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国Ⅳ柴油机燃烧系统性能提升的三维模拟研究
| 论文题名： | 国Ⅳ柴油机燃烧系统性能提升的三维模拟研究 |
| 关键词： | 商用车;重型柴油机;燃烧系统;性能优化;三维模拟 |
| 摘要： | 国Ⅳ排放标准将在2015年1月1日全面实施，国Ⅴ排放标准预计也将在2018年全面实施，国Ⅴ技术的研发迫在眉睫。本文通过对一台在ESC稳态测试循环试验中无后处理达到国Ⅳ排放的商用车重型柴油机的燃烧系统进行优化，为升级到国Ⅴ柴油机提供理论指导。 本文采用三维计算、排放物流体力学软件AVL-FIRE进行模拟研究。对原机燃烧室缸内气流运动、混合气浓度分布等缸内燃烧微观场进行分析发现，NOx和soot最主要的生成区域分别为挤流区和凹坑，而它们的生成又受到燃油在挤流区和凹坑的比例分配的影响。对此，通过燃烧室结构设计，提出了三种改进燃烧室结构方案，期望新燃烧室能改善排放和经济性。新燃烧室SF4在原机燃烧室SF1的基础上缩口位置下移1mm，新燃烧室SF5和SF6则分别在SF1和SF4燃烧的基础上燃烧口径和缩口直径都加宽2.5mm。经研究对比表明，缩口位置下移会较大程度影响燃油在挤流区和凹坑内的比例分布，进而影响经济性和排放。新燃烧室SF4缩口下移使燃油分配较合适，且涡流保持性好，达到了燃烧室优化设计预期的目标，改善了NOx和soot的trade-off关系，且油耗较原机燃烧室SF1也得到了1～6g/kW·h的改善。 开展了新型燃烧室与后喷策略匹配研究。模拟在1660r/min、50％负荷工况下采用高压喷射和后喷策略，喷油压力达1600bar和1800bar;在1990r/min、100％负荷工况下采用超高压喷射和后喷策略，喷油压力达2000bar和2400bar。计算表明，后喷策略是一种能有效减少soot排放而使NOx排放变化不大且不过多牺牲油耗的方法。后喷策略能有效降soot排放主要得益于燃油分两次喷射使主喷燃油减少，导致主喷燃油燃烧生成的soot呈非线性减少，而后喷燃油燃烧不受主喷燃油燃烧的影响，不生成或者生成很少的后喷soot。提高喷油压力后，主后喷间隔对soot排放的影响规律无变化，即随主后喷间隔的增大，soot排放仍呈现出先下降后上升的趋势，且soot排放最低点所对应的最佳主后喷间隔均为4℃A;后喷油量对soot排放的影响规律也无变化，即随后喷油量增加，soot排放也是保持着出先下降后上升的趋势，但最佳后喷油量受发动机运转工况及喷油压力影响。 对燃烧系统优化表明，1660r/min，50％负荷，1800bar喷油压力下，主后喷间隔为4℃A，后喷油量为20％时，获得该工况下最好的排放。其中soot排放约为0.0145g/kW·h，NOx排放约为1.48g/kW·h;1990r/min，100％负荷，2400bar喷油压力下，主后喷间隔为4℃A，后喷油量为8％时，获得该工况下最好的排放。其中soot排放约为0.0188g/kW·h，NOx排放约为2.6g/kW·h。优化后的柴油机具有国Ⅴ排放的潜力。 |
| 作者： | 黄冠衍 |
| 导师： | 莫春兰 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 广西大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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