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边界条件对柴油机瞬态工况下燃烧的影响及数值模拟

王忠恕  
【摘要】:在CA6DE1-21K增压中冷车用柴油机上,利用自行开发的瞬态测量及控制系统进行了燃烧边界条件对瞬态工况下燃烧及排放影响规律的研究。利用CFD模拟对试验结果进行了分析。 对该柴油机1000r/min,75%负荷工况进行了燃烧模拟分析。分析结果表明:燃油喷注的贯穿率为0.833;油束撞壁后,绝大多数燃油沿燃烧室凹坑壁面向下运动,并形成较强的涡流,极少一部分燃油(10%)沿燃烧室壁向上运动,并进入活塞平顶和缸盖下端面之间的挤流区,该部分燃油对NO排放有较大的影响;NO主要形成于火焰的前锋面,在挤流区内生成的NO质量占其总生成量的60%以上;碳烟的生成始于喷油始点,其浓度分布与燃油浓度场分布类似,约有95%的碳烟在排气门开启前被氧化。 瞬态工况下的研究表明,由于工况的变化导致了燃烧边界条件发生了较大的改变。主要表现在同一转速相同负荷工况下,随着转矩变化率的增加进气量和耗油量均有所增加,但是总体空燃比却有下降的趋势,在低转速时此种趋势更为明显。试验和模拟结果均表明,转矩变化率对燃烧滞燃期影响不大,但是燃烧持续期却随着转矩变化率的增加而延长。排放试验结果表明:随着转矩变化率的增加,微粒和碳烟排放量明显上升,而NOx排放略有降低。通过数值模拟分析发现:循环供油量增加和燃烧持续期延长是导致上述结果的主要原因。随着转矩变化率的增加,燃油消耗率增加,增加的燃油进入气缸后,正处于高温、贫氧及流动相对较弱的区域,导致了微粒和碳烟排放量显著增加。 对不同进气温度工况下的燃烧过程进行了研究,试验结果表明:空燃比随着进气温度的降低而增加,尤其是在中低转速工况下,这种趋势更为明显。排放试验结果表明:随着进气温度的降低,碳烟排放量明显降低。通过数值模拟分析发现:缸内氧气浓度场的变化是导致碳烟排放降低的主要原因,随着进气温度的降低,空燃比增加,从而导致了氧气浓度的增加,使更多的碳烟在排出前被氧化。 进行了供油提前角对燃烧过程影响的研究,研究发现随着喷油时刻的前移,碳烟排放量明显降低,而NOx排放明显增加。数值模拟分析表明:随着供油提前角的前移,燃烧滞燃期延长;在着火上止点后30oCA以前,缸内平均燃烧温度随供油提前角的前移呈递增趋势,这是导致碳烟排放量的降低和NOx排放的升高。


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