摘 要

本文借助CSI公司的CONVERGE计算流体动力学（CFD）软件对1/6单缸四冲程直喷式柴油机气缸模型在工况为1600r/min、满负荷的条件下，模拟计算分析在不同的喷油正时和喷油压力下，高压共轨柴油机的气缸内的温度、压力、放热率以及氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物、碳烟等排放物的相对于曲轴转角的变化曲线。由于本文所考虑的活塞以及碗形燃烧室的形状是几何对称，因此可用1/6气缸即60°的部分等价于完整模型的数值模拟，以简化计算。最后的研究结果表明，随着喷油正时的推迟，柴油机缸内压力、温度以及放热率呈现逐渐降低的趋势，NOx的排放减少，HC、CO以及碳烟的排放增加；随着喷油压力的增加，柴油机缸内压力、温度以及放热率呈现逐渐上升的趋势，NOx的排放大大增加，HC、CO以及碳烟的排放增加。

关键词：柴油机，高压共轨喷油系统，CFD，燃烧过程，排放

Abstract

This paper uses CSI's CONVERGE Computational Fluid Dynamics (CFD) software to simulate 1/6 single-cylinder four-stroke direct-injection diesel engine cylinder model under conditions of 1600r/min and full load, and simulates and analyzes different injections. Temperature, pressure, heat release rate in the cylinder of the high pressure common rail diesel engine and the curve of the emission relative to the crank angle of nitrogen oxides, carbon monoxide, hydrocarbons, soot and other emissions under timing and injection pressure. Since the shapes of the piston and the bowl-shaped combustion chamber considered in this paper are geometrically symmetric, the 1/6 cylinder, 60°, can be used to equate the numerical simulation of the complete model to simplify the calculation. The final research results show that with the delay of fuel injection timing, the pressure, temperature and heat release rate of diesel engine in the cylinder show a gradual decrease trend. The emission of NOx is reduced and the emission of HC, CO and soot is increased. With the injection of oil With the increase of pressure, the pressure, temperature, and heat release rate of the diesel engine show a gradual upward trend. The emission of NOx is greatly increased, and the emissions of HC, CO, and soot are increased.

Key words: Diesel engine, Common rail direct fuel injection, CFD, Combustion characteristics, Emissions

目 录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 排放法规 2

1.3 主要的排放污染物 3

1.3.1 氮氧化物（NOx） 3

1.3.2 一氧化碳（CO） 3

1.3.3 碳氢化合物（HC） 4

1.3.4 颗粒物 4

1.4 主要研究内容 5

1.5 本章小结 6

第二章 高压共轨喷射模型 7

2.1 高压共轨喷射系统简介 7

2.2 喷油模型的建立 9

2.2.1 柴油机参数 9

2.2.2 燃烧室模型设计 9

2.2.3 平面网格划分 10

2.3 CONVERGE中各参数设定 12

2.3.1 发动机参数设定 12

2.3.2 物理模型设定 12

2.4 本章小结 15

第三章 各参数对于性能以及排放的影响 16

3.1 喷油正时与喷油压力对燃烧过程以及性能的影响 16

3.1.1 喷油正时对燃烧过程以及性能的影响 16

3.1.2 喷油压力对燃烧过程以及性能的影响 19

3.2 喷油正时与喷油压力对排放物生成的影响 21

3.2.1 喷油正时对柴油机排放的影响 21

3.2.2 喷油压力对柴油机排放的影响 25

3.3 本章小结 28

第四章 总结与展望 30

参考文献 31

致 谢 32

第一章 绪论

1.1 引言

目前，在中国的能源消费结构中，内燃机产品每年消耗中国石油能源60％以上，导致环境污染问题日益严重^[1]。机动车排放的颗粒物是城市PM2.5的主要来源之一，其中的大部分都来自于柴油机。研究表明，由于柴油机和汽油机的工作原理不同，柴油机排放的颗粒物质量浓度甚至可以达到汽油机的10〜100倍^[2]。

柴油机是一种通过喷油装置在压缩接近终了时将柴油喷入气缸使其在机器内部燃烧，将放出的热能直接转换为动力的热力发动机。如果柴油不能完全燃烧，会使得发动机的动力性、排放性和经济性下降，不可避免的产生大量的污染物排放。

为了应对日益严格的全球排放标准，汽车制造商通过采用改进的废气后处理技术显着降低了柴油机颗粒物的大量排放。在柴油机中，既要权衡碳烟和氮氧化合物，同时又要降低NOx和PM排放量是相当困难的。高NOx和PM排放仍然是下一代柴油发动机开发设计的主要障碍。

柴油机的燃烧，性能和排放特性取决于几个因素，如喷油压力（FIP），喷油正时（SOI），燃料喷射量，喷射次数，燃烧室设计和喷嘴喷雾模式等。在各方面因素的影响下，高压共轨系统以其优良的性能改善了发动机的工作性能，解决了发动机工作过程中的一些问题,对于现代柴油发动机，为了追求更高的燃烧效率和更低的排放量，燃料供应系统的发展正朝着更高的喷射压力， 灵活的喷射速率控制和多次喷射的方向发展^[3]。高压共轨喷油器的性能要求越来越高，喷油压力更高，响应特性更快，喷油量更精确，雾化效果更好等。

不同柴油机的喷油压力从200到2000bar不等。根据研究,较高的喷油压力能在不增加NOx排放的条件下同时减少颗粒物的排放。与早期的低喷油压力喷雾相比，高的喷油压力能够产生不同的喷雾结构^[4]。这主要是因为喷油嘴在高喷油压力的影响下能使喷雾产生空化现象，从而显著地加快了柴油的雾化速度，改善了燃油空气混合物的混合以及燃烧以及减少了污染物的形成。柴油的喷雾特性通常取决于喷雾角度、液滴速度、液滴尺寸分布以及全局喷雾结构参数。充分了解这些参数的特性对于燃烧效率的提高以及排放物的控制有着至关重要的作用。喷油器喷嘴两端的高压差是把液体燃料雾化成小液滴的必要条件。喷雾的液滴尺寸和分布从根本上影响柴油发动机的燃烧效率，与较大的液滴相比，较小的液滴能够很快的蒸发，但是较小的液滴渗透率小，因此需要优化液滴的尺寸分布以达到平衡的状态。较小的液滴和较高喷射深度的燃油喷射增加了空气燃料混合物的质量，从而提供了更短的点火延迟和更完全的燃烧。较低的喷油压力会产生较大的液滴直径，从而增加燃烧期间的点火延迟。这也导致了更高的缸内压力，这最终导致更高的NOx排放。当喷油压力增加时，喷雾液滴直径分布也会减小^[5]。 由于在点火延迟期间良好的混合，燃料空气混合物形成良好，减少了碳烟和CO排放。然而，如果喷油压力太高，点火延迟时间变得太短，很大可能会导致燃料和空气混合不均匀，反而降低了燃烧效率。另外，喷油策略同样也影响柴油机的颗粒物的排放。

与汽油机相比，柴油机燃烧室内有高压缩比以及氧气浓度，因此有着更低的HC、CO排放^[6]。但是，在柴油发动机的燃烧室内，湍流扩散火焰容易产生局部过低的温度区域，不可避免地会产生大量的颗粒物^[7]。柴油机排放的颗粒物远远超过了同类型的汽油机排放。从发动机的性能、耐久性以及对于环境的危害性来看，颗粒物都是值得关注的因素。燃料燃烧不充分会导致更多的颗粒物排放，同时也会降低燃油经济性。颗粒的相互作用导致发动机部件的磨损增加并且缩短了发动机的使用寿命^[8]。有研究表明，被柴油机烟尘污染的润滑油是导致发动机磨损增加的一个关键因素^[9]。因此，有必要控制适当的喷射压力和喷射正时，以改善柴油机的燃烧，性能和排放性能。

燃料的喷射、雾化和蒸发及其与空气的混合是影响柴油机燃烧和排放的关键因素，良好的雾化对实现柴油机高效清洁燃烧具有重要意义。由于其高粘度和低挥发性，柴油与空气的混合在很大程度上取决于高压燃料系统的喷嘴出口处的高速流动与进气系统之间的相互作用^[10]。因此，喷油参数，如喷油正时、喷油压力、喷射持续时间、喷油量等，喷油器结构参数，如喷孔直径、喷孔几何形状和流量等，以及良好的喷油策略在喷雾和整个燃烧过程的发展中起着至关重要的作用。

1.2 排放法规

作为全球经济的支柱，汽车工业，全球汽车保有量不断上升。近年来，中国的汽车保有量和增长率大幅提高。今天，中国已成为全球最大的汽车生产国和消费国。但是，自20世纪80年代以来，全球气候变化和环境污染日益严重，作为污染的主要来源，汽车排放，受到了人们的普遍关注，人们需要使用法律法规来限制汽车的排放。自1992年以来，欧洲的汽车排放法规已经实施。由于近年来环境恶化，颗粒物和氮氧化物限制排放标准逐年严格。自1992年以来，微粒和氮氧化物的排放限值已经减少了近98.37％和93.75％。

由于中国汽车工业起步较晚，汽车制造和汽车技术水平落后于发达国家，所以中国的汽车排放量明显高于其他国家^[11]。 根据中国国情，参照国外技术和标准，中国也逐步建立了自己的排放标准体系，虽然比许多发达国家晚了许多年，但是，中国也在逐步赶上发达国家的排放标准，最终也将符合国际标准。 自2000年以来，中国开始实施重型汽车柴油发动机排放法规，对颗粒物浓度也有所限制。2018年1月1日，中国实施了国家排放标准和规定，并再次减少了颗粒物和NOx的浓度。

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