柴油机富氮富氧进气变组分可控性研究

【摘要】柴油机富氮富氧进气变组分控制，是通过改变进入气缸中空气的氧氮组分，对缸内氧气浓度分布进行重整，以改善燃烧和降低排放的主动控制技术。富氮和富氧进气分别对柴油机燃烧起到阻燃和助燃的作用，通过改变缸内氮氧组分和浓度分布，从而改善柴油机淬熄现象、恶劣环境下燃烧不充分及局部温度过高等问题，最终达到降低排放，提高动力性和经济性的目的。本文应用CFD商用软件FLUENT对柴油机富氮和富氧的进气过程和压缩过程进行了仿真模拟。为了实现压缩终了缸内氧气浓度分布满足中间较稀边缘较浓，设计采用缸内直接喷入富流体形式，并分析不同进气条件对压缩终了缸内流场及氧气浓度场分布的影响。本文分两部分研究，富氮进气和富氧进气，分别对柴油机富氮进气和富氧进气变组分可控性进行分析。采用富流体缸内直接喷射，主要通过控制富流体喷射位置、喷射角度、喷射策略和喷射压力等进行可控性分析，通过分析不同转速，可以知道控制方案对不同工况的适应性。以分析富流体进气流场分布作为研究方法，通过对比分析选出最佳富流体喷射方案，从而使得压缩终了缸内氧气浓度实现预期的效果，并能实现控制燃烧、减少有害气体排放的目的。本文不但对自然吸气柴油机富流体进气做了研究，还应用同样的方法对增压柴油机进行了分析。在开展富氮富氧进气研究之前，本文首先对燃烧室模型进行设计。首先建立了切向气道和螺旋气道，通过对比分析发现，螺旋气道能形成较强的进气涡流，并且一直持续到压缩终了，在进气结束和压缩终了，缸内氧气浓度呈现中间较稀边缘较浓的分布规律。然后建立三种不同坑型燃烧室，通过对比分析发现，三种坑型燃烧室均使进气涡流增强，进气结束，三种坑型的燃烧室内氧气浓度均呈现中间较稀边缘较浓的分布规律，但在压缩冲程，涡流强度减弱，压缩终了，III型燃烧室氧气浓度呈现中间较稀边缘较浓的分布规律。为了实现富氮富氧变浓度可控性，采用III型燃烧室。在对富氮进气变组分控制研究中，首先对自然吸气柴油机富氮喷嘴的空间位置和布置角度进行对比分析，结果表明，富氮喷嘴在位置II且喷射角度与气缸轴线成10°布置时，压缩终了缸内氧气浓度呈中间较稀边缘较浓分布。在分析喷射时刻影响时，发现进气过程前60°CA喷射富氮时，缸内氧气浓度呈现中间稀边缘浓分布规律。在分析不同富氮喷射压力的影响时，发现1atm、1.5atm和2atm富氮喷射，压缩终了缸内氧气浓度场分布都很理想，由于压力增加，喷入缸内的氮气增加，缸内氧气平均质量分数降低，随着喷射压力的增加，氧气浓度变化率也随之增加。在研究不同发动机转速的影响时，发现当发动机转速为800r/min、1500r/min和2000r/min时压缩终了缸内氧气浓度场分布情况基本相同，氧气浓度变化率也基本相同，因此此种富氮进气模式适用于不同发动机转速。最后还对增压柴油机富氮进气进行了分析，通过分析发现，进气时刻、富氮喷射压力和转速对压缩终了缸内氧气浓度场分布影响和自然吸气柴油机基本相同，此种富氮进气模式同样适用于增压柴油机。在对富氧进气变组分控制研究中，首先对自然吸气柴油机富氧喷嘴的空间位置和布置角度进行对比分析，结果表明，富氧喷嘴在位置I且喷射角度与气缸表面成30°切向布置时，可以在缸内形成氧气浓度中间稀边缘浓的分布。在分析喷射时刻影响时，发现进气过程后90°CA喷射富氮时，缸内氧气浓度呈现中间稀边缘浓分布规律。在分析不同富氧喷射压力的影响时，发现随着富氧喷射压力的增加，压缩终了缸内氧气平均质量分数增加，富氧喷射压力为2atm时，压缩终了缸内氧气浓度呈现中间较稀边缘较浓的分布规律。在研究不同发动机转速的影响时，发动机转速为中低转速时，压缩终了缸内氧气浓度均呈现中间稀边缘浓的分布规律，且随着转速增加，压缩终了氧气浓度梯度增大，变化更明显，但是在高转速时，压缩终了氧气浓度分布不满足设计要求。最后还对增压柴油机富氧进气进行了分析，通过分析发现，富氧进气对增压柴油机的适应性与自然吸气柴油机类似，此种富氧进气模式同样适用于增压柴油机。
【作者】车显达；
【导师】金英爱；
【作者基本信息】吉林大学，热能工程，2014，硕士
【关键词】柴油机；富氮进气；富氧进气；进气变组分；可控性；

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