喷油规律对柴油机性能和排放影响的研究

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1、摘要随着石油资源的日益枯竭和环境污染的日渐加剧，以及排放法规的愈加严格，内燃机的发展面临着越来越严峻的挑战。柴油机的燃油经济性优于汽油机20％～30％，但其较高的氮氧化物NOx和颗粒PM排放成为制约其发展的瓶颈。因此，采取有效措施降低柴油机的有害排放并推广其应用，对改善环境污染和延缓能源危机问题具有重要的理论意义和实际价值。燃油喷射系统对柴油机的燃烧过程及排放有着直接和决定性的影响。传统的机械式燃油供给系统已无法满足越来越严格的低油耗和低排放的法规要求，电控高压共轨喷射系统的出现解决了这个问题。在欧、美、日等发动机技术先进国家，利用电控共轨系统的多次

2、喷射功能，通过优化喷油规律来改善柴油机燃烧与排放的研究已成为热点。但由于国内引进共轨系统较晚且受生产技术的制约，这方面的详细研究还鲜有报道。本文在国m标准柴油机的基础上，利用电控共轨燃油系统的多次喷射技术，采用数值模拟与试验研究相结合的方法，旨在从优化喷油规律方面来挖掘发动机满足更高排放标准的潜力，同时探索多次喷射对柴油机性能与排放的影响规律，为同类机型的低排放研究和开发工作提供理论依据和试验基础。为了更深入的了解共轨燃油系统的喷射特性，利用EFS共轨喷油系统试验台，对不同喷油压力、不同喷油提前角以及不同的多次喷射条件下的喷油率进行了测取与分析。通过

3、研究发现，由于共轨系统压力稳定的特性，实现了典型的矩形喷油率形状；当喷油始点不变时，喷射压力越高，则喷油速率越大，喷油持续期越短；而在喷油压力相同时，随着喷油提前角的变化，喷油率曲线形状基本未改变，只是相当于其位置沿着x轴的横向移动。当预喷油量为定值时，随预喷间隔的变化，预喷射喷油率的位置相当于在x轴上发生横向平移；而当预喷间隔不变、预喷油量不同时，在喷油率曲线上显示为相同位置上出现峰值不同的预喷射喷油率；同预喷情况相似，后喷时的喷油率随后喷间隔的变化，其主喷射喷油率形状基本不变，只是后喷燃油的喷油率位置沿着z轴发生了横向移动；而随着后喷油量的变化，

4、后喷燃油的喷油率表现为只是在同一位置开始但其峰值有所不同的曲线形状。山东大学博士学位论文电控共轨喷油系统的最大优势在于，其喷油压力和喷油定时以及喷油量相对独立而不受发动机转速和扭矩的影响，从而使得柴油机在不同运行工况下拥有最佳的喷油过程成为可能。通过调整共轨压力和喷油提前角，对排放区的B50工况点，在发动机试验台架上进行了性能与排放的测试分析。研究表明，喷油压力提高，则燃油雾化质量改善，混合气形成更均匀，从而燃烧过程更充分，致使颗粒排放减少和油耗率降低；喷油提前角增大，使得燃油更集中于上止点附近燃烧放热，燃烧过程提前结束，从而提高了做功效率，改善了燃

5、油经济性。但同时发现，虽然采取较高喷射压力和较小喷油提前角的结合可在一定程度上降低柴油机的排放，但是面对更高要求的排放标准和法规，这样的调整显得无能为力。通过相关文献的查阅研究，决定采用共轨系统的多次喷射技术来进一步改善柴油机的排放性能，并通过对试验机型进行Pi．3．0．25预喷方案和Po．5．0．10后喷射试验探索证明了其可行性。数值模拟的出现，给现代柴油机的设计开发提供了一条崭新的途径。但与此同时，由于柴油机新技术的不断应用，使得原有的数学模型已不能完全满足模拟预测的要求。如对于碳烟模型而言，当采用共轨系统的多次喷射功能时，由于喷油模式的改变，燃

6、烧过程也发生了变化，从而影响到碳烟的生成和氧化过程，这时原有的模型就暴露了其不足之处。基于此，本文通过搜集大量相关文献资料，经过总结提炼，并针对研究后喷射的目的，提出了一个基于平均反应率的碳烟氧化模型，综合考虑了湍流混合控制与化学反应动力学对碳烟氧化的影响作用。利用CFD软件提供的接12，通过Fortran90编程将所提出模型进行链接，耦合其它子模型，对柴油机在预喷和后喷条件下的燃烧及排放过程进行了数值模拟，并结合发动机台架试验结果验证了模型的正确性与合理性。为了探究不同预喷条件和后喷条件对柴油机燃烧与排放的影响规律，为试验研究提供理论指导，文中利用

7、嵌入修正碳烟模型的FIRE软件，对多种预喷和后喷方案下的柴油机燃烧及排放过程进行了数值模拟。计算结果表明：采用预喷射之后，主喷期缸内的燃油混合情况要比没有预喷时更加均匀：预喷燃油的燃烧放热缩短了主喷燃油的滞燃期，且随着预喷油量的增加或预喷间隔的减小，主喷燃油滞燃期相应更短；少量预喷燃油的燃摘要烧能够减少主喷燃油的预混合燃烧比例，降低缸内最高燃烧温度，有利于NOx排放的改善；但是预喷射间隔和油量应充分优化，如间隔太长或油量太少，则预喷不能起到预热主喷燃油的目的，而过小的预喷间隔或过大的油量又会造成主喷射油束因卷吸过多的预喷燃烧产物而处于富油缺氧状态，燃

8、烧性能急剧恶化，造成碳烟大量产生；对于后喷而言，少量后喷燃油的燃烧对发动机的主喷燃烧过程影响很小，但由于后喷