國Ⅳ柴油機燃燒系統(tǒng)性能提升的三維模擬研究.pdf

1、國Ⅳ排放標準將在2015年1月1日全面實施，國Ⅴ排放標準預(yù)計也將在2018年全面實施，國Ⅴ技術(shù)的研發(fā)迫在眉睫。本文通過對一臺在ESC穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)試驗中無后處理達到國Ⅳ排放的商用車重型柴油機的燃燒系統(tǒng)進行優(yōu)化，為升級到國Ⅴ柴油機提供理論指導(dǎo)。
　　本文采用三維計算、排放物流體力學(xué)軟件AVL-FIRE進行模擬研究。對原機燃燒室缸內(nèi)氣流運動、混合氣濃度分布等缸內(nèi)燃燒微觀場進行分析發(fā)現(xiàn)，NOx和soot最主要的生成區(qū)域分別為擠流區(qū)和凹坑，

2、而它們的生成又受到燃油在擠流區(qū)和凹坑的比例分配的影響。對此，通過燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出了三種改進燃燒室結(jié)構(gòu)方案，期望新燃燒室能改善排放和經(jīng)濟性。新燃燒室SF4在原機燃燒室SF1的基礎(chǔ)上縮口位置下移1mm，新燃燒室SF5和SF6則分別在SF1和SF4燃燒的基礎(chǔ)上燃燒口徑和縮口直徑都加寬2.5mm。經(jīng)研究對比表明，縮口位置下移會較大程度影響燃油在擠流區(qū)和凹坑內(nèi)的比例分布，進而影響經(jīng)濟性和排放。新燃燒室SF4縮口下移使燃油分配較合適，且渦流保持

3、性好，達到了燃燒室優(yōu)化設(shè)計預(yù)期的目標，改善了NOx和soot的trade-off關(guān)系，且油耗較原機燃燒室SF1也得到了1～6g/kW·h的改善。
　　開展了新型燃燒室與后噴策略匹配研究。模擬在1660r/min、50％負荷工況下采用高壓噴射和后噴策略，噴油壓力達1600bar和1800bar;在1990r/min、100％負荷工況下采用超高壓噴射和后噴策略，噴油壓力達2000bar和2400bar。計算表明，后噴策略是一種能有效減

4、少soot排放而使NOx排放變化不大且不過多犧牲油耗的方法。后噴策略能有效降soot排放主要得益于燃油分兩次噴射使主噴燃油減少，導(dǎo)致主噴燃油燃燒生成的soot呈非線性減少，而后噴燃油燃燒不受主噴燃油燃燒的影響，不生成或者生成很少的后噴soot。提高噴油壓力后，主后噴間隔對soot排放的影響規(guī)律無變化，即隨主后噴間隔的增大，soot排放仍呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，且soot排放最低點所對應(yīng)的最佳主后噴間隔均為4℃A;后噴油量對soot排放

5、的影響規(guī)律也無變化，即隨后噴油量增加，soot排放也是保持著出先下降后上升的趨勢，但最佳后噴油量受發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況及噴油壓力影響。
　　對燃燒系統(tǒng)優(yōu)化表明，1660r/min，50％負荷，1800bar噴油壓力下，主后噴間隔為4℃A，后噴油量為20％時，獲得該工況下最好的排放。其中soot排放約為0.0145g/kW·h，NOx排放約為1.48g/kW·h;1990r/min，100％負荷，2400bar噴油壓力下，主后噴間隔為4℃