電控缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)著火與碳煙生成機(jī)理

前言

由于具有較高的熱效率和更低的二氧化碳排放率，電控缸內(nèi)直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)被認(rèn)為是很有發(fā)展前景的輕型貨車和載重汽車的動(dòng)力源。對(duì)電控缸內(nèi)直噴式柴油機(jī)而言，液體燃油的燃燒及碳煙生成被認(rèn)為是最重要的過程之一。雖然人們對(duì)碳煙機(jī)理進(jìn)行了長期的研究，但由于問題的復(fù)雜性，人們對(duì)碳煙機(jī)理的認(rèn)識(shí)至今仍不全面，尤其是關(guān)于碳煙前驅(qū)物PAH的生成機(jī)理。開展直噴式柴油機(jī)著火機(jī)理的研究有助于加深對(duì)碳煙生成機(jī)理的認(rèn)識(shí)，豐富和發(fā)展燃油燃燒相關(guān)基礎(chǔ)理論，因此具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)，本書嘗試將KIVA輔助發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的理論與應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)，其內(nèi)容包括：在綜述KIVA數(shù)值計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，對(duì)電控直噴式柴油機(jī)的著火邊界進(jìn)行理論分析，在分析KIVA原有湍流燃燒模型和碳煙生成模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合最近研究成果，對(duì)其進(jìn)行了修改。并結(jié)合4JB1柴油機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，最后對(duì)修改的模型、原有模型和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析比較，得出了本書的結(jié)論。本書內(nèi)容主要是我近十年來在國外訪學(xué)、博士論文以及博士后研究工作報(bào)告期間部分研究成果的總結(jié)，同時(shí)還包括十余年來在學(xué)習(xí)和工作期間與導(dǎo)師和課題組研究生們?cè)谠擃I(lǐng)域共同探討得出的一些研究結(jié)果。編寫本書的目的：一是為了總結(jié)這些年在該領(lǐng)域所完成的工作，與更多的同行交流研究成果；二是為了在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)研究及其新產(chǎn)品的研發(fā)過程中，探討一條結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念、運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的新優(yōu)化思路。本書的成稿首先感謝美國工程院外籍院士、德國工程院院士、德國亞琛工業(yè)大學(xué)（RWTH-Aachen）NobertPeters教授對(duì)我燃燒學(xué)的啟蒙指導(dǎo)，通過聆聽了他的兩門燃燒課程（層流燃燒和湍流燃燒），并應(yīng)用他的RIF小火焰模型對(duì)AUDITDIl.9 L發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了計(jì)算和試驗(yàn)，使得我對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放優(yōu)化產(chǎn)生濃厚興趣并準(zhǔn)備進(jìn)行執(zhí)著研究，同時(shí)還有德國同事GutherPazko博士和CarlHasse博士、清華大學(xué)帥石金教授、陳虎博士、虞育松博士后以及北京交通大學(xué)李國岫教授對(duì)我仿真計(jì)算的前期幫助。其次感謝我的博士研究生導(dǎo)師——北京理工大學(xué)張幽彤教授多年來對(duì)我在學(xué)業(yè)方面的悉心指導(dǎo)。

內(nèi)容概要

　　《電控缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)著火與碳煙生成機(jī)理》首先研究了缸內(nèi)直噴柴油機(jī)工作過程的計(jì)算模型，結(jié)合結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的規(guī)則以及改進(jìn)的4JB1柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞形狀，建立了《電控缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)著火與碳煙生成機(jī)理》的計(jì)算網(wǎng)格；分析了正庚烷的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，并采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)近似法對(duì)正庚烷的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了簡化研究，提出了以溫度為主要參數(shù)的改進(jìn)模型；提出了改進(jìn)燃燒模型子程序的基本結(jié)構(gòu)，以及子程序如何在整個(gè)程序中實(shí)現(xiàn)的途徑；對(duì)標(biāo)準(zhǔn)KIVA-3V源代碼的碳煙生成機(jī)理進(jìn)行了分析，在結(jié)合近幾年國內(nèi)外試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上，作者提出了新的碳煙生成機(jī)理，并給出了在標(biāo)準(zhǔn)KIVA-3V源代碼中實(shí)現(xiàn)的途徑。最后，通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證《電控缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)著火與碳煙生成機(jī)理》修正的燃燒和碳煙模型?！　　峨娍馗變?nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)著火與碳煙生成機(jī)理》主要適合在車輛工程、發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域?qū)W習(xí)和工作的大學(xué)生、研究生及相關(guān)研究人員參考。

作者簡介

劉永峰，工學(xué)博士、博士后，1973年12月出生于山西省定襄縣，現(xiàn)任教于北京建筑工程學(xué)院汽車工程系，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。先后于北京建筑工程學(xué)院起重運(yùn)輸與工程機(jī)械專業(yè)獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位;太源科技大學(xué)工程機(jī)械專業(yè)獲工學(xué)碩士學(xué)位;北京理工學(xué)博士學(xué)位; 清華大學(xué)汽車工程系博士后流動(dòng)站從事博士后研究工作。

書籍目錄

前言第1章 緒論1.1 研究背景和意義1.2 柴油機(jī)湍流擴(kuò)散燃燒的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3 柴油機(jī)碳煙生成機(jī)理和控制措施1.4 本書的主要研究工作第2章 數(shù)值計(jì)算研究2.1 工作過程的計(jì)算模型2.1.1 控制方程組2.1.2 湍流模型2.1.3 燃油噴霧模型2.1.4 燃燒化學(xué)反應(yīng)模型2.2 數(shù)值計(jì)算方法2.2.1 計(jì)算網(wǎng)格2.2.2 時(shí)間差分2.2.3 空間差分2.2.4 噴霧方程的離散計(jì)算2.2.5 第一階段（A階段）——顯式拉格朗日計(jì)算2.2.6 第二階段（B階段）——壓力的迭代求解2.2.7 第三階段（C階段）——網(wǎng)格移動(dòng)及對(duì)流項(xiàng)計(jì)算2.2.8 穩(wěn)定性約束和自動(dòng)時(shí)間步長的控制2.3 計(jì)算程序分析2.3.1 源代碼程序分析2.3.2 KIVA-3V各主要子程序及其相互關(guān)系（按主程序調(diào)用順序）2.3.3 本書計(jì)算方案2.4 本章小結(jié)第3章 柴油機(jī)著火邊界分析3.1 柴油計(jì)算模型的確定3.2 封閉體系下組分和溫度方程3.3 連續(xù)流動(dòng)控制體下的組分和溫度方程3.4 正庚烷的著火延遲時(shí)間3.5 討論3.5.1 溫度的兩個(gè)解3.5.2 E的兩種情況3.5.3 溫度波動(dòng)3.6 本章小結(jié)第4章 柴油機(jī)湍流擴(kuò)散燃燒模型的改進(jìn)4.1 KIVA原模型的分析4.2 改進(jìn)模型的建立4.2.1 詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理4.2.2 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)近似法(QSSA)4.2.3 改進(jìn)的燃燒計(jì)算模型4.3 KIVA源代碼中的實(shí)現(xiàn)4.4 本章小結(jié)第5章 碳煙模型的改進(jìn)5.1 KIVA源代碼碳煙模型的分析5.2 改進(jìn)模型的建立5.3 KIVA源代碼中的實(shí)現(xiàn)5.4 本章小結(jié)第6章 模型的驗(yàn)證6.1 試驗(yàn)內(nèi)容及裝置6.2 一次噴射6.2.1 噴油規(guī)律的測(cè)定6.2.2 缸壓與瞬時(shí)放熱率6.2.3 溫度分析6.2.4 碳煙分析6.2.5 不同工況總結(jié)6.3 兩次噴射6.3.1 噴油規(guī)律的測(cè)定6.3.2 缸壓與瞬時(shí)放熱率6.3.3 溫度分析6.3.4 碳煙分析6.3.5 不同工況總結(jié)6.4 本章小結(jié)第7章 全書總結(jié)7.1 本書的主要工作及結(jié)論7.2 本書的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)7.3 今后工作展望附錄附錄Aiprep.dat網(wǎng)格文件說明附錄Bitape5.dat數(shù)據(jù)文件說明參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：柴油機(jī)的有害排放物很多，碳煙排放就是典型的一種。一致認(rèn)為：碳煙是燃油分子在高溫、缺氧和高壓下裂解生成的，迄今提出的模型大體上可分為三類，即經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、半?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮敿?xì)模型。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷谋砻娆F(xiàn)象出發(fā)，針對(duì)碳煙形成過程的主要環(huán)節(jié)，如生成、凝結(jié)和氧化，根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，提出一些簡單的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式；半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣t是在一定程度上描述碳煙生成的物理與化學(xué)機(jī)理，但對(duì)這些機(jī)理做了很大的簡化，用為數(shù)不多的組分和化學(xué)反應(yīng)代替詳細(xì)的反應(yīng)機(jī)理；詳細(xì)模型不僅是指流場(chǎng)的多維CFD計(jì)算，更主要的是指用詳細(xì)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理描述污染物形成的過程，從碳煙生成的實(shí)際過程出發(fā)，分別從氣相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和固體顆粒動(dòng)力學(xué)兩方面盡量實(shí)現(xiàn)接近于真實(shí)的數(shù)值模擬，其中的氣相過程采用詳細(xì)的反應(yīng)機(jī)理。眾所周知，數(shù)值模型的精確度和預(yù)測(cè)能力總是與計(jì)算機(jī)資源和計(jì)算成本成正比的，因而，這三類模型各有其長處和不足，詳細(xì)模型在真實(shí)性和可靠性方面優(yōu)勢(shì)突出，但過于復(fù)雜，計(jì)算量大。在當(dāng)前的計(jì)算機(jī)資源條件下，一般只能應(yīng)用于零維或準(zhǔn)維模型。對(duì)于基于CFD的多維模型而言，與其相耦合的燃燒計(jì)算目前還主要求助于簡化的動(dòng)力學(xué)模型。但是要想滿足日益嚴(yán)格的工程要求，又需要對(duì)過于簡化的模型加以改進(jìn)，同時(shí)在計(jì)算上需要吸收最近的研究成果，本章將首先介紹KIVA源代碼碳煙模型，并在KIVA-3V原模型基礎(chǔ)上提出碳煙改進(jìn)計(jì)算模型，最后講述如何在KIVA-3V中實(shí)現(xiàn)。

編輯推薦

《電控缸內(nèi)直噴發(fā)電機(jī)著火與碳煙生成機(jī)理》：21世紀(jì)重要學(xué)術(shù)專著北京建筑工程學(xué)院學(xué)術(shù)著作出版基金資助出版

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