摘 要

自发明柴油机以来，由于其热效率高、结构简单、重量轻、移动方便、适应性能强等优点得到了广泛的应用。但由于能源危机和环境保护等严重问题，有必要进一步提高柴油机的燃烧性能，优化燃烧过程并减少主要污染物的排放。相关研究表明，使用分段喷射策略可以有效改善发动机的燃烧过程和排放控制，在本文中，设计了三种不同的喷射策略来研究分段喷射对柴油机燃烧和排放的影响。

本文使用AVL FIRE软件对选取的柴油机进行计算，在确定发动机基本参数和燃烧室形状后，划分好足够数量和高质量的网格，建立各种数学模型来确定发动机的初始条件和边界条件，并根据不同喷射策略的要求设置喷油提前角、循环喷油量、喷射间隔角等一系列参数，对多种喷射策略进行模拟计算，并将计算结果以图像的方式表现出来，通过对比放热率、缸内压力、缸内温度、氮氧化物和碳烟曲线完成后续的分析论证。

根据以上步骤完成模拟计算，分析论证得出结果如下：柴油机的不同燃油喷射策略，对每个燃烧阶段的缸内压力、温度都存在不同的影响，从而影响发动机的整个燃烧过程和污染物排放；采用预喷-主喷的喷射策略可以形成预喷混合气的燃烧，缩短主喷射燃烧过程的滞燃期，有效降低主喷燃烧的剧烈程度，NOx质量分数有显著增高，Soot排放随预喷-主喷间隔角的变化呈现先增大后减小的趋势；在主喷-后喷喷射策略下，由于后喷射燃烧过程放热的特性，将已经生成的Soot氧化，可以使NOx和Soot排放明显降低；在预喷-主喷-后喷喷射策略下，整体燃烧过程受到预喷和后喷参数的独立影响。本文在分析研究三种不同喷射策略后，可以结合不同喷射策略的优点进行相关参数设置，达到最优的喷油控制策略，从而实现提升柴油机的动力性能，减少污染物排放的目的。

关键词：柴油机；分段喷射；模拟计算；燃烧过程；污染物排放

Abstract

Since the invention of the diesel engine, many advantages such as high thermal efficiency, simple structure, light weight, easy movement, and good adaptability have been widely used, but due to severe problems such as energy crisis and environmental protection, it is necessary to further improve the combustion performance of the diesel engine. , Optimize the combustion process and reduce the emission of major pollutants. Relevant studies have shown that using a split injection strategy can effectively improve the combustion process and emission control of the engine. In this paper, three different injection strategies are designed to study the effect of split injection on the combustion and emissions of a diesel engine.

In this paper, AVL FIRE software is used to calculate the selected diesel engine. After determining the basic parameters of the engine and the shape of the combustion chamber, a sufficient number and high quality mesh are divided, various mathematical models are established, and the initial conditions and boundary conditions of the engine are determined. According to the requirements of different injection strategies, a series of parameters such as injection advance angle, recirculation fuel injection amount and injection separation angle are set to carry out simulation calculations for various injection strategies, and the calculation results are presented in the form of images, and the heat release rate is compared. , In-cylinder pressure, in-cylinder temperature, NOx, Soot, etc. completed the analysis and demonstration work.

According to the above steps, the simulation calculation is completed, and the results are analyzed as follows: Different fuel injection strategies for diesel engines have different effects on the in-cylinder pressure and temperature in each combustion stage, thereby affecting the entire combustion process and pollutant emissions of the engine; The pre-injection-main-injection strategy can form the combustion of the pre-injection mixture, shortening the ignition delay of the main injection combustion process, effectively reducing the severity of the main injection combustion, significantly increasing the NOx mass fraction, and Soot emissions with the pre-injection - The change of the main spray interval angle shows a characteristic of increasing first and then decreasing. With the main injection-after-injection strategy, due to the exothermicity of the post-injection combustion process, the generated Soot oxidation can significantly reduce the NOx and Soot emissions; In the main-injection and post-injection strategy, the overall combustion process of the pre-injection and post-injection parameters is independently affected. After analyzing and studying three different injection strategies, this paper can combine the advantages of different injection strategies to set related parameters to achieve the optimal fuel injection control strategy, so as to achieve the purpose of improving the dynamic performance of diesel engines and reducing the emission of pollutants.

Keywords: Diesel engine; segmented injection; simulation calculation; combustion process; pollutant discharge

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 柴油机的排放物 1

1.3 柴油机分段喷射策略 1

1.3.1 分段喷射策略 1

1.3.2 国内外研究现状 1

1.4 本文研究的意义及内容 2

1.4.1 研究的意义 2

1.4.2 研究的主要内容 2

第二章 数学模型的建立 4

2.1 基本守恒方程组 4

2.2 湍流运动模型 4

2.3 燃油喷雾模型 4

2.4 燃烧模型 5

2.4.1着火模型 5

2.4.2燃烧模型 5

2.5 排放物生成模型 5

2.5.1 NOx排放模型 5

2.5.2 Soot排放模型 5

2.6 本章小结 6

第三章 CFD计算过程 7

3.1 FIRE软件介绍 7

3.2 柴油机的基本参数 7

3.3 燃烧室几何模型 8

3.4 划分网格 9

3.5 初始及边界条件 9

3.6 本章小结 10

第四章 不同分段喷射策略燃烧和排放的研究 11

4.1 三种喷射策略的比较 11

4.2 预喷-主喷策略的研究 14

4.3 主喷-后喷策略的研究 16

4.4 预喷-主喷-后喷策略的分析 19

4.5 本章小结 19

第五章 总结与展望 21

5.1 总结 21

5.2 展望 21

参考文献 23

致谢 24

第一章 绪论

1.1引言

自1860年内燃机诞生以来，得到了不断地改进和完善。因其热效率较高、结构简单、重量轻、移动方便、适应性能好等许多优点，现已广泛地作为交通运输车辆、工程机械、农业机械和发电机等的动力源^[1]。内燃机在促进人类社会发展方面发挥了巨大作用，同时也让人类正面临着能源危机和排放物污染等严重问题。因此，如何进一步优化柴油机的燃烧过程，提高燃料的利用率，减少柴油机污染物排放已经成为人们关注的焦点。

1.2 柴油机的排放物

柴油机的主要排放物为PM(颗粒状物质)和NOx，而CO和HC排放当量较低。柴油发动机废气排放的控制主要是控制颗粒物PM和NOx的产生，并减少PM和NOx的直接排放。与相同功率的汽油机相比，颗粒物和氮氧化物是柴油机排放中最主要的两种污染物。

在柴油机排放的氮氧化物中，NO占90%左右，而NO₂只占其中比较少的一小部分。NO无色无味、毒性很小，但NO排入大气后会逐渐被氧化转变为NO₂。NO₂具有较强的刺激性气味，会对人的呼吸道和肺部造成损害，严重时会引起肺气肿。在阳光的作用下，NOx和HC会进一步生成光化学污染的烟雾。柴油机排放的颗粒物主要成分是碳烟，它可以渗入人的肺部并引起肺内各种通道的自净，使得其他化合物发挥致癌作用，这些碳烟上还吸附着很多有机物质，包括多环芳烃在内，具有不同程度的诱变和致癌作用。

1.3 柴油机分段喷射策略

1.3.1 分段喷射策略

在近几年来，通过优化燃油喷射策略来改善柴油发动机的燃烧和排放已成为热门话题，柴油机分段喷射技术应运而生，由于喷射特性对燃烧过程有很大影响以其灵活多变的喷射策略被广泛用于柴油机减小排放和降低噪声等。通过选择预喷、主喷、后喷不同的喷射策略，来达到降低发动机排放和提高发动机动力性的目的。

1.3.2 国内外研究现状

在国内外的诸多研究^[2-8]中表明，通过使用有无燃油预喷射和后喷射过程、不同预喷射油量、预喷间隔时间、后喷油量和后喷间隔时间来实施不同的燃油喷射策略，来提高柴油机燃烧效率并减少污染物NOx和颗粒物排放的效果。为了真实准确地研究发动机燃烧室内污染物的产生过程，于洋等^[9]采用简化化学反应机理并结合特征时间燃烧模型对着火和燃