【導(dǎo)讀】除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計）不包含。任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的作品成果。計中做出重要貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中以明確的方式注明。本人完全意識到本承諾書的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。限制汽車污染物排放。廢氣再循環(huán)系統(tǒng)是降低NOx. 排放水平的有效手段。能及排放水平進(jìn)行仿真研究。仿真過程采用ICEMCFD軟件對發(fā)動機燃燒室三。維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并通過Fluent軟件對發(fā)動機燃燒進(jìn)行仿真。確定發(fā)動機不同工況的EGR率。速下，EGR率隨負(fù)荷增加而減少。

　　

【正文】 40% 0% 20% 35% 60% 0% 15% 30% 表 6 試驗 分組 第五章仿真 及試驗數(shù)據(jù)分析 33 第五 章 仿真及 試驗數(shù)據(jù)分析 如 上文所述，本文的主要研究目的是通過試驗數(shù)據(jù)和內(nèi)燃機燃燒室仿真的對比驗證， 尋找 利用 Fluent 進(jìn)行內(nèi)燃機燃燒仿真的方法 ；并 通過試驗和仿真確定在發(fā)動機不同工況下發(fā)動機最適合的 EGR 率，盡可能 在保證 HC 和碳煙 排放 不增加的情況下，降低 NOx 的排放水平。 首先 在確定不同工況下 EGR 率之前，需要對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。 仿真數(shù)據(jù) 準(zhǔn)確性 驗證 上文提到過 ，在進(jìn)行仿真的過程中， 對 缸內(nèi)單元格平均壓力進(jìn)行監(jiān)控 ， 同時 在 臺架試驗中也可以對缸內(nèi)壓力變化 過程 進(jìn)行監(jiān)控 （圖 22） 。本文 選用這兩組數(shù)據(jù)作為 分析 仿真準(zhǔn)確性的 依據(jù) 。 從 圖中可以看出，在 1012r/min， 10%負(fù)荷， 0%EGR 率工況下， 仿真結(jié)果顯示缸內(nèi)最高壓力為 ，臺架 測試中 最高壓力為 ，誤差率 為%，符合 誤差 應(yīng)小于 10%的要求 ，同時最 高壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角 無論 在仿真中還是臺架試驗中均 為 10176。 CA。 從 其他工況下的仿真單元格平均壓力變化 曲圖 22 1012r/min， 10%負(fù)荷， 0%EGR 率 Fluent 仿真 與 臺架試驗缸內(nèi)壓力變化曲線 （ 10 至 20176。 CA） 吉林 大學(xué)本科畢業(yè)論文 34 線 和臺架試驗缸內(nèi)壓力變化曲線 的 對比也能觀察到相似的情況 ， 由于篇幅原因，就不在 文中 一一列舉。 以上 種種證據(jù)表明， Fluent 仿真結(jié)果與臺架試驗結(jié)果 擬合 程度 較好 ，誤差不超過 10%。 這 說明 在上文中提及的仿真 物理 模型選擇 正確 ， 邊界 條件設(shè)定 準(zhǔn)確 ，仿真結(jié)果 精確 度較高 ，可以 認(rèn)為 Fluent 燃燒室燃燒過程仿真 是 準(zhǔn)確的。 當(dāng)然 ，仿真存在一定的誤差。誤差 發(fā)生 的原因主要有如下幾條： 在 仿真過程中，由于理想化邊界條件，沒有考慮發(fā) 動機冷卻條件，所以仿真 過程 是絕熱的，這與 實際 條件并不相符 ； 由于 仿真是從進(jìn)氣下止點開始進(jìn)行，理想化 地 認(rèn)為 此時 進(jìn)氣已經(jīng)完成 ，實際情況是，在進(jìn)氣下止點之后進(jìn)氣門并未關(guān)閉，發(fā)動機繼續(xù)完成進(jìn)氣，這兩者之間存在著一定程度的誤差 ， 結(jié)果導(dǎo)致仿真 中 壓縮終了時溫度 和 壓力高于 缸內(nèi) 實際情況 ，但此誤差依然保持在 10%以內(nèi)。 影響 NOx 生成 的因素 本文 在仿真過程中使用了兩種 NOx 污染物模型， Thermal NOx 和 Prompt NOx， 在柴油機機 燃燒過程中正 是 在這兩種模型的共同作用下，發(fā)動機 會在 高溫高壓環(huán)境下生成 NOx 污染 物 。 以 1012r/min， 10%負(fù)荷的工況為例， 從 仿真結(jié)果可以看出，在噴油結(jié)束時 ， 發(fā)動機氣缸內(nèi)燃油分布如 圖 24 所示 ?？梢?看出 由于燃燒室渦流的作用，燃油大量集中于 ω 型活塞頂?shù)陌伎又?， 此處的溫度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于燃燒室其他部分的溫度 （圖 25）。 而 此時，在這個區(qū)域 NOx 濃度極高 （圖 26） 。 第五章仿真 及試驗數(shù)據(jù)分析 35 圖 251012r/min， 10%負(fù)荷， 0%EGR 率 ， 10176。CA 時 ， 溫度 分布云圖 圖 24 1012r/min， 10%負(fù)荷， 0%EGR 率 ， 10176。CA 時 ， 燃油 分布云圖 吉林 大學(xué)本科畢業(yè)論文 36 從 上述各 圖中可以 分析 出，在發(fā)動機燃燒過程中，燃油集中的區(qū)域由于燃燒較為劇烈，產(chǎn)生大量的熱量，溫度和壓力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于燃燒室其他區(qū)域， 導(dǎo)致圖 271012r/min， 10%負(fù)荷， 0%EGR 率 ， 10176。CA 時 ， 氧氣 分 布云圖 圖 261012r/min， 10%負(fù)荷， 0%EGR 率 ， 10176。CA 時 ， NOx 分布云圖 第五章仿真 及試驗數(shù)據(jù)分析 37 NOx 的大量生成。 所以 在燃燒過程中， NOx 大量集中于高溫區(qū)，此區(qū)域也是燃油集中分布的區(qū)域 對 NOx 生成產(chǎn)生重大影響的另一個 決定性 因素就是氧氣濃度分布。從 圖27 中可以 看出，在 0%EGR 率的情況下，氧氣濃度較高 ， 此時 NOx 的濃度也較高。在 30%EGR 率的情況下， 在 氧氣濃度僅僅下降了 3%（ 圖 28） ， 而燃油濃度 （圖 29） 未 顯著下降的情況下， 由于 氧氣濃度降低，燃燒減緩，溫度與 0%EGR率 相比略有下降 ， 但下降幅度很小 （圖 30） 。 此時 NOx 濃度下降 極為 明顯 （圖31） ， 圖 26 中 的 區(qū)域 全部消失 。從 臺架 試驗數(shù)據(jù)可以得知在 1012r/min， 10%負(fù)荷工況下， 0%EGR 率生成的 NOx 的 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 ，而在 30%EGR 率時，該數(shù)據(jù)為 ， NOx 排放下降 80%。 圖 281012r/min， 10%負(fù)荷， 30%EGR 率 ， 10176。CA 時 ， 氧氣 分布云圖 吉林 大學(xué)本科畢業(yè)論文 38 所以， 在同一工況下，氧氣濃度是影響 NOx 生成量的 決定性因素。 EGR系統(tǒng)正是通過降低燃燒室中的氧氣濃度，使得 NOx 排放 水平顯著降低 。 在 不圖 301012r/min， 10%負(fù)荷， 30%EGR 率 ， 10176。CA 時 ， 溫度 分布云圖 圖 291012r/min， 10%負(fù)荷， 30%EGR 率 ， 10176。CA 時 ， 燃油 分布云圖 第五章仿真 及試驗數(shù)據(jù)分析 39 影響 發(fā)動機動力性和 HC 排放 前提下 ， EGR 系統(tǒng)是 降低 NOx 排放的重要手段。 不同工況下 EGR率的選擇 1012r/min， 10%負(fù)荷 1012r/min， 10%負(fù)荷工況在車用柴油機可以被認(rèn)為是怠速工況 。 在 這個工況下，發(fā)動機 不需要 對汽車輸出動力，只需要 發(fā)動機 維持 汽車 必要的部件 （如發(fā)電機、空調(diào)等）工作 即可 。 正如 上文所述，在該工況下， NOx 排放物 隨著 EGR 率從 0%提升到 30%，下降了 將近 80%。 但是 與此同時，隨著 EGR 率的提升，發(fā)動機缸內(nèi)最高壓力從 下降到 不足 ， 動力損失超過 20%。 而且 根據(jù)臺架試驗結(jié)果，在此工況下，只要開啟 EGR 系統(tǒng)， 無論 EGR 率的 大小 ，發(fā)動機的動力損失均超過 20%。 根據(jù) 以上數(shù)據(jù)可知， 在 怠速工況下， 隨著 EGR 率的上升， NOx 排放 水平顯著下降，但是動力損失過大，無法維持 汽車各 部件的正常運轉(zhuǎn) 。所以 在此工圖 311012r/min， 10%負(fù)荷， 30%EGR 率 ， 10176。CA 時 ， 溫度 分布云圖 吉林 大學(xué)本科畢業(yè)論文 40 況下不能開啟 EGR，即 EGR 率應(yīng)為 0%。 1597r/min， 10%負(fù)荷 1597r/min， 10%負(fù)荷 是一個中速 小負(fù)荷 工況 。在圖 32 中 標(biāo)記處發(fā)動機在該工況下，主要污染物 NOx 和 HC 隨 EGR 率 變化 而發(fā)生變化的規(guī)律，圖 33 標(biāo)記出 發(fā)動機缸內(nèi)最高壓力隨 EGR 率變化的過程。 從 上述 兩圖 中可以看出，隨著 EGR 率的上升， NOx 的排放迅速下降，在20%EGR 率之后趨于平穩(wěn)，而 HC 的排放水平 小幅 度上升 ； 而缸內(nèi)最高壓力隨著 EGR 率的提高 而 下降，但是在 20%EGR 率時最高壓力僅比 0%EGR 率時損失，約為 7%，可知在此工況下， 隨著 EGR 率上升所產(chǎn)生的動力損失并不明顯。所以 在此 工況下， EGR 率選定為 20%，對應(yīng) EGR 開度 為 30%。 1597r/min， 20%負(fù)荷 1597r/min， 20%負(fù)荷是一個中速 中小 負(fù)荷 工況 。在圖 34 中 標(biāo)記處發(fā)動機在該工況下，主要污染物 NOx 和 HC 隨 EGR 率 變化 而發(fā)生變化的規(guī)律，圖 35標(biāo)記出 發(fā)動機缸內(nèi)最高壓力隨 EGR 率變化的過程。 圖 32NOx 和 HC 排放隨 EGR 率變化 圖 33 缸內(nèi)最高 壓力 隨 EGR 率變化 第五章仿真 及試驗數(shù)據(jù)分析 41 從 上述 兩圖 中可以看出，隨著 EGR 率的上升， NOx 的排放迅速下降，在15%EGR 率之后趨于平穩(wěn)，而 HC 的排放水平 保持穩(wěn)定 ； 而缸內(nèi)最高壓力隨著EGR 率的提高 而 下降，但是在 15%EGR 率時最高壓力僅比 0%EGR 率時損失，約為 3%， 但 在 20%EGR 率之后 缸內(nèi)最高壓力有明顯的下降 。由此可知 ，在一定的 EGR 范圍內(nèi)， 隨著 EGR 率上升所產(chǎn)生的動力損失并不明顯。所以 在此 工況下， EGR 率選定為 15%，對應(yīng) EGR 開度 為 30%。 1597r/min， 45%負(fù)荷 1597r/min， 45%負(fù)荷是一個中速 中高負(fù)荷 工況 。 在此 工況下，由于發(fā)動機負(fù)荷較大， 進(jìn)氣壓力 較高，所以可實現(xiàn)的 EGR 率較小。 在圖 36 中 標(biāo)記處發(fā)動機在該工況下，主要污染物 NOx 和 HC 隨 EGR 率 變化 而發(fā)生變化的規(guī)律，圖37 標(biāo)記出 發(fā)動機缸內(nèi)最高壓力隨 EGR 率變化的過程。 從 上述 兩圖 中可以看出，隨著 EGR 率 的上升， NOx 的排放迅速下降 ； 而圖 34NOx 和 HC 排放隨 EGR 率變化 圖 35 缸內(nèi)最高 壓力 隨 EGR 率變化 圖 36NOx 和 HC 排放隨 EGR 率變化 圖 37 缸內(nèi)最高 壓力 隨 EGR 率變化 吉林 大學(xué)本科畢業(yè)論文 42 由于 該工況下負(fù)荷較大，燃燒溫度較高 ， 所以 HC 的排放水平很低并且?guī)缀醪浑S EGR 率升高發(fā)生變化 ； 而缸內(nèi)最高壓力隨著 EGR 率的提高 而 下降， 但是變化 幅度很小， 由此可知 ，在一定的 EGR 范圍內(nèi)， 隨著 EGR 率上升所產(chǎn)生的動力 幾乎不發(fā)生損失 。所以 在此 工況下， EGR率選定為 5%，對應(yīng) EGR開度 為 100%。 2738r/min， 10%負(fù)荷 2738r/min， 10%負(fù)荷是一個 高速小負(fù)荷 工況 。在圖 38 中 標(biāo)記處發(fā)動機在該工況下，主要污染物 NOx 和 HC 隨 EGR 率 變化 而發(fā)生變化的規(guī)律，圖 39 標(biāo)記出 發(fā)動機缸內(nèi)最高壓力隨 EGR 率變化的過程。 從 上述 兩圖 中可以看出，隨著 EGR 率的上升， NOx 的排放下降， 但是 當(dāng)EGR 率超過 35%之后， NOx 排放變化不大，甚至有小幅度上升； 在小負(fù)荷 工況下，發(fā)動機燃燒不夠充分，污染物中 HC 的濃度較大， HC 濃度隨 EGR 率 變化有所上升， 而 在 EGR 率 35%之后， HC 排放有明顯上升 ； 而缸內(nèi)最高壓力隨著EGR 率的提高 而 下降， 但是 動力損失不大， 約為 10%，在可接受范圍內(nèi)。所以在此 工況下， EGR 率選定為 35%，對應(yīng) EGR 開度 為 30%。 2738r/min， 40%負(fù)荷 圖 38NOx 和 HC 排放隨 EGR 率變化 圖 39 缸內(nèi)最高 壓力 隨 EGR 率變化 第五章仿真 及試驗數(shù)據(jù)分析 43 2738r/min， 40%負(fù)荷是一個 高 速 中高負(fù)荷 工況 。在圖 40 中 標(biāo)記處發(fā)動機在該工況下，主要污染物 NOx 和 HC 隨 EGR 率 變化 而發(fā)生變化的規(guī)律，圖 41標(biāo)記出 發(fā)動機缸內(nèi)最高壓力隨 EGR 率變化的過程。 從 上述 兩圖 中可以看出，隨著 EGR 率的上升， NOx 的排放下降， 但是 當(dāng)EGR 率超過 20%之后， NOx 排放變化不大； 在 此工況下， HC 排放維持在較低水平，且 HC 排放水平的變化規(guī)律 與 EGR 率變化的相關(guān)性 較小 ； 缸內(nèi)最高壓力隨著 EGR 率的提高 而 下降， 但是 動力損失 約為 15%， 動力 損失 較為嚴(yán)重 。所以 在此 工況下， EGR 率選定為 20%，對 應(yīng) EGR 開度 為 20%。 2738r/min， 60%負(fù)荷 2738r/min， 60%負(fù)荷是一個 高 速 大負(fù)荷 工況 。在圖 42 中 標(biāo)記處發(fā)動機在該工況下，主要污染物 NOx 和 HC 隨 EGR 率 變化 而發(fā)生變化的規(guī)律，圖 43 標(biāo)記出 發(fā)動機缸內(nèi)最高壓力隨 EGR 率變化的過程。 圖 40NOx 和 HC 排放隨 EGR 率變化 圖 41 缸內(nèi)最高 壓力 隨 EGR 率變化 圖 42NOx 和 HC 排放隨 EGR 率變化 圖 43 缸內(nèi)最高 壓力 隨 EGR 率變化 吉林 大學(xué)本科畢業(yè)論文 44 從 上述 兩圖 中可以看出，隨著 EGR 率的上升， NOx 的排放下降， 但是 當(dāng)EGR 率超過 15%之后， NOx 排放 變化趨勢 放緩； 在 此工況下， HC 排放維持在較低水平，且 HC 排放水平的變化規(guī)律 與 EGR 率變化的相關(guān)性 較?。?缸內(nèi)最高壓力隨著 EGR 率的提高 而 下降， 但是 動力 損失 較小， 負(fù)荷 發(fā)動機 工作條件。所以 在此 工況下， EGR 率選定為 15%，對應(yīng) EGR 開度 為 20%。 從 上文對發(fā)動機 EGR 率對燃燒的影響可以看出， 隨著 EGR 率的提升，發(fā)動機的動力性在不同工況下會有不同程度的下降， HC 排放水平會有一定上升，而