摘 要

随着现有能源的逐步枯竭和环境污染越来越严重，因生物柴油燃烧性能良好、排放污染较少以及可再生性，所以作为传统柴油的替代品越来越受到人们的关注。生物柴油的燃烧性能和排放性能具有较大的研究意义和应用前景。本文首先运用Por-E软件进行YC4FA100柴油机燃烧室模型的三维建立并运用AVL-FIRE软件进行燃烧室网格划分，然后通过改变喷油提前角、喷嘴直径、喷油时刻缸内压力等条件进行生物柴油缸内喷雾燃烧及排放的模拟实验，实验结果表明：随着喷嘴直径的逐渐增大，生物柴油喷雾贯穿距离先减小后增大，缸内索特平均直径减小。缸内O原子OH浓度、缸内温度、放热率曲线、缸压曲线、NO排放峰值都先增大后降低。而CO排放则是先减小后增加，而碳烟排放一直在下降；生物柴油喷雾贯穿距随着喷油提前角的逐渐增大而增大，缸内索特平均直径先减小后增加，缸内O原子OH浓度、缸内温度、缸压、CO排放、NO排放峰值都增高，而缸内放热率峰值增大。缸内混合气混合充分且缸内富氧所以碳烟排放曲线峰值一直减小；随着喷油时刻缸内压力的逐渐增加，生物柴油喷雾贯穿距减小，且缸内混合气索特平均直径增大，缸内O原子OH浓度、缸压、缸温、CO、NO及碳烟排放都随之减小，放热率曲线有所升高但升高幅度不明显。

关键词： 柴油机；生物柴油；模拟实验；喷雾燃烧；排放

Abstract

The shortage of energy sources and environmental pollution have became more and more seriously in our country. Because of good combustion performance , less emission pollution, and renew, biodiesel have been extensively used to substitute the traditional diesel. This paper first uses Por-E software to establish the three-dimensional model of the combustion chamber of YC4FA100 diesel engine and uses AVL-FIRE software to divide the combustion chamber mesh. Then the biological conditions are changed by changing the injection advance angle, nozzle diameter, and pressure in the cylinder at the injection time. Simulation Experiment of Diesel Engine In-Cylinder Spray Combustion and Emission.The experimental results show that with the increase of the nozzle diameter, the biodiesel spray penetration distance decreases first and then increases, and the average cable diameter decreases. The OH concentration, the cylinder temperature, the heat release rate curve, the cylinder pressure curve, and the NO emission peak in the cylinder both first increase and then decrease; However, CO emissions first decrease and then increase, while soot emissions continue to decrease. Biodiesel spray penetration increases with increasing injection advance angle, and the average diameter of Socket decreases first and then increases. The O-atom concentration in the cylinder, the cylinder temperature, the cylinder pressure, the CO emissions, and the NO emission peaks all increase, while the peak heat release rate in the cylinder increases. The mixing of the air-fuel mixture in the cylinder is full and the oxygen in the cylinder is rich, so the peak value of the soot emission curve is always reduced; With the gradual increase of the pressure in the cylinder at the time of injection, the penetration distance of the biodiesel spray decreases, and the average diameter of the gas mixture in the cylinder increases. The OH concentration in the cylinder, cylinder pressure, cylinder temperature, CO emissions, NO emissions and smoke emission has decreased. The heat release rate curve has risen but the increase has not been significant.

Key words: Diesel Engine；Bio diesel；Simulation experiment；Spray combustion；Emission

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究意义 1

1.2国内外对柴油机燃烧生物柴油的研究现状 1

1.3本文的主要研究内容 2

第2章 模型的建立 3

2.1 模型建立与网格的划分 3

2.2 喷雾模型 3

2.2.1湍流扩散模型 4

2.2.2碰壁模型 4

2.2.3破碎模型 4

2.3燃烧模型和湍流模型 5

2.3.1燃烧模型 5

2.3.2湍流模型 5

2.3.2.1 PANS模型 5

2.3.2.2 LES模型 7

2.4排放模型 8

2.5计算条件设置及模型选取 9

2.6本章小结 9

第3章 模拟结果分析 10

3.1 喷嘴直径对柴油机喷雾燃烧和排放的影响 10

3.1.1 贯穿距和索特平均直径 10

3.1.2 缸内O原子和OH浓度 10

3.1.3 燃烧特性 11

3.1.4 排放特性 12

3.1.4.1 CO和NO排放 12

3.1.3.2 碳烟的排放 13

3.2 喷油提前角对柴油机生物柴油燃烧和排放的影响 14

3.2.1 贯穿距和索特平均直径 14

3.2.2缸内O原子和OH浓度 14

3.2.3 燃烧特性 15

3.2.4 排放特性 16

3.2.4.1 CO和NO排放 16

3.2.4.2 碳烟排放 17

3.3 喷油时刻缸内压力对柴油机生物柴油燃烧和排放的影响 18

3.3.1 贯穿距离和索特平均直径 18

3.3.2缸内O原子和OH浓度 18

3.3.3燃烧特性 19

3.3.4 排放特性 20

3.3.4.1 CO和NO排放 20

3.3.4.2 碳烟排放 20

3.4 本章小结 21

第4章 结论 22

5.1本文工作总结 22

5.2 论文工作展望 22

参考文献 23

致谢 26

第1章 绪论

1.1研究意义

21世纪以来汽车行业发展迅猛，国内外汽车保有量呈现几何倍数增长，而伴随而来的车用动力柴油机化的趋势，针对车用柴油的需求也随之增大，而随之而来的问题也逐渐暴露在人们的视线之中：传统化石燃料的有限性以及对其大量开采导致了世界性质的能源短缺；传统化石燃料的大规模使用致使大气中氮氧化物、硫化物、碳超标排放量，全球大量地区出现高温、酸雨、雾霾等极端恶劣气候，已经开始严重影响人们生活水平。正当科学家们想缓解这些因传统燃料带来的问题的时候，生物柴油这一集聚发展潜力的内燃机替代燃料开始走进科学家的视野，生物柴油以广泛的原料来源、燃烧及排放的良好性能为各国重视。与传统柴油相比，生物柴油有很多优点：较高的十六烷值使生物柴油的燃烧性能高于传统柴油；良好的蒸发性能使缸内混合气形成加快；因其粘度、密度大于柴油且冷凝点低于传统柴油致使生物柴油的常温、低温流动性高速传统柴油；又因为其闪点、燃点高速传统柴油，所以生物柴油的运输安全性较高，且在缸内燃烧时较传统柴油而言有更长的混合时间；生物柴油酸度及酸值低于传统柴油，这使得生物柴油的对发动机几乎无腐蚀，但对发动机内的橡胶部件腐蚀性较大；而其热值仅仅略低于传统柴油。所以生物柴油作为替代传统柴油的清洁能源需要在柴油机缸内进行喷雾燃烧及排放性能的模拟实验，为生物柴油缸内燃烧提供理论指导。

1.2国内外对柴油机燃烧生物柴油的研究现状

欧盟各国石油资源紧张以及其极大的柴油机乘用车保有量，欧洲生物柴油的生产及消费已成为全球规模最大地区，欧盟占有超过75%的世界生物柴油消耗量。在过去的30多年里。各国对发展生物柴油的重视程度和投入力度都已加大。欧盟对生物柴油的研究已经深入开展^[1]。迄今为止，因工艺复杂及成本问题，生产工艺大规模生产生物柴油的企业在我国还未出现。生物柴油的燃烧研究结果表明第生物柴油的添加对热效率没有多大影响。生物柴油的生产并没有显著改善。因此研究人员还研究采用非油脂类生物质作为原料的生物柴油，可以避免燃料与粮食之间的选择关系，降低生产成本，国内对生物柴油的研究依然未完全展开^[2]。

生物柴油作为替代传统柴油的一种新型能源出现，各国学者对其进行了大量大研究^[3]。生物柴油是一种含氧燃料，可以使发动机启动简单，减少碳烟的排放，缩短点火延时期，减少发动机爆震从而使发动机平稳运行。生物柴油的硫与芳香烃含量较低，生物柴油的这一性质会影响柴油机中晚期颗粒的形成。但是由于生物柴油的体积模量高于传统柴油因此燃料的可压缩性会影响到柴油机的喷射特性。喷射情况也是生物柴油的研究重点，在柴油机中，点火延迟期和燃烧持续期间影响燃料和周围热空气相互作用的是燃料的喷射特性，如喷射延时、喷射压力、动态喷射正时、缸内喷射持续期和喷嘴结构参数^[4]。燃料的喷雾特性在改善燃烧和发动机性能方面起重要作用，因为它的改变影响着缸内混合气的形成过程。但是有关喷雾特性的信息很少。国外一研究结果表明，随生物柴油配比增加，燃油喷射率降低，平均液滴直径增大，雾化过程相对较弱，这是由于生物柴油粘度大、表面张力较高。相较于传统柴油，喷油贯穿距和喷射正时没有变化^[5]。建议直接使用生物柴油燃料而不改变发动机硬件系统。Nabe和Siebers应用Mie散射技术研究了蒸发喷雾在定容燃烧弹中的液相渗透，发现蒸发对喷雾贯穿距的影响随着环境密度的增大效果减弱，但蒸发喷雾的液相贯穿距比非蒸发喷雾液相贯穿距和扩散范围小20%^[6]。国内研究表明：混合燃油中液相长度随汽油掺混比例增加呈成线性减少^[7]。中国的生物柴油产业也得到了极大的发展。脂肪酸甲酯生物柴油大规模的生产和广泛应用无法与其在发动机上的应用研究分开。Scholl和Sorenson等人的研究结果表明：相对于传统柴油，使用生物柴油时，改变喷嘴直径会对发动机动力性和放热率产生更大的影响，在较大范围工况内运行，HC和CO排放降低，NOx没有明显变化^[8]。Kegl和Hribernik等人对生物柴油和柴油的混合燃料进行了数值研究分析，报告中指出随着喷射正时的提前，所有生物柴油-柴油的喷射持续角都增加了^[9]。通过增加共轨燃油的喷射压力可以增强燃料的雾化和燃料-空气的混合状态。但是这也会增大喷注的贯穿距离致使壁撞击概率增大。美国Nrel的研究报告中指喷射正时的自动提前是由于生物柴油体积模量高于传统柴油，而体积模量正是影响燃料压缩性的关键因素。从而使共轨压力显著增加^[10]。值得注意的是，壁撞击是影响柴油机寿命的主要问题之一，而碰壁概率主要是通过减小惯穿距离来减少。

1.3本文的主要研究内容

本论文主要研究内容是通过采用发动机缸内模拟计算的三维计算软件，建立气缸的三维计算模型；以此为基础，对柴油机缸内生物柴油的喷雾燃烧及排放物进行模拟计算。分析喷口尺寸、喷油提前角、喷油时刻缸内压力等因素对生物柴油喷雾燃烧及排放等方面性能的影响；为生物柴油在柴油机缸内燃烧及排放提供理论指导。

第2章 模型的建立

在生物柴油缸内燃烧的整个仿真过程中，网格的划分和动网格的建立对于仿真分析非常重要。因为本文的模拟重点为喷雾燃烧与排放过程，而柴油机在运转过程中有稳定进气涡流，在建模的初始阶段可以设定一个稳定的进气初始涡流，不考虑进气门和排气门以及进气道和排气道对缸内气体影响。因为本文主要研究生物柴油在柴油机缸内的喷雾燃烧及排放性能，建立的动网格的曲轴转角范围是330°CA到400°CA,包含上述模拟计算范围。

2.1 模型建立与网格的划分

本文采用AVL-Fire中的ESE-Desel模块进行模拟计算。首先，需要建立柴油机的燃烧室模型，建立的燃烧室为型燃烧室。使用Auto-cad软件将dxf文件格式的柴油机燃烧室外形保存，其轮廓如图2-1（a）所示，然后将其导入到ESE模块，将生成的几何模型进行网格划分，其网格如图2-1（b）所示。

（a）燃烧室模型 （b）燃烧室网格

图2-1燃烧室模型及网格

该柴油机采用七孔喷油器，为节省计算时间，故计算区域只有整个燃烧室的1/7.边界层数为2，网格单元平均尺寸0.8mm，网格总数38250个。

2.2 喷雾模型

柴油机缸燃油喷雾混合包括流体雾化，油滴分裂，油滴聚合，燃油碰壁传热和传质。燃油的喷雾模拟主要包含两种方式。一种方式是认为燃油离开喷嘴后就以气态存在，这种方法只要给定燃油气射流的初速度和方向，可算出后续反应进程而无需对喷雾浓度、喷雾锥角、贯穿距等作出假设。另一种方式是离散液滴模型，其假定燃油在离开喷嘴后以离散液滴的形式存在^[11]。应欧拉-拉格朗日法用于求解离散油滴在流厂中的理化特性，此方法在柴油机的模拟中广泛应用。本文选取的喷雾模型是认为燃油喷射后以气态存在的第一种喷雾模型。

2.2.1湍流扩散模型

FIREv2013软件中提供了Enable和O’Rourke以及K-epsilon模型，缸内的湍流运动复杂多变，准确的用数学模型描述湍流运动才能得出更符合实际的结果，本文在计算时采用的湍流模型为k-epsilon模型为湍流扩散模型。

2.2.2碰壁模型

喷雾碰壁过程对油滴的雾化和蒸发影响较大，在柴油机中，喷油油束容易碰壁。燃油碰壁有多种方式，主要包括粘附、回弹、破碎、扩展、壁面射流和飞溅^[12]。具体形式如下图2-2所示。FIREv2013软件中提供了walljet0、walljet1、walljet2、reliection等十余种碰壁模型，本文用壁面射流模型（walljet1）作为喷雾模型。

图2-2燃油碰壁形式

2.2.3破碎模型

FIREv2013软件中提供八种喷雾破碎模型，韦伯数大于100的高速喷雾柴油机符合WAVE破碎模型使用条件，本文采用WAVE破碎模型。WAVE模型还描述了在液滴表面受少量扰动后产生的不稳定波和破碎过程，如图2-3所示。

图2-3 WAVE Child破碎模型

2.3燃烧模型和湍流模型

2.3.1燃烧模型

FIREv2013柴油机燃烧模型主要包括湍流涡团破碎模型、概率密度函数模型和拟序火焰燃烧模型等。

湍流涡团破碎模型通过将湍流脉动动能和其耗散率相关联来描述火焰湍流燃烧。该模型将燃烧区域的已燃混合气和未燃烧混合气看成为各种形式的涡团，湍流燃烧速度与未燃涡团的破碎速度有关^[13]。

拟序火焰燃烧模型是在原有的火焰密度方程上面增加了混合模型，描述非均匀湍流预混燃烧和扩散燃烧过程，在柴油机缸内燃烧数值模拟方面越来越备受关注^[14]。

概率密度函数模型是通过求解PDF运输方程获得有关湍流燃烧过程的具体参数。这种方法是近几年来发展的，计算量比较大，目前工程应用中广泛应用的是简化的PDF模型^[15]。

FIREv2013软件中提供了六种燃烧模型，如EBU模型、CFM模型和PDF模型。CMF模型能和较多的喷雾模型及湍流模型一起使用^[16]。本文选用的是CMF模型计算混合气的燃烧过程。

2.3.2湍流模型

基于FIRE软件，本文分别采用RANS模型（选取其中的k-ϵ模型）、PANS模型和LES模型对油发动机的缸内燃烧湍流特性（气缸内平均压力变化、速度场）进行对比研究。

2.3.2.1 PANS模型

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