能源危机和环境污染是当前人类所面临的两大问题。人们通过节约能源以及开发新能源来缓解能源危机,通过制定各种法律法规和采用新技术来降低污染物的排放。柴油机因其热效率高、经济性好的优点在各行业得到了广泛应用。但是柴油机在低温环境运行时,会产生功率下降、油耗上升、排放恶化等问题,加剧了能源危机和环境污染,因此对柴油机的低温性能研究显得十分必要。本文对低温环境运行柴油机进行缸内燃烧过程组织及排放控制,旨在提高柴油机的动力性及经济性,同时降低柴油机的排放。
本文以4102ZLQ柴油机为研究对象,采用了模拟与实验相结合的研究方法,对柴油机标定工况进行实验及数值模拟,建立了柴油机喷雾、燃烧及排放生成模型,对柴油机的气相流动过程、喷雾过程和燃烧过程等缸内过程进行了模拟计算。在燃油喷雾混合模拟中,采用离散相液滴模型模拟燃油液滴的运动;实心圆锥体射流源和Rosin-Rammler分布来描述燃油的喷射,Wave Breakup模型模拟燃油液滴的破碎;O′Rourke随机碰撞模型模拟液滴的碰撞,并考虑了液滴与壁面碰撞的反弹和粘附;采用Hardenburg和Hase提出的公式计算滞燃期。湍流运动采用RNG（Renormalization Group Theory）κ-ε方程模拟,并采用壁面函数对壁面湍流进行修正。燃烧计算中,将层流有限速率模型与涡耗散模型进行结合来计算净反应速率;采用单步反应来描述柴油的燃烧;将模拟结果与实验结果进行对比,并以此为基础对柴油机低温工况进行了较好的模拟。
模拟结果较详细地展示了缸内流场、喷雾发展形态、喷雾液滴的空间分布情况及其燃烧的温度场、压力场。着重分析了缸内流场的演变规律、流动的特点以及NOx、Soot的生成情况。通过模拟结果与实验结果的对比表明,所建立的三维燃烧模型可以较好地模拟柴油机的燃烧过程,预测柴油机的各项性能参数。在此基础上,利用三维燃烧模型,对柴油机低温运行工况进行了模拟,分析了低温环境时柴油机动力性及排放性的下降因素并提出了改善措施。通过改变低温环境时的进气压力、喷油提前角来提高柴油机的动力性能并降低排放。研究结果表明:相对于常温而言,低温运行时柴油机缸内低温区域分布较广,不利于可燃混合气的形成,从而使柴油机功率下降。在一定范围内,提高进气压力可以改变压缩终了温度,为燃烧提供充足的氧,提高柴油机的动力性。但随着燃烧温度的提高,柴油机的NOx排放升高,对Soot作用不显著。喷油提前角是影响滞燃期的主要因素。喷油提前角大,滞燃期长,预混合期内燃烧的混合气量多,柴油机的功率增大,预混合期内缸内温度高,生成的NOx较多,扩散燃烧期中碳烟生成量减少。增大喷油提前角能够有效的改善柴油机在低温时运行的动力不足问题,同时NOx排放有一定程度的上升,Soot排放下降。
