電控缸內直噴發(fā)動機著火與碳煙生成機理

前言

由于具有較高的熱效率和更低的二氧化碳排放率，電控缸內直噴式發(fā)動機被認為是很有發(fā)展前景的輕型貨車和載重汽車的動力源。對電控缸內直噴式柴油機而言，液體燃油的燃燒及碳煙生成被認為是最重要的過程之一。雖然人們對碳煙機理進行了長期的研究，但由于問題的復雜性，人們對碳煙機理的認識至今仍不全面，尤其是關于碳煙前驅物PAH的生成機理。開展直噴式柴油機著火機理的研究有助于加深對碳煙生成機理的認識，豐富和發(fā)展燃油燃燒相關基礎理論，因此具有重要的理論意義和工程實用價值?；谏鲜稣J識，本書嘗試將KIVA輔助發(fā)動機設計的理論與應用進行系統(tǒng)的總結，其內容包括：在綜述KIVA數(shù)值計算方法的基礎上，對電控直噴式柴油機的著火邊界進行理論分析，在分析KIVA原有湍流燃燒模型和碳煙生成模型的基礎上，結合最近研究成果，對其進行了修改。并結合4JB1柴油機進行了試驗，最后對修改的模型、原有模型和試驗結果進行了分析比較，得出了本書的結論。本書內容主要是我近十年來在國外訪學、博士論文以及博士后研究工作報告期間部分研究成果的總結，同時還包括十余年來在學習和工作期間與導師和課題組研究生們在該領域共同探討得出的一些研究結果。編寫本書的目的：一是為了總結這些年在該領域所完成的工作，與更多的同行交流研究成果；二是為了在進行發(fā)動機研究及其新產品的研發(fā)過程中，探討一條結合現(xiàn)代設計理念、運用現(xiàn)代設計方法的新優(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（RWTH-Aachen）NobertPeters教授對我燃燒學的啟蒙指導，通過聆聽了他的兩門燃燒課程（層流燃燒和湍流燃燒），并應用他的RIF小火焰模型對AUDITDIl.9 L發(fā)動機進行了計算和試驗，使得我對發(fā)動機燃燒與排放優(yōu)化產生濃厚興趣并準備進行執(zhí)著研究，同時還有德國同事GutherPazko博士和CarlHasse博士、清華大學帥石金教授、陳虎博士、虞育松博士后以及北京交通大學李國岫教授對我仿真計算的前期幫助。其次感謝我的博士研究生導師——北京理工大學張幽彤教授多年來對我在學業(yè)方面的悉心指導。

內容概要

　　《電控缸內直噴發(fā)動機著火與碳煙生成機理》首先研究了缸內直噴柴油機工作過程的計算模型，結合結構化網格的規(guī)則以及改進的4JB1柴油發(fā)動機活塞形狀，建立了《電控缸內直噴發(fā)動機著火與碳煙生成機理》的計算網格；分析了正庚烷的詳細化學反應機理，并采用準穩(wěn)態(tài)近似法對正庚烷的詳細化學反應機理進行了簡化研究，提出了以溫度為主要參數(shù)的改進模型；提出了改進燃燒模型子程序的基本結構，以及子程序如何在整個程序中實現(xiàn)的途徑；對標準KIVA-3V源代碼的碳煙生成機理進行了分析，在結合近幾年國內外試驗研究成果的基礎上，作者提出了新的碳煙生成機理，并給出了在標準KIVA-3V源代碼中實現(xiàn)的途徑。最后，通過發(fā)動機臺架試驗結果驗證《電控缸內直噴發(fā)動機著火與碳煙生成機理》修正的燃燒和碳煙模型?！　　峨娍馗變戎眹姲l(fā)動機著火與碳煙生成機理》主要適合在車輛工程、發(fā)動機等領域學習和工作的大學生、研究生及相關研究人員參考。

作者簡介

劉永峰，工學博士、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院汽車工程系，副教授，碩士研究生導師。先后于北京建筑工程學院起重運輸與工程機械專業(yè)獲工學學士學位;太源科技大學工程機械專業(yè)獲工學碩士學位;北京理工學博士學位; 清華大學汽車工程系博士后流動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 柴油機湍流擴散燃燒的國內外研究現(xiàn)狀1.3 柴油機碳煙生成機理和控制措施1.4 本書的主要研究工作第2章 數(shù)值計算研究2.1 工作過程的計算模型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 燃燒化學反應模型2.2 數(shù)值計算方法2.2.1 計算網格2.2.2 時間差分2.2.3 空間差分2.2.4 噴霧方程的離散計算2.2.5 第一階段（A階段）——顯式拉格朗日計算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）——網格移動及對流項計算2.2.8 穩(wěn)定性約束和自動時間步長的控制2.3 計算程序分析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系（按主程序調用順序）2.3.3 本書計算方案2.4 本章小結第3章 柴油機著火邊界分析3.1 柴油計算模型的確定3.2 封閉體系下組分和溫度方程3.3 連續(xù)流動控制體下的組分和溫度方程3.4 正庚烷的著火延遲時間3.5 討論3.5.1 溫度的兩個解3.5.2 E的兩種情況3.5.3 溫度波動3.6 本章小結第4章 柴油機湍流擴散燃燒模型的改進4.1 KIVA原模型的分析4.2 改進模型的建立4.2.1 詳細化學反應機理4.2.2 準穩(wěn)態(tài)近似法(QSSA)4.2.3 改進的燃燒計算模型4.3 KIVA源代碼中的實現(xiàn)4.4 本章小結第5章 碳煙模型的改進5.1 KIVA源代碼碳煙模型的分析5.2 改進模型的建立5.3 KIVA源代碼中的實現(xiàn)5.4 本章小結第6章 模型的驗證6.1 試驗內容及裝置6.2 一次噴射6.2.1 噴油規(guī)律的測定6.2.2 缸壓與瞬時放熱率6.2.3 溫度分析6.2.4 碳煙分析6.2.5 不同工況總結6.3 兩次噴射6.3.1 噴油規(guī)律的測定6.3.2 缸壓與瞬時放熱率6.3.3 溫度分析6.3.4 碳煙分析6.3.5 不同工況總結6.4 本章小結第7章 全書總結7.1 本書的主要工作及結論7.2 本書的主要創(chuàng)新點7.3 今后工作展望附錄附錄Aiprep.dat網格文件說明附錄Bitape5.dat數(shù)據文件說明參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：柴油機的有害排放物很多，碳煙排放就是典型的一種。一致認為：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，即經驗模型、半經驗模型和詳細模型。經驗模型從表面現(xiàn)象出發(fā)，針對碳煙形成過程的主要環(huán)節(jié)，如生成、凝結和氧化，根據試驗觀測結果，提出一些簡單的經驗關系式；半經驗模型則是在一定程度上描述碳煙生成的物理與化學機理，但對這些機理做了很大的簡化，用為數(shù)不多的組分和化學反應代替詳細的反應機理；詳細模型不僅是指流場的多維CFD計算，更主要的是指用詳細的反應動力學機理描述污染物形成的過程，從碳煙生成的實際過程出發(fā)，分別從氣相反應動力學和固體顆粒動力學兩方面盡量實現(xiàn)接近于真實的數(shù)值模擬，其中的氣相過程采用詳細的反應機理。眾所周知，數(shù)值模型的精確度和預測能力總是與計算機資源和計算成本成正比的，因而，這三類模型各有其長處和不足，詳細模型在真實性和可靠性方面優(yōu)勢突出，但過于復雜，計算量大。在當前的計算機資源條件下，一般只能應用于零維或準維模型。對于基于CFD的多維模型而言，與其相耦合的燃燒計算目前還主要求助于簡化的動力學模型。但是要想滿足日益嚴格的工程要求，又需要對過于簡化的模型加以改進，同時在計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原模型基礎上提出碳煙改進計算模型，最后講述如何在KIVA-3V中實現(xiàn)。

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《電控缸內直噴發(fā)電機著火與碳煙生成機理》：21世紀重要學術專著北京建筑工程學院學術著作出版基金資助出版

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