在不同空燃比条件下会有不同的燃烧状态，从而影响柴油机NO、CO、HC、颗粒物的排放。对空燃比的精准控制，能够改善柴油机经济型、动力性和降低尾气排放。研究空燃比对柴油机排放影响这一课题的目的就是为了寻找到柴油机的最佳空燃比，在其他工作条件相同的情况下，有最佳空燃比的柴油机污染排放物最少。研究空燃比对柴油机排气影响这一课题，不仅可以对柴油机工作原理以及结构进行更深入的了解，同时也能了解并掌握柴油机的仿真技术。

1.2课题研究的背景

自1950年开始，柴油机因其具有经济性较好且发动机噪音较其他发动机较小、污染物的排放量较低、动力性能较好、等优点，所以柴油机得到了广泛的使用。但是柴油机的柴油是直 接喷入气缸，油气体混合不均匀，NOx和 Soot 生成量大。要从石油中提取优质的、低污染物排放的燃油十分困难。伴随着全球逐渐恶化的环境和人们强烈的环保意识加强，采用柴油机作为动力装置的船舶产生的有害排放物对大气环境酿成的污染己引起世界各国的广泛注意，提高船舶尾气排放物的要求逐渐加强^[13]，所以人们开始对柴油机空燃比进行了研究。为了限制发动机排放中污染物的含量，国际海事组织制定了一系列的排放法规，为了防止船舶排放物对空气造成污染，国际海事组织制定了《防止船舶造成空气污染规则》，其中在控制NOx的排放量方面制定了《氮氧化物技术与规范》在对排放物硫化物方面控制的也极为严格，对硫排放的限制下降到百分之四点五以内。在对空燃比对排放物影响的实际研究：在实际研究空燃比对发动机尾气排放的过程中，为了能够减少发动机污染物的排放，国内外学者对空燃比系统进行了建模研究，从经典控制到现代控制，再到智能控制。目前，空燃比控制越来越向着控制精度高、性能强、使用范围广的趋势发展。空燃比控制方法主要有PID控制、滑膜变结构控制、模糊控制、神经网络控制^[4]。

1.3本课题研究目标、内容

研究目标

以柴油机为研究对象，建立柴油机缸内燃烧工作模型。运用AVL-Fire对模型进行仿真计算，通过分析仿真结果，得出空燃比对柴油机排放影响的结论。