摘 要

本文使用大型CFD软件FIRE，对自己所建立的柴油发动机燃烧室模型进行了喷雾和预混合燃烧过程的计算，并通过实验数据来验证计算结果，计算结果表明模拟数据与实验结果数据在该燃烧室模型中吻合较好。本文共分析了不同汽油/柴油混合比例、不同缸内背景压力和不同喷油提前角下三组条件下的喷雾特性及燃烧特性，放热率和排放的变化趋势。模拟结果表明：随着混合燃料中汽油比例的升高，缸内最高燃烧压力升高，缸内峰值压力出现时刻推迟，缸内顺势放热率峰值升高，燃烧放热区间变窄，峰值出现时刻推迟，碳烟排放量大幅下降，NO排放量有所升高。随着喷油提前角由3°升至9°，燃烧室内的油气混合气变得更加均匀，NO的排放量随着喷油提前角的增大而减小，而碳烟的排放量随着喷油提前角的增大而增大。

关键词：混合燃料；柴油发动机；数值模拟；混合比例；喷油提前角；背景压力

Abstract

In this paper, the large-scale CFD software FIRE is used to calculate the spray and pre-mix combustion process of the diesel engine combustion chamber model, and the calculation results are verified by experimental data. The calculation results show that the simulation data and experimental result data are in the combustion chamber model. The agreement is better. In this paper, the spray characteristics, combustion characteristics, heat release rate and emission trends of the three groups of different gasoline/diesel mixing ratios, different in-cylinder background pressures and different injection advance angles were analyzed. The simulation results show that with the increase of the proportion of gasoline in the mixed fuel, the maximum combustion pressure in the cylinder increases, the peak pressure in the cylinder is delayed, the peak heat release rate in the cylinder rises, the combustion heat release interval narrows, and the peak appears. Delayed in the moment, soot emissions have fallen sharply, and NO emissions have increased. As the fuel injection advance angle increases from 3° to 9°, the oil-gas mixture in the combustion chamber becomes more uniform, and the NO emission decreases as the injection advance angle increases, and the soot discharge increases with the fuel injection advance angle. Increase and increase.

Keyword: Mixed fuel；diesel engine；numerical simulation；mixing ratio；injection advance angle, background pressure

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状与成果 3

1.3 研究目的与意义 4

1.4 本论文研究的目标及方案 4

第2章 理论基础 6

2.1 FIRE软件介绍 6

2.2 燃料特性介绍 6

2.3 基本理论 7

2.3.1 质量守恒方程 7

2.3.2 能量守恒定律 7

2.3.3 动量守恒方程 8

2.4 湍流模型 8

2.5 喷雾模型 8

2.6 燃烧模型 9

2.7 排放物产生模型 9

2.7.1 NO_X生成模型 9

2.7.2 碳烟生成模型 10

2.8 本章小结 10

第3章 燃烧室模型的建立与校核 11

3.1 建立燃烧室模型 11

3.1.1 发动机原型参数 11

3.1.2 建立模型与划分网格 11

3.2 计算及校核模型数据 13

3.2.1 计算初始条件 13

3.2.2 校核模型 14

3.3 本章小结 15

第4章 汽油/柴油混合燃喷雾燃烧数值模拟 16

4.1 燃料混合比例对仿真模拟数值的影响 16

4.1.1 燃料混合比例对缸内燃油分布的影响 16

4.1.2 燃料混合比例对燃烧特性的影响 17

4.1.3 燃料混合比例对排放的影响 18

4.2 背景压力对仿真模拟数值的影响 20

4.2.1 背景压力对喷雾的影响 20

4.2.2 背景压力对燃烧的影响 22

4.2.3 背景压力对排放的影响 23

4.3 喷油提前角对仿真模拟数值的影响 24

4.3.1 喷油提前角对滞燃期的影响 24

4.3.2 喷油提前角对缸内压力、放热率的影响 26

4.3.3 喷油提前角对排放的影响 27

4.4 本章小结 29

第5章 结论 30

5.1 总结 30

5.2 未来展望 31

绪 论

研究背景

内燃机是一种动力机械，它通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力。自19世纪中期内燃机诞生以来已经有一百多年的时间，在这100年中内燃机的基础理论和实际应用都有了质的变化，同时内燃机也从小部分人才能用到的机械一步步走进国民生产与人民生活当中，并且在我们的成产与生活当中发挥着非常重要的作用。随着人们环保意识的提高，对内燃机的主要性能尤其是排放性能提出了更高的要求等。通常，内燃机分为两种：柴油发动机和汽油发动机。这两种内燃机之间有着不同的优点与缺点。柴油发动机的NO排放量与汽油发动机的NO排放量相差不大，但是柴油发动机碳烟的排放量则明显高于汽油发动机的碳烟排放量^[1]。因此，各国的排放法规也重点限制了柴油发动机的这两种污染物。这也就说明了，提高内燃机的经济性，动力性和排放性是学者们未来必须面对的问题，也是未来几十年的努力的方向。

内燃机的排放物是由许多复杂的成分组成的，其中主要的有害成分包括一氧化碳CO、未燃烧完全的碳氢化合物CH、氮氧化物NO_x、硫氧化物SO_x以及碳烟Soot等^[2][3]。对于柴油发动机来说，因为其空燃比较大，所以柴油发动机的CO和CH排放较低，而NO_x和碳烟排放占主要份额^[4]。

柴油发动机排放的NO_x大部分是一氧化氮NO和少量的二氧化氮NO₂^[5]。NO是一种无色气体，会和大气层中的臭氧进行反应，使得大气层出现空洞。同时，NO还会在大气中慢慢氧化成NO₂，而NO₂是一种棕褐色的、具有强烈的刺激性气味的气体，其会与水反应生成硝酸，进而形成酸雨，对自然环境造成严重的破坏；其次，NO₂对人体的脏器有很强的毒性作用，会随着人呼吸而进入体内，对人体造成严重危害。而且，NO_X也是在地面附近形成光化学烟雾的主要因素之一。碳烟和颗粒是燃烧过程中和燃烧后的一种微小悬浮物。直径为2微米至10微米的烟灰会被人体的呼吸系统自动排出，对人体健康的影响较小；而小于2微米的碳烟吸入人体后，会沉积在人体内部的肺和气管中，随着时间的推移会严重危害人体健康。同时，含有硝酸盐和含氧衍生物的烟灰和二苯甲酮是非常有害的直接致癌物质。

欧洲采用的标准为ECE R49。是目前最为严格的排放标准。欧美的排放标准在一定程度上代表了全世界的排放目标。从我国排放法规即将由国5改至国6改变可以看出：必须采取新的措施和手段减少柴油机尾气和污染物的排放，特别是NO和碳烟，以满足环保的需要。同时，我国也即将采用国六标准以适应国际排放标准，降低汽车排放量。

考虑到以上因素，以及对能源危机、环境恶化等诸多问题的重视，内燃机的应用也面临着巨大挑战，这迫使人们不断寻求新的途径。总的来说，上述新的途径基本分为发展电动汽车和寻找替代燃料两大类。而电动汽车的发展受到电池存储容量和充电时间等技术方面的限制，从目前的情况看，短时间内难以取得突破，从而难以撼动目前汽油、柴油的绝对统治地位^[5]。

目前，在中国国内，汽油发动机在车用动力市场占有很大的份额。传统汽油发动机的热效率较低，传统柴油发动机的污染问题难以解决。与汽油发动机相比，柴油发动机具有良好的经济性和动力性，但同时存在混合气的不均匀的问题，混合气的不均匀会导致燃烧中出现局部高温区和局部过浓区，进一步造成NOx和碳烟排放增多^[6]。向柴油中加入一比例的汽油后，辛烷值增加，油气混合质量提高，燃烧更完全，从而降低碳烟的排放量^[7][8]。在查阅大量参考文献后得知，喷雾混合燃料是燃烧的重要边界条件之一，并且柴油发动机的喷雾特性及参数直接影响着柴油发动机喷雾后的燃烧^[9]。因此，为了合理组织燃烧、提高柴油发动机性能，改善排放，必须要弄清喷油雾化机理，研究喷射特性，探明喷雾与空气的混合过程。近年来，汽油柴油混合燃料作为一种新型的内燃机燃料燃烧方式，受到了越来越多的关注，这种混合燃料具有滞燃期长，挥发性好等优点^[10]，同时使用这种混合燃料可以同时有效减少碳烟和NOx的生成^[11]，因此其具有很大的潜力与发展空间。对汽油/柴油混合燃料的喷雾燃烧数值进行模拟，有利于找到合理的汽油/柴油混合比例，并且得知其对应的喷雾特性参数和燃烧特性参数，是提高发动机热效率、经济效率与降低污染排放的重要参考，对于将来实际应用这种新型燃料有着重要的参考意义。此外，汽油和柴油之间的物理和化学性质存在很大差异。通过以不同的比例混合两者，可以灵活的实现对燃烧的控制，并且汽油和柴油方便易得，汽油柴油混合的部分预压燃技术成为了一种最为简单、低成本、实用的控制策略。因此，开展汽油柴油混合燃料喷雾燃烧的基础研究具有重要意义。

为了解决日益严重的环境污染问题，各国政府都制定了不同排放标准来限制发动机的有害排放物。这些排放标准极大地影响了内燃机的发展，促进了燃烧过程的研究，也使得对内燃机的有害排放的研究，控制和预测有了高速发展。但由于燃烧过程是一个十分复杂的过程，并且燃烧过程的细微差别也会对内燃机的排放性能有着极大的影响。长期以来，研究燃烧的主要手段只有实验这一种方法，但实验会受到实验条件和测试技术，测试设备等方方面面的限制。并且实验研究也有很大的局限性，例如如果想要在实验中改变众多实验参数，就会造成很大花费，也使得实验法更加受限，有时实验会难于进行甚至无法进行。因此，对燃烧过程进行研究是研究内燃机工况中的难题。

自20世纪60年代以来，电子计算机发展迅速，计算机有着极强的计算能力。同时，计算流体动力学，计算传热和化学动力学的基础理论研究使得在计算机的帮助下模拟内燃机燃烧过程成为可能。随着燃烧过程可以使用计算机进行仿真，燃烧模拟已成为燃烧研究的又一有效手段，同时也是实验研究的重要补充之一。

国内外研究现状与成果

目前，柴油发动机有着两种不同的排放控制技术措施：机内净化措施与机外净化措施。机内净化措施指：根据规定的排放标准的要求开发一种高性能，低排放柴油发动机燃烧过程。要求工作过程可以合理配合燃烧，供油，配气，冷却等系统^[10]，以此减少排气中的有害成分；而机外净化包括了前处理和后处理，即使柴油发动机预先处理气缸吸入的可燃混合气，或在排出尾气之前对其排放尾气进行过滤或发生催化反应以减少排放的有害成分。

通常来说，柴油机内部净化工作的核心是优化燃烧过程，为此需要着手改善混合物的形成，实现燃料的充分燃烧，并使得柴油发动机工作更加柔和，启动更加可靠，排放尽可能最小化^[12]。柴油发动机的开发研究人员会想方设法通过柴油发动机的机内净化来实现排放的改善，而近年来又积极地对从根本上对柴油发动机的燃烧方式进行改革以求降低燃烧过程的排放量。

由于发动机运行速度范围广，固定气门正时只能优化部分运行条件。现在，许多老牌的车用发动机公司正在试验充分利用ECU控制的电磁阀作为进气门和排气门，使气门的配气相位和气门升程可以随不同的工况而改变^[13]。如果该研究可以大规模实验应用，无疑可以极大的改善发动机的经济性和排放性。

同时，研究人员也在研究新的燃烧方式以改善燃烧过程，这些研究分3个方向：第一，增大发动机的喷油提前角，这样可以使燃油在压缩行程之前便喷入缸内，以使得燃油与空气进行混合时获得更加充足的时间，以此来增加混合气的均匀度，减少扩散燃烧，增加预混合燃烧；第二，采取进气道喷射，将燃料喷到进气阀附近之后令其和空气进行混合，然后在进气过程中使缸内吸入以这种方式所产生的混合气。这种方法利用了进气涡流，可以得到被进气涡流所强化过的混合气，从而改善混合气的均匀度，达到降低污染的目的；第三，采用一种被称作缸内后期喷射的新型技术，也就是在压缩上止点附近或之后将燃料喷射入气缸之中，同时采用降低压缩比火大量预冷EGR的措施来实现延迟点火^[14]。最终结果会使得着火起始点恰好在燃油喷射结束之后。虽然缸内后期喷射技术无法在缸内形成的均匀度更高的混合气，但是相比于传统的柴油发动机燃烧模式，NO_x和碳烟排放仍然更低。

影响柴油发动机在蒸发环境下的喷雾的贯穿距离的因素还有十分重要的一项：混合燃料的挥发性和粘度^[15]。燃料有着越高的挥发性，其喷雾的贯穿距离也会变的更长，而燃料的粘度越高，喷雾的贯穿距离会变得越短^[16]；在蒸发环境下，混合燃料的挥发性是影响喷雾特性最主要的原因；混合燃料的挥发性还会小幅影响混合燃料的喷雾锥角，并且随着背景压力、喷射压力的其他参数的增加，喷雾锥角受到燃料挥发性的影响越来越小^[16][17]；背景压力也对混合燃料喷雾的贯穿距离有着显著的影响，在背景压力升高时，喷雾的贯穿距离会明显减小，这是因为由于背景压力升高，空气会变得更加“粘稠”，即空气阻力增大，从而使得；喷射压力对混合燃料喷雾的贯穿距离也有着一定影响^[17]。一般来说，喷油压力越高，会使得混合燃料的喷雾的贯穿距离变长；同时喷孔的直径越小，喷雾的贯穿距离越短。

研究目的与意义

为了减少柴油发动机的排放以适应日益严格的法规要求，近几年来，柴油发动机采用了许多新技术来减少排放，如增压中冷、多气门、排气再循环、新的柴油配方和代用燃料等。同时研究人员开发了诸如电控进气涡流比、电控可变涡轮喷嘴机构以及电控排气再循环等电控可变机构来控制柴油发动机的排放。以上这些措施的综合应用，使得柴油发动机的排放相比以前有着显著降低。

最近，人们也在寻找新的燃烧方式，以求得可以更加适合的实现预混燃烧，减少不完全燃烧现象的发生，从根本上减少柴油机扩散的排放^[18]。这些研究分为三个方向：缸内早喷、缸内晚喷、进气道喷射，其中缸内早喷是本文所研究的一个方面，也就是通过增大发动机的喷油提前角，使燃油在压缩行程时之前便喷入缸内，使得燃油与空气有着更充足的混合时间，以此来减少扩散燃烧，增加预混合燃烧^[[19]。同时使用混合燃料燃烧可以在一定程度上有效的降低NO和碳烟的排放，这种方法有着极大的潜力和优势。通过降低燃料的十六烷值，同时提高燃料的挥发性，可以大幅改善柴油发动机燃烧性能和排放性能^[20][21]。使用汽油和柴油组成的混合燃料，可以优化内燃机的燃烧过程，是改善内燃机燃烧性能与排放性能的重要途径^[22]。本文将会研究混合比例、背景压力和喷油提前角对柴油发动机喷雾及缸内混合气均匀程度的影响，分析混合比例、背景压力和喷油提前角对燃烧过程以及对 NO 与碳烟排放的影响规律^[23]。

本论文研究的目标及方案

本文的研究是使用AVL公司的 FIRE 软件进行喷雾和燃烧模拟，分析混合比例、背景压力和喷油提前角对柴油发动机喷雾和燃烧过程的影响规律。围绕汽油/柴油混合燃料的喷雾燃烧，参考《内燃机学》《燃烧学导论》等专业书籍，建立内燃机燃烧室模型，使用控制变量法，在保持其他因素不变的情况下，对某一因素设置梯度，使用AVL FIRE软件在燃烧室模型内对不同数值的因素进行燃烧与喷雾数值模拟。以此方法对不同因素分别进行模拟，得到不同因素对喷雾与燃烧数值的具体影响，并做出总结。本次研究在充分假设的基础上对现有的复杂现象进行简化，最终模拟计算出研究因素对相应的喷雾燃烧参数的影响规律。本文的研究内容主要如下：

1） 使用AVL FIRE软件建立并验证、校核燃烧室模型，使得燃烧室模型所得模拟数据与实验所得数据吻合较好，误差保持在5%以内，以求得到真实而精准的实验数据，为之后的数据模拟做好保障。

2） 对不同混合比例的汽油/柴油混合燃料在内燃机正常工况下的参数进行模拟，研究混合比例这一外部因素对喷雾特性与燃烧特性的影响。

3） 采用控制变量法，分别改变背景压力与喷雾提前角，分别得出不同因素的模拟结果，探索与分析内燃机内部条件对其喷雾特性与燃烧特性的数值影响规律。

理论基础

FIRE软件介绍

如果想内燃机的工作过程进行不同数值的模拟，就必须将缸内的空间离散成计算网格和动网格，数值计算试用移动边界法，并且在不同的时刻使用不同的物理模型和化学模型来计算在任意不同时刻下，燃烧室内的温度场、速度场、压力场及排放物组成。数值计算的方法可以在计算机上分析与模拟内燃机中的喷雾过程、燃烧过程、燃烧排放。使用这样的计算方式，既可以使用明显的图形显示表现出缸内情况随时间变化的情况，还可以做到只改变一个参数而不改变其他参数的情况下，得到某一特定参数对所模拟的各项参数的影响。

由总部位于奥地利的AVL李斯特公司所开发的FIRE软件，可以使用该软件模拟内燃机流动、喷雾、燃烧过程的CFD软件。FIRE具有和其他CFD软件相同的组成部分：前处理、求解器和后处理。在FIRE中，可以使用该软件完成全自动、半自动或者手动的网格和动网格生成，使用该软件可以对内燃机的结构实现简单的网格划分。同时，FIRE软件自带了许多湍流、燃烧和排放模型，可以保证在不同需求的情况下实现匹配所需实际要求，而且用户可以根据不同的求解对象和研究背景，选择各种不同的符合实际的计算模型，以实现模拟所得数据和实际情况的吻合。

燃料特性介绍

本次研究将使用汽油与柴油的混合燃料在柴油发动机内进行仿真实验，为此需要两种燃料的基础参数^[24]。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：