基于Fluent对EGR影响20L柴油机性能的仿真分析Word格式文档下载.docx
《基于Fluent对EGR影响20L柴油机性能的仿真分析Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于Fluent对EGR影响20L柴油机性能的仿真分析Word格式文档下载.docx（38页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
学位论文作者签名：
日期：
2015年5月29日
中文摘要
由于环境污染程度的加剧，世界各国出台了越来越严格的排放法规，用于限制汽车污染物排放。
废气再循环系统（ExhaustGasRecycle,EGR）是降低NOx排放水平的有效手段。
本文利用Fluent软件建立燃烧室三维动网格模型对国产某2.0L柴油机性能及排放水平进行仿真研究。
仿真过程采用ICEMCFD软件对发动机燃烧室三维模型进行网格划分，并通过Fluent软件对发动机燃烧进行仿真。
通过对比仿真结果和发动机台架试验数据，对仿真的准确性进行验证，并利用仿真结果确定发动机不同工况的EGR率。
通过分析发现，Fluent对发动机性能的仿真准确性较高，可以部分替代发动机台架试验；
发动机在燃烧过程中，随着EGR率的提高，NOx排放水平明显下降，同时HC排放略有上升，动力性有一定程度的下降；
发动机在不同工况下适用的EGR率不同,在怠速和全负荷工况下，应关闭EGR系统，在同一转速下，EGR率随负荷增加而减少。
关键词：
柴油机；
废气再循环（EGR）；
Fluent；
ICEMCFD；
EGR率；
NOx
Abstract
Duetoenvironmentalpollutionintensifies,moreandmorestringentemissionregulationswereintroducedtolimitcaremissions.ExhaustGasrecirculationsystem（EGR）istheeffectivemeasuretoreduceNOxemissionlevels.
Thepapermadea3Ddynamicgridsimulationoncombustionprocessandemissionlevelsofadomesticallyproduced2.0Ldieselengine.TheICEMCFDwasusedforgridpartitionandtheFluentwasusedfornumericalsimulationoncombustionprocess.Theaccuracyofthesimulationisverifiedbycomparingthesimulationresultsandtheenginebenchtestdata.Atthesametime,themostsuitableEGRrateofdifferentworkingconditionwasdeterminedbythesimulationresults.
ThroughtheanalysisfoundthatsimulationoncombustionprocessbyFluentisquiteaccurate,andthewayofnumericalsimulationcouldpartlyreplacetheenginebenchtest.Duringthecombustionprocessofengine,withtheincreaseoftheEGRrate,NOxemissionlevelssignificantlydecreased,HCemissionsincreasedslightlyatthesametime,andthedynamicperformancehasacertaindegreeofdecline.ThemostsuitableEGRrateisquitedifferentindifferentworkingcondition,theEGRsystemshouldbeclosedinidlingandfullloadcondition,andinpartialloadcondition,theEGRrateshoulddecreasewhiletheloadincreaseinthesameenginespeed.
Keywords:
Dieselengine;
ExhaustGasRecycle（EGR）;
Fluent;
ICEMCFD;
EGRRate;
NOx
目录
第一章绪论1
1.1论文研究背景1
1.1.1环境污染及排放法规的发展1
1.1.2柴油机的现状与发展趋势3
1.2.柴油机废气再循环系统简介4
1.2.1外部EGR方式5
1.2.2内部EGR方式6
1.3.国内外EGR技术的发展现状7
1.4.论文的研究意义及研究内容9
第二章柴油机燃烧室网格划分11
2.1柴油机燃烧室模型11
2.2ICEMCFD软件简介12
2.3运用ICEMCFD对燃烧室进行网格划分14
第三章燃烧过程的Fluent仿真19
3.1Fluent软件简介19
3.2动网格设置20
3.2.1光滑弹簧模型20
3.2.2动态铺层模型20
3.2.3局部网格重新划分模型21
3.2.4动网格模型的选择和设置21
3.3运算物理模型设定23
3.3.1能量守恒模型23
3.3.2湍流模型24
3.3.3燃烧及污染物模型25
3.4运算初始化和监视器设定26
3.4.1边界条件的设定26
3.4.2运算初始化27
3.4.3监视器设定28
3.5Fluent仿真运算过程29
第四章试验条件及方案31
4.1试验设备31
4.2试验方案32
第五章仿真及试验数据分析33
5.1仿真数据准确性验证33
5.2影响NOx生成的因素34
5.3不同工况下EGR率的选择39
5.3.11012r/min，10%负荷39
5.3.21597r/min，10%负荷40
5.3.31597r/min，20%负荷40
5.3.41597r/min，45%负荷41
5.3.52738r/min，10%负荷42
5.3.62738r/min，40%负荷43
5.3.72738r/min，60%负荷44
第六章结论45
第七章工作展望47
致谢49
参考文献51
第一章绪论
1.1论文研究背景
1.1.1环境污染及排放法规的发展
近年来，环境污染已经成为一个严重的社会问题引起全人类的关注。
中国作为一个世界上最大的发展中国家，改革开放以来发展模式一直是先污染后治理，在一定时期内帮助中国经济快速发展，但与此同时环境压力也一直困扰着这个国家。
几年前人们认为环境污染只是山西等省的个别现象，但现在已经成为全国性的普遍现象了[1]。
2013年全国城市霾天数将近40天，比2012年增加了18.3天，是史上最多的一年[2]。
这些事实清楚地揭露了中国环境污染的严重程度和生态脆弱程度。
华尔街见闻在3月刊登的这张图片，直观地显示中国城市污染程度[3]。
为了控制汽车尾气，降低污染物排放，世界各国相继出台强制性的排放法规，而且法规力度逐步加大。
目前，世界上主要制定排放法规标准有美国、日本和欧洲，其中美国最早开始着手制定排放法规，其后是日本和欧洲。
发展到今天，三大汽车排放法规体系对污染物的限值已经很接近了，仅仅是侧重点稍有不同。
表1中国重型车用柴油机排放法规
表2日本、欧洲和中国的重型车排放实施时间，NOx限值和PM限值
我国汽车排放法规起步比较晚，但是现在已经跟上了欧美发达国家的水平。
以柴油机为例，国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局在2005年5月30日发布的《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段》指出国家计划于2008年起开始执行国Ⅲ标准，2010年执行国Ⅳ标准，2012年执行国Ⅴ标准。
目前，国Ⅲ标准已如期执行，而由于燃油和技术的原因国Ⅳ标准推迟执行。
我国重型车用柴油机排放法规的限值见表1[5、6]。
表2为美国、日本、欧洲和中国的重型车排放法规实施时间，以及NOx和PM的排放标准[7]。
随着环境问题引起大家的重视，对污染物主要制造者的汽车发动机的技术革新势在必行。
如何进一步优化车用发动机的性能，减少污染物的排放量，是发动机今后的重点研究方向。
中国内燃机工业协会副秘书长魏安力先生在《中国柴油机产业的发展现状及趋势》中指出，提高燃烧热效率，提高机械效率，实现热管理，提升产品性能水平，实现产品的一致性，这些都需要优化柴油机技术的燃烧技术、高效机外净化技术，控制排放以确保降低燃油的消耗。
提到了优化柴油机燃烧技术，我们就必须明白一个良好的缸内燃烧一定对应着一个良好的放热规律。
放热规律决定了柴油机的动力性、经济性和排放特性，针对柴油机性能的要求有目的的控制放热规律是使柴油机达到性能目标的一个有效途径。
[9]。
1.1.2柴油机的现状与发展趋势
近10年来中国经济高速增长，随之而来的是中国汽车保有量持续增长，依据最新数据，中国汽车保有量已经占到全球汽车保有量的10%。
这种现象一方面显示在现有的经济格局下，中国经济的发展程度将对世界汽车市场产生重大影响；
但与此同时由于大量化学燃料的使用，环境污染将变得越来越不可忽视。
如何降低由汽车发动机燃烧化石燃料造成环境污染是摆在汽车行业面前最重大的课题之一。
传统的柴油机受限于燃烧技术，存在功率小，急加速性能差，燃烧噪音大，冷启动困难的致命缺陷，在很大程度上减少人们购买柴油车的热情。
但是在80年代之后，高压直喷、可变涡轮增压，废气中冷再循环等新技术在柴油机上逐步得到普及和应用，柴油机在经济性上的优势逐渐得到展现，驾驶乐趣也不短提升。
毫无疑问，柴油机在未来的几十年依然会在汽车行业占有重要地位。
如今，现代轻型柴油机普遍采用高压共轨技术、四气门技术、涡轮增压中冷技术等现代柴油机技术，此外配合废气后处理装置，柴油机机在动力性，经济性和排放性能等方面取得了卓有成效的进步。
随着技术发展，柴油机的发展历程从最初的涡流室产生涡流帮助油气混合燃烧，到缸内直喷技术，再到高压共轨技术，直到准均质混合（HCCI），这样的发展历程，逐步提升柴油机的性能，使其运行的更加完善。
1.2.柴油机废气再循环系统简介
废气再循环系统（ExhaustGasRecycle，EGR）是一种可以有效降低NOx排放的手段，该技术已经在轻型柴油机上得到了广泛的应用。
众所周知，为了抑制柴油机在燃烧过程中产生HC和微粒，现代柴油机普遍采用高压共轨技术，同时采用较高的空燃比，以保证燃料充分燃烧。
但随之而来的是燃烧过程始终存在的富氧和温度过高的情况，导致大量的NOx在燃烧过程中产生。
EGR技术是在发动机进气过程将适量从气缸内排出的废气引入气缸中参与下一循环的燃烧。
由于废气中存在大量的CO2和气态H2O，可以降低进气充量中氧气浓度，进而抑制NOx的产生。
EGR率可以用来表示EGR系统的工作强度。
通常EGR率的定义为：
式中，QW/OEGR为无EGR是进入气缸的空气量；
QEGR为有EGR是进入气缸的空气量。
根据EGR中废气的回流方式，车用增压柴油机的EGR系统分为外部EGR方式和内部EGR方式
1.2.1外部EGR方式
外部EGR方式根据进排气管的连接方式不同分为低压回路方式和高压回路方式，如图2所示。
低压回路EGR方式是将压气机入口端和废气涡轮出口端直接连接在一起，这样就可以实现EGR（图a）。
因为压气机入口处长期处于负压状态，而废气涡轮出口压力始终保持正压，所以适当地连接EGR回流管，可以轻松实现EGR。
但由于这种方式存在明显缺陷，从气缸中排出的高温气流直接流过压气机和中冷器，在正常使用的过程中就会对压气机造成腐蚀并污染中冷器。
实施EGR后必定会对发动机可靠性和耐久性造成不良影响，在实际应用中更多采用高压回路EGR方式（图b）。
直接将压气机后的中冷器出口端和废气涡轮入口端连接起来，就可以实现EGR。
由于这种EGR方式没有高温尾气流过压气机和中冷器，所以对压气机和中冷器的污染和腐蚀不复存在；
但这种连接方式下，EGR率的大小完全由排气压力和进气压力之差决定，当发动机处于中大负荷工况下时，由于进气压力过大，EGR无法实现。
1.2.2内部EGR方式
内部EGR方式是充分利用进排气管中的气体谐振实现EGR的方式。
对发动机各工作循环，在进气管和排气管中气流的脉动都很大。
在排气行程中，气缸内的压力比较接近排气管压力；
而进气行程中，气缸压力与进气管压力相近。
而且在进气行程中，排气管内由于其他气缸的排气压力的作用，也存在较大的压力脉动。
在这种压力脉动的作用下，使某一缸在进气过程中，其排气门处出现正压波。
此时，如果能再次开启排气门，就可以实现EGR。
这种EGR方式叫做内部EGR方式。
为了实现内部EGR方式（图3），在排气凸轮中除了控制排气所需凸轮（主凸轮）以外，又增设内部EGR专用凸轮。
通过这种机构，在进气过程中的适当时刻再次开启排气门，使排出的废气再次回流到气缸内部，以实现EGR。
由于内部EGR系统不需要排气节流，所以不影响泵气损失，因而对经济性几乎不存在影响，同时不需要EGR阀以及EGR管路，所以结构较为简单。
[8]
1.3.国内外EGR技术的发展现状
EGR系统是汽车柴油发动机NOx排放满足各国强制性排放标准关键技术之一。
EGR的技术方案已经完全成熟，并已经成为世界各国柴油机燃烧排放技术中的标准配置。
最早，EGR技术是汽油机的排放净化技术。
从70年代开始国外就将研究目标转向柴油机EGR技术。
目前应用的EGR基本上都结合了电控技术使其控制更加精确所有工况都能实现最佳EGR率。
各汽车品牌厂商已经很成熟地运用EGR技术降低NOx排放，如福特公司在其1.8LTCI、奔驰公司在其2.5LOM605以及大众汽车公司的1.9LTDI轿车柴油机上都采用了EGR系统降低NOx的排放。
当然EGR技术在重型柴油机上的应用效果更为明显，就重型车用柴油机而言目前更多地使用中冷EGR技术。
因为这样的技术方案不仅能明显降低NOx排放水平，还能同时保证HC和碳烟的排放水平负荷排放法规要求。
限制EGR技术在柴油机上广泛使用的主要障碍是柴油机的HC和碳烟排放会随着EGR技术的应用而升高，尤其是在在高负荷的工况下，这一缺陷格外明显。
国内清华大学欧阳明高等人在一台1.3升的高压共轨发动机上进行了EGR试验结果表明在EGR率达到20%时NOx显著降低固体颗粒物却只有略微的上升。
上海交通大学邓康耀等人对一台单缸发动机进行了改装采用了高压共轨喷射系统
并且采用的是两极喷嘴实现预喷和主喷两个阶段。
当发动机刚起动或冷却水温度比较低时辅助喷嘴工作当冷却水超过70度时主喷嘴开始工作并且辅助喷嘴处于备用状态。
在这台发动机上安装了EGR系统这样就可以实现对气体排放物的降低。
选定一转速后调整EGR率发现有的工况点烟度值随着EGR率的增加有所下降。
还得出了EGR对预混合燃烧阶段也起到了关键的作用。
日本HitoshiYokomura等学者对重型柴油机上进行EGR瞬态实验，该实验建议性讨论最优EGR控制方法以降低瞬态排放。
试验设定发动机转速为额定,在发动机负荷从40%增长到60%，从60%增长到80%的过程中，将EGR的停止时间分别设置为0、1、3、5s，结果显示对碳烟峰值的下降程度基本无影响，并且发现停止时间越短产生的NOx少。
美国密歇根大学TimothyJaCObsDennisAssanis等人在一台6缸12.7升增压中冷发动机上进行试验通过采用VGT来驱动EGR实现废气再循环电控EGR阀可以满足EGR率精确的响应度选择了1200r/min、20%负荷和50%负荷、1800r/min中等负荷条件下试验结果表明在较低的A/F下增加EGR率NOx明显下降并且在高转速下NOx的排放并没有随着VGT压力的提高而受到负面的影响。
电控EGR不仅可以实现整个工况范围内EGR率的精确控制保证EGR技术和发动机性能的优化匹配而且可以使EGR技术和柴油机其它后处理技术相结合达到整体排放性能最佳。
所以电控EGR是进一步实现低排放的基础。
开环EGR虽然控制简便但精度相对较低。
为了达到更为严格的Ⅲ、Ⅳ排放标准需要采用高精确率的闭环控制若同时辅以冷却EGR可以使排放与燃油经济性两方面达到最佳平衡。
EGR与其它技术相结合是改善发动机整体性能的总的发展趋势。
采用氧化催化剂与EGR反馈控制能同时改善PM和NOx采用高压共轨喷油系统结合高EGR率可使NOx和烟度同时大幅下降改进燃烧系统和冷却EGR可进一步降低NOx排放。
内部EGR技术在增压柴油机上的应用是一发展趋势。
VGT可变截面涡轮增压系统和EGR形成了良好的匹配发动机的其它性能如燃烧放热率、热效率、输出功率等都得到很好的改善。
因此VGT和EGR联合应用也是未来技术的一个发展趋势。
1.4.论文的研究意义及研究内容
在EGR系统的使用过程中，由于氧气浓度下降，可以帮助发动机降低NOx的排放，但同时燃料和氧气接触面积减小，这会直接导致发动机燃烧过程燃烧持续期增长，燃烧温度和最高爆发压力下降。
发动机的动力性和燃油经济性将会有不同程度的下降，同时HC和颗粒的排放会上升。
随着EGR率的升高，这种趋势将变得格外明显。
本文着重解决发动机在不同工况下的EGR率的确定。
不同工况下的EGR的确定必须保证在要想最大程度地使NOx减少又不影响柴油机经济性和HC与微粒排放。
本文结合实验和仿真软件Fluent对2.0L高压共轨直喷增压柴油机进行仿真计算，研究不同的EGR率，对柴油机燃烧过程和性能的影响。
主要研究内容如下：
1.了解车用柴油机技术发展趋势，以及EGR系统的背景与现状；
2.利用仿真软件Fluent建立柴油机燃烧室仿真计算模型，进行台架实验数据与仿真数据对比验证；
针对不同工况下，利用实验与仿真数据综合分析EGR率对发动机燃烧过程、经济性、动力性和排放特性的影响。
第二章柴油机燃烧室网格划分
通过Fluent进行发动机燃烧室进行CFD仿真属于有限元仿真的方式之一，需要对仿真模型空间进行离散化，即进行网格划分。
网格划分质量直接影响仿真的结果和精度，是燃烧数值模拟的前提。
对燃烧仿真来说，网格划分是仿真不可或缺的一部分。
2.1柴油机燃烧室模型
本文中采用的发动机是一台2.0L4缸高压共轨涡轮增压柴油机，发动气缸直径为83mm，冲程长92mm，连杆长度为148mm。
发动机燃烧室采用ω型活塞顶，同时不设置预燃室。
发动机燃烧室具体参数参见表3，燃烧室平面图见图4.
缸径：
83mm
冲程：
0.092m
连杆长：
0.148m
燃烧室容积：
21.8ml
燃烧室深度：
14.4mm
缩口比：
22.8/26.2=0.87
凸台高度：
3.5mm
凸台半径：
2mm
压缩比：
17.6
余隙高度：
1.5mm
表3发动机燃烧室参数
图4燃烧室平面图
根据表3中给出的燃烧室相关参数，利用CATIA软件对燃烧室和活塞顶进行建模。
由于在网格划分过程中采用ANSYS自带的ICEMCFD软件，在划分网格之前应保存为igs格式并且只保留燃烧室和活塞顶的内壁面即与燃料直接接触的壁面（图5）。
图5燃烧室igs模型
2.2ICEMCFD软件简介
ICEMCFD是ANSYS中的一款计算前处理软件，包括从几何创建、网格划分、前处理条件设置等功能。
在CFD网格生成领域，优势更为突出。
作为专业的前处理软件ICEMCFD为所有世界流行的CAE软件提供高效可靠的分析模型。
它拥有强大的CAD模型修复能力、自动中面抽取、独特的网格“雕塑”技术、网格编辑技术以及广泛的求解器支持能力。
同时作为ANSYS家族的一款专业分析环境，还可以集成于ANSYSWorkbench平台,获得Workbench的所有优势。
ICEM作为Fluent和CFX标配的网格划分软件，取代了GAMBIT的地位。
ICEMCFD提供了高级几何获取、网格生成、网格优化以及后处理工具以满足当今复杂分析对集成网格生成和后处理工具的需求。
在本文中采用ICEMCFD13.0，这是目前ANSYS公司推出的一个较新的版本，与前几个版本的软件相比，在性能方面有了较大的改善，并且克服了以前版本中一些不尽如人意的地方。
ICEMCFD的网格分为平面网格和立体网格，无论平面和立体网格均可进行非结构网格和结构网格的划分。
网格形式见图6。
图6不同网格形式
一般情况下，非结构网格采用三角形网格和四面体网格，而结构网格采用四边形网格或者六面体网格。
非结构网格在通常情况下能较好地还原几何体的几何形状，同时在网格的划分过程中较为简单，但是其网格优化能力有限，在动网格运用时容易出现负体积，通常运用于复杂几何形状的静网格划分；
而结构网格划分较为复杂，需要对几何体进行块（Block）划分，但其在动网格应用方面较为简单，在仿真过程中不容易出现负体积，通常运用于规则几何形状的动网格划分。
2.3运用ICEMCFD对燃烧室进行网格划分
网格划分过程中应该首先将igs导入ICEMCFD中，并利用软件中的几何检查模块对燃烧室几何模型进行几何检查，查看几何体中是否存在缺陷（图7）。
从图中可以看出所有的线均为红色，没有出现黄色或蓝色的线，说明几何不存在缺陷
图7几何检查结果
对几何体进行检查之后需要对几何体划分部分（Part），在本文中将燃烧室顶面设置成top_wall，活塞顶面设置成move_wall，同时将燃烧室侧面设置成side_wall。
这么划分部分是为了方便将网格导入Fluent之后进行动网格设定。
同时由于燃烧室内部是一个充满气体的几何空间，所以应在燃烧室内部设置一个Body，确保网格出现在燃烧室内部。
接下来需要对网格参数进行设定，由于活塞冲程为92mm，同时整个燃烧过程燃烧室始终处于高速运动状态，所以网格参数不宜过大，一般选用面网格尺寸在0.5-1mm之间，体网格尺寸应为8mm以下。
同时，由于活塞顶的几何形状较为复杂，所以move_wall部分的面网格应进行特别细化。
由于非结构网格划分较为方便快捷，所以首先进行非结构网格的划分。
划分结构如图8所示。
图8非结构网格
图9网格质量检查
一般来说，用
升级会员 