摘 要

柴油机是一种压燃式的内燃机，相对于汽油机有着更好的燃油经济性和更高的热效率，但是柴油机也有着较高的排放。本文主要针对柴油机的氮氧化物和碳烟颗粒物的排放，探究EGR率对柴油机排放和soot排放的影响。本次研究使用三维模拟仿真软件对柴油机的燃烧过程进行模拟，使用AVL FIRE Workflow Manager数据处理软件对所得数据进行分析，分析了EGR率对柴油机缸内燃烧的温度、压力、放热率、NO以及soot质量分数的影响。

研究结果表明，排气再循环中的二氧化碳等多原子气体和水蒸气会使气缸内混合气的比热容升高，使气缸内的温度降低，EGR率越大，达到燃烧条件需要的时间越长，滞燃期也就越长。瞬时放热率和累计放热量随EGR率的提高而降低，导致气缸内的平均温度和最高温度降低。EGR的加入还降低了氧气的浓度，NO的生成条件为高的温度和氧气浓度，所以废气再循环能够有效降低柴油机的NO排放，而soot的生成条件为高温缺氧，所以在一定EGR率下，废气再循环会使柴油机的soot排放增加。

关键词：废气再循环；EGR；碳烟颗粒物；NO排放

Abstract（

Diesel engine is a compression combustion type internal combustion engine. It has better fuel economy and higher thermal efficiency compared with gasoline engine, but it also has higher emissions. In this paper, the influence of EGR rate on emission and soot emission was investigated, aiming at emission and soot emission. In this study, 3D simulation software was employed to analogy the combustion process of the engine, and AVL FIRE Workflow Manager data processing software was employed to analyze the data. And the influence of EGR rate on the combustion temperature, pressure, heat liberation rate, NO and soot mass fraction of diesel engine cylinder was analyzed.
The results show that carbon dioxide and other polyatomic gases and water vapor in exhaust gas recirculation will increase the specific heat capacity of the mixture in the cylinder and reduce the temperature in the cylinder. The greater the EGR rate, the longer it takes to reach the combustion conditions. The longer the stagnation period. The instantaneous heat release rate and cumulative heat release decrease with the increase of the EGR rate. And it leads to a decrease in the average temperature and the maximum temperature in the cylinder. The addition of EGR also reduces the concentration of oxygen. The NO generation condition is high-temperature oxygen enrichment, so exhaust gas recirculation can effectively reduce NO emissions from diesel engines, while the soot generation condition is high-temperature oxygen deprivation, so at a certain EGR rate, the EGR will increase the soot emissions of the diesel engine.

Key Words：Exhaust gas recirculation; EGR; soot; NO emissions

目录

第1章 绪论 7

1.1研究背景 7

1.1.1内燃机排放 7

1.1.2国内外排放法规 7

1.1.3 国内外研究现状 8

1.2本文研究内容 9

第2章 数值仿真模拟 10

2.1柴油机基本参数 10

2.2燃烧室模型 10

2.3初始条件和边界条件 11

2.4燃烧模型 11

2.5排放模型 12

2.5.1 氮氧化物排放模型 12

2.5.2碳烟排放模型 14

2.6 本章小结 15

第3章 EGR率对柴油机燃烧及排放的影响 16

3.1 废气再循环（EGR）技术介绍 16

3.2 EGR率的定义 16

3.3 数据分析过程 17

3.4 EGR率对柴油机放热率的影响 19

3.5 EGR率对柴油机缸内温度的影响 20

3.6 EGR率对柴油机缸内压力的影响 21

3.7 EGR率对柴油机NO排放的影响 22

3.8 EGR率对柴油机soot排放的影响 23

3.9 本章小结 24

第4章 全文总结与展望 25

4.1全文总结 25

4.2 展望 26

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1研究背景

1.1.1内燃机排放

内燃机的工作原理是燃油在缸内燃烧释放能量通过连杆曲轴向外界传递机械功的热机。内燃机技术自上世纪六十年代出现以来不断发展，各种先进的技术不断出现，内燃机的热效率也逐渐提升。内燃机在全球范围内得到了极其广泛的应用，在我们日常生活中可以见到的最广泛的应用就是汽车上的汽油机和柴油机。

柴油机相对于汽油机，柴油机具有更重的重量和更大的体积，但柴油机的油耗更低，因为柴油机具有更高的热效率。柴油机同时也有一个很重要的特点：排放污染物。柴油机使用的柴油是烃类混合物，如果不考虑其中的微量杂质，其完全燃烧时将只产生二氧化碳（）和水蒸气（）^[1]。空气中的成分包括水蒸气，所以不会对环境产生影响，并不是一种污染物，但会加重“温室效应”。除此之外，柴油在柴油机缸内不能充分燃烧，所以会产生一些不完全燃烧产物。如一氧化碳（）和碳氢化合物（HC）等。柴油机排气中有多种污染物，占最大比例的是和碳烟颗粒物（PM）。这些排放物不仅会对环境造成污染而且会对人类健康造成不利影响。如果被人类吸入会造成缺氧，还有会加大患癌症的几率。会对呼吸系统造成伤害，形成的酸雨会对建筑物产生危害并且对我们人类的身体健康和日常生活造成极大的危害。排气中的颗粒物如果被人类长期接触会增加患肺癌的风险。所以内燃机排放物的控制十分重要。

1.1.2国内外排放法规

排放法规是对汽车排气相关成分含量的规定。内燃机排气中的有害物质会对自然环境以及人类身体健康造成伤害，但内燃机排放的控制通常与制造商的利益以及内燃机的动力性和经济性的发展相冲突，所以内燃机排放的控制要受到各个国家政府以及相关国际组织的监督，这些组织通过制定一系列对汽车尾气有害成分的规定，这些规定针对的对象是汽车生产制造商，相关的规定即为排放法规。

20世纪50年代后各国经济迅速发展，汽车产量和保有量迅猛攀升，车用内燃机排放物的危害逐渐被发现和确认^[1]。自二十世纪六十年代开始世界上先进的工业化国家陆续制定并颁布了各种针对汽车尾气成分的排放法规。从各国汽车排放法律法规的发展历史上看， 美国、日本、欧洲这三个地区的法律共同组成了当前世界三大汽车排放法律体系^[2]。欧盟自1992年开始执行欧Ⅰ标准，从此之后每过四年，就会有新一级别的规定的推出，每一次排放法规的更新都对应着更加细致和严厉的标准，相关有害物排放物的种类范围不断扩大，也推出了全新的污染物检测方法。欧Ⅵ标准是现在欧洲正在实行的排放法规。由于欧盟制定的排放标准已经极其成熟并且具有很高的严谨性，许多国家在制定排放法规时通常参考最新的欧盟排放法规。