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1、天津大学硕士学位论文喷油策略对柴油机性能影响的试验和计算研究ExperimentalandComputationalStudyofFuelInjectionStrategiesonEnginePerformance学科专业：动力工程研究生：马名扬指导教师：彭志军教授企业导师：熊如意高级工程师天津大学机械工程学院2017年12月摘要近年来，随着柴油机喷油技术的不断发展，柴油机的性能得到了不断提高，使得柴油机具备了更高的效率和更低的排放。但是随着排放法规的日益严格，工程研究中对喷油策略的要求也越来越高。为了探究不同喷油策略对发
2、动机性能的影响，本文采用试验和仿真相结合的研究方法，深入研究了柴油机喷油策略对其性能的影响。首先，本文通过发动机台架试验，分析了柴油机在使用矩形喷油率形状时，不同边界条件对发动机性能的影响。发现在两次喷射条件下，当主喷时刻位于上止点之后时，排放物的生成量都能维持在一个较低的水平，并且此时发动机输出扭矩不受影响。固定每循环的喷油质量，发现合适的预喷比例可以使生成的HC、CO和碳烟的质量同时减少，并且氮氧化物的生成量增加不多。每循环的吸气量越多，生成的氮氧化物就会增多，生成的未燃的HC和CO的量，先是逐渐增加，但是随后又会减小
3、。而燃油喷射压力主要是影响喷射速率，喷射速率进而响了CO和氮氧化物的生成，并且使得碳烟的生成量稍有减小。然后，建立和标定了基于KIVA-3V程序的三维计算模型，并与试验数据进行了比对。通过模拟，研究了预喷正时和燃油喷射角度对发动机燃烧和排放特性的影响。模拟结果表明，当预喷正时在上止点前5度到7度之间时，可以使CO、NOx和HC的生成量都维持在一个较低的水平，并且不影响指示燃油消耗率。并且，最终生成的HC和CO主要分布在燃烧室凹坑附近，主要原因是部分燃油打在了燃烧室壁面，由于壁面附近的温度相对于燃烧室凹坑中部的温度偏低，进而
4、影响了燃油的雾化和蒸发过程。最后，基于数值计算重点分析了矩形、三角形、阶梯形、递增形、递减形等五种不同喷油率形状对柴油机燃烧和排放特性的影响，并探究了喷油间隔和喷油速率对五种不同的喷油形状的影响。研究发现通过采用所设计的喷油率形状，可以控制燃烧相位和燃烧过程，进而影响柴油机的性能和排放物的生成。当预喷和主喷都采用矩形喷油率形状的时候，在不同的喷油间隔和喷射速率下，最终生成的氮氧化物的含量总是最低的；而采用阶梯形喷油规律的时候，HC和CO的生成量是最少的，指示燃油消耗率最小，但是氮氧化物的生成量会增多；采用递增形喷油规律时，
5、燃烧效率则是最高的。关键词：柴油机，KIVA-3V，喷油策略，喷油率形状，燃烧排放IABSTRACTInrecentyears,withthecontinuousdevelopmentofdieselfuelinjectiontechnology,theperformanceofdieselenginehasbeenfurtherimproved,leadingtohigherefficiencyandloweremissions.However,withtheincreasinglystringentemissionre
6、gulations,thedemandforadvancedfuelinjectionstrategyisbecomingurgent.Inordertoexploretheeffectofadvancedinjectionstrategyonengineperformance,acombinationofexperimentsandsimulationswereemployedtostudythedifferentfuelinjectionstrategies.Atfirst,theeffectsofmaininject
7、iontiming,pilotfuelquality,railpressure,andintakeairflowmassrateondieselenginetorque,HC,COandsootemissionswastheinvestigatedinanenginetestrig.Theexperimentalresultsshowedthatunderthetwo-injectioncondition,whenthemaininjectiontimingwaslocatedafterthetopdeadcenter,t
8、heemissionswouldhavemaintainedatalowlevel,andthetorquewasgenerallyconstant.Whenthefuelinjectionpressurechanges,withtheincreaseofinjectionpressure,thecon
