基于KH-ACT霧化模型剖析柴油機(jī)噴嘴結(jié)構(gòu)與EGR率對(duì)燃燒排放特性的耦合效應(yīng)一、引言1.1研究背景與意義在全球工業(yè)化進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)的當(dāng)下，能源的廣泛運(yùn)用有力地推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，但與此同時(shí)，也引發(fā)了一系列極為嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題。柴油機(jī)作為一種在交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)機(jī)械等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的動(dòng)力設(shè)備，憑借其高熱效率和良好的經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)，在能源轉(zhuǎn)換與動(dòng)力輸出方面占據(jù)著重要地位。然而，柴油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)排放出大量污染物，如氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM）、碳?xì)浠衔铮℉C）和一氧化碳（CO）等，這些污染物對(duì)大氣環(huán)境和人類(lèi)健康造成了極為嚴(yán)重的威脅。隨著人們環(huán)保意識(shí)的逐步增強(qiáng)，以及各國(guó)政府對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程度不斷提高，針對(duì)柴油機(jī)排放的法規(guī)日益嚴(yán)格。以我國(guó)為例，汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)升級(jí)，國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施對(duì)柴油機(jī)的排放提出了更為嚴(yán)苛的要求。這使得柴油機(jī)的排放控制成為了當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，如何在滿(mǎn)足嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下，有效降低柴油機(jī)的排放，同時(shí)保持其良好的動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，成為了科研人員和工程師們關(guān)注的焦點(diǎn)。噴嘴作為柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響燃油的噴射和霧化效果，進(jìn)而對(duì)柴油機(jī)的燃燒過(guò)程和排放特性產(chǎn)生重要影響。不同的噴嘴孔徑和角度會(huì)導(dǎo)致噴霧形狀和噴射流速的差異，從而影響油滴的大小、沖擊角、渦流和混合均勻度等。例如，較小的噴嘴孔徑可以使油滴更細(xì)小，有利于燃油與空氣的充分混合，但可能會(huì)導(dǎo)致噴油壓力升高，增加燃油系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)；而較大的噴嘴孔徑則可能使油滴粒徑較大，混合效果變差，影響燃燒效率。因此，優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于改善柴油機(jī)的燃燒性能和降低排放具有重要意義。廢氣再循環(huán)（ExhaustGasRecirculation，EGR）技術(shù)是一種降低柴油機(jī)NOx排放的有效手段。該技術(shù)通過(guò)將部分廢氣重新引入進(jìn)氣系統(tǒng)，與新鮮空氣混合后進(jìn)入燃燒室參與燃燒，利用廢氣中所含的惰性氣體和較高的比熱容，降低燃燒室內(nèi)的氧氣濃度和燃燒溫度，從而抑制NOx的生成。然而，EGR技術(shù)在降低NOx排放的同時(shí)，也會(huì)對(duì)柴油機(jī)的燃燒過(guò)程和其他排放物產(chǎn)生一定的影響，如可能導(dǎo)致HC和CO排放增加，以及燃燒效率下降等問(wèn)題。因此，合理控制EGR率，并深入研究其與柴油機(jī)其他參數(shù)的協(xié)同作用，對(duì)于實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的高效清潔燃燒至關(guān)重要。本研究基于KH-ACT霧化模型，深入探究柴油機(jī)噴嘴結(jié)構(gòu)與EGR率對(duì)燃燒排放特性的影響，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在理論方面，通過(guò)對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)和EGR率的研究，可以進(jìn)一步揭示柴油機(jī)燃燒過(guò)程的內(nèi)在機(jī)理，豐富和完善燃燒理論，為柴油機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，本研究的成果可以為柴油機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)提供有針對(duì)性的指導(dǎo)，幫助企業(yè)優(yōu)化柴油機(jī)的性能，降低排放，滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)要求，同時(shí)提高柴油機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。此外，本研究對(duì)于推動(dòng)能源的高效利用和環(huán)境保護(hù)也具有積極的作用，有助于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的良性互動(dòng)，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀柴油機(jī)排放控制技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。在國(guó)外，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家憑借先進(jìn)的技術(shù)和豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，在排放控制方面取得了顯著成果。美國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，深入探究了燃燒過(guò)程中NOx和PM的生成機(jī)理，并研發(fā)出一系列有效的控制技術(shù)。歐洲則在排放法規(guī)的推動(dòng)下，積極開(kāi)展柴油機(jī)排放控制研究，如采用顆粒捕集器（DPF）、選擇性催化還原（SCR）等技術(shù)，有效降低了PM和NOx的排放。日本在柴油機(jī)排放控制技術(shù)方面也處于世界領(lǐng)先水平，其研發(fā)的高效燃燒系統(tǒng)和尾氣凈化裝置，為降低柴油機(jī)排放做出了重要貢獻(xiàn)。國(guó)內(nèi)對(duì)柴油機(jī)排放控制技術(shù)的研究起步相對(duì)較晚，但近年來(lái)發(fā)展迅速。眾多高校和科研機(jī)構(gòu)積極開(kāi)展相關(guān)研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)柴油機(jī)的燃燒過(guò)程和排放特性進(jìn)行了深入研究，為排放控制技術(shù)的發(fā)展提供了理論支持。同時(shí)，國(guó)內(nèi)的汽車(chē)制造商也加大了對(duì)排放控制技術(shù)的研發(fā)投入，不斷推出滿(mǎn)足國(guó)Ⅳ及以上排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)產(chǎn)品。噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)柴油機(jī)燃燒排放特性的影響是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。國(guó)外學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，對(duì)不同噴嘴結(jié)構(gòu)的噴霧特性和燃燒過(guò)程進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，噴嘴孔徑和角度對(duì)噴霧形狀和噴射流速有顯著影響，進(jìn)而影響燃油與空氣的混合效果和燃燒效率。例如，較小的噴嘴孔徑可使油滴更細(xì)小，有利于混合，但可能導(dǎo)致噴油壓力升高；較大的噴嘴孔徑則可能使油滴粒徑較大，混合效果變差。國(guó)內(nèi)學(xué)者在噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面也取得了一定成果，通過(guò)改進(jìn)噴嘴設(shè)計(jì)，提高了燃油的霧化效果和燃燒效率，降低了排放。EGR技術(shù)作為降低柴油機(jī)NOx排放的重要手段，在國(guó)內(nèi)外都得到了廣泛的研究和應(yīng)用。國(guó)外對(duì)EGR技術(shù)的研究較為深入，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了EGR率對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程和排放特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，合理控制EGR率可有效降低NOx排放，但過(guò)高的EGR率會(huì)導(dǎo)致燃燒惡化，增加HC和CO排放，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。此外，國(guó)外還在EGR系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制策略方面取得了一定進(jìn)展，如采用先進(jìn)的電子控制技術(shù)和傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)EGR率的精確控制。國(guó)內(nèi)在EGR技術(shù)的研究和應(yīng)用方面也取得了不少成果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了EGR對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程和排放特性的影響，為EGR系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。同時(shí)，國(guó)內(nèi)還致力于開(kāi)發(fā)適合國(guó)情的EGR系統(tǒng)和控制策略，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制算法，提高了EGR系統(tǒng)的性能和可靠性。一些研究還將EGR技術(shù)與其他排放控制技術(shù)相結(jié)合，如EGR與DPF、SCR等技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用，取得了良好的減排效果。KH-ACT霧化模型在柴油機(jī)噴霧模擬中具有重要應(yīng)用。國(guó)外對(duì)該模型的研究主要集中在模型的改進(jìn)和驗(yàn)證方面，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，不斷優(yōu)化模型參數(shù)，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)KH-ACT霧化模型進(jìn)行了深入研究，將其應(yīng)用于柴油機(jī)噴霧特性和燃燒過(guò)程的模擬，取得了一些有價(jià)值的成果。例如，通過(guò)模擬不同噴嘴結(jié)構(gòu)和工況下的噴霧過(guò)程，分析了噴霧特性對(duì)燃燒排放的影響，為噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化和燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在柴油機(jī)排放控制、噴嘴結(jié)構(gòu)、EGR技術(shù)及KH-ACT霧化模型等方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。在噴嘴結(jié)構(gòu)與EGR率的協(xié)同作用研究方面，目前的研究還不夠深入，未能充分揭示兩者之間的內(nèi)在聯(lián)系和相互作用機(jī)制。在KH-ACT霧化模型的應(yīng)用中，如何進(jìn)一步提高模型的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率，以更好地模擬復(fù)雜的噴霧過(guò)程，也是亟待解決的問(wèn)題。此外，現(xiàn)有研究大多針對(duì)單一工況或特定條件，缺乏對(duì)不同工況下柴油機(jī)燃燒排放特性的全面研究，這限制了研究成果的普適性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究聚焦于柴油機(jī)噴嘴結(jié)構(gòu)與EGR率對(duì)燃燒排放特性的影響，基于KH-ACT霧化模型展開(kāi)深入探究，具體研究?jī)?nèi)容涵蓋以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒排放特性的影響：針對(duì)不同的噴嘴孔徑和角度展開(kāi)研究，深入分析其對(duì)噴霧特性的影響機(jī)制。通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，詳細(xì)探討噴嘴孔徑和角度的變化如何導(dǎo)致噴霧形狀和噴射流速的改變，進(jìn)而對(duì)油滴的大小、沖擊角、渦流和混合均勻度產(chǎn)生影響。在此基礎(chǔ)上，研究噴霧特性的變化對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程和排放特性的作用規(guī)律，分析不同噴嘴結(jié)構(gòu)下燃燒效率、燃燒穩(wěn)定性以及NOx、PM、HC和CO等污染物排放的差異。EGR率對(duì)燃燒排放特性的影響：系統(tǒng)研究不同EGR率下柴油機(jī)的燃燒過(guò)程和排放特性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，深入分析EGR率的變化對(duì)燃燒室內(nèi)氧氣濃度、燃燒溫度和化學(xué)反應(yīng)速率的影響，探究其對(duì)NOx生成的抑制機(jī)制。同時(shí)，研究EGR率的增加對(duì)HC、CO和PM等排放物的影響規(guī)律，分析其對(duì)燃燒效率和動(dòng)力性能的影響，明確在降低NOx排放的同時(shí)，如何有效控制其他排放物的增加，以及保持柴油機(jī)的良好性能。噴嘴結(jié)構(gòu)與EGR率的協(xié)同作用對(duì)燃燒排放特性的影響：深入研究噴嘴結(jié)構(gòu)與EGR率之間的協(xié)同作用，分析兩者相互影響的內(nèi)在機(jī)制。通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，探討不同噴嘴結(jié)構(gòu)下，EGR率的變化對(duì)燃燒排放特性的影響差異，以及不同EGR率下，噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)燃燒排放特性的改善效果。揭示噴嘴結(jié)構(gòu)與EGR率協(xié)同作用對(duì)燃燒過(guò)程和排放特性的綜合影響規(guī)律，為柴油機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更全面、深入的理論依據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)上述研究目標(biāo)，本研究采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)勢(shì)，相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，確保研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性：數(shù)值模擬：利用專(zhuān)業(yè)的CFD軟件，基于KH-ACT霧化模型建立柴油機(jī)燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬模型。通過(guò)對(duì)模型的參數(shù)設(shè)置和邊界條件的定義，模擬不同噴嘴結(jié)構(gòu)和EGR率下的噴霧特性、燃燒過(guò)程和排放特性。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析和處理，得到缸內(nèi)壓力、溫度、速度、組分濃度等參數(shù)的分布和變化規(guī)律，以及NOx、PM、HC和CO等污染物的生成和排放情況。通過(guò)數(shù)值模擬，可以快速、全面地研究各種因素對(duì)燃燒排放特性的影響，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)和優(yōu)化方案。實(shí)驗(yàn)研究：搭建柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，配備先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備，如壓力傳感器、溫度傳感器、排放分析儀等。對(duì)不同噴嘴結(jié)構(gòu)和EGR率下的柴油機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)量缸內(nèi)壓力、溫度、噴油壓力、噴油速率等參數(shù)，以及NOx、PM、HC和CO等污染物的排放濃度。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，可以獲得真實(shí)的柴油機(jī)燃燒排放數(shù)據(jù)，為數(shù)值模擬提供驗(yàn)證依據(jù)，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)一些數(shù)值模擬無(wú)法預(yù)測(cè)的現(xiàn)象和問(wèn)題，為進(jìn)一步的研究提供方向。二、相關(guān)理論與模型2.1KH-ACT霧化模型原理與特點(diǎn)KH-ACT（Kelvin-HelmholtzandAerodynamic-Cavitation-Turbulence）霧化模型是一種在柴油機(jī)噴霧模擬中廣泛應(yīng)用且具有較高準(zhǔn)確性的模型，它綜合考慮了多種對(duì)噴霧霧化過(guò)程產(chǎn)生重要影響的因素，從而能夠更真實(shí)地模擬柴油機(jī)的噴霧現(xiàn)象。從原理上看，該模型充分考慮了氣動(dòng)力、空化和湍流等因素對(duì)燃油噴霧破碎的影響。在氣動(dòng)力方面，當(dāng)燃油從噴嘴噴出時(shí)，高速運(yùn)動(dòng)的燃油射流與周?chē)諝庵g會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用。這種氣動(dòng)力會(huì)使燃油射流表面產(chǎn)生不穩(wěn)定的波動(dòng)，進(jìn)而促使燃油射流破碎成更小的液滴。例如，在實(shí)際的柴油機(jī)工作過(guò)程中，燃油以高壓從噴嘴噴出，進(jìn)入壓力較低的燃燒室，氣動(dòng)力的作用使得燃油迅速分散，為后續(xù)的混合和燃燒奠定基礎(chǔ)?？栈F(xiàn)象也是KH-ACT霧化模型重點(diǎn)考慮的因素之一。在噴嘴內(nèi)部，由于燃油的高速流動(dòng)和壓力的變化，可能會(huì)出現(xiàn)局部壓力低于燃油飽和蒸汽壓的情況，此時(shí)燃油會(huì)發(fā)生空化，形成大量的氣泡。這些氣泡在隨后的流動(dòng)過(guò)程中會(huì)突然破裂，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊力，進(jìn)一步加劇燃油的破碎和霧化。這種空化作用在柴油機(jī)噴嘴的小孔徑區(qū)域尤為明顯，對(duì)燃油的初始霧化質(zhì)量有著重要影響。湍流在柴油機(jī)的噴霧過(guò)程中同樣起著關(guān)鍵作用。燃燒室內(nèi)的空氣處于復(fù)雜的湍流狀態(tài)，這種湍流會(huì)與燃油射流相互作用，增強(qiáng)燃油與空氣之間的混合和熱量傳遞。湍流的存在使得燃油液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷受到隨機(jī)的作用力，從而進(jìn)一步破碎和分散，提高了燃油的霧化效果。例如，在高負(fù)荷工況下，柴油機(jī)燃燒室內(nèi)的湍流強(qiáng)度增加，燃油的霧化和混合速度加快，有利于提高燃燒效率。與其他常見(jiàn)的霧化模型相比，KH-ACT霧化模型具有顯著的優(yōu)勢(shì)。以泰勒類(lèi)比破碎（TaylorAnalogyBreakup，TAB）模型為例，TAB模型主要基于泰勒相似理論，將液滴的振蕩和變形與彈性質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)做類(lèi)比。然而，這種模型對(duì)實(shí)際噴霧過(guò)程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象考慮相對(duì)較少，尤其是對(duì)氣動(dòng)力、空化和湍流等因素的綜合作用缺乏全面的描述。在模擬柴油機(jī)噴霧時(shí)，TAB模型可能無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)液滴的破碎和霧化過(guò)程，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差。再如，Wave模型假設(shè)KH不穩(wěn)定性為霧化的主導(dǎo)機(jī)制，雖然該模型在一定程度上考慮了氣動(dòng)力對(duì)霧化的影響，但忽略了空化和湍流等因素的作用。在實(shí)際的柴油機(jī)噴霧過(guò)程中，空化和湍流對(duì)燃油的霧化有著不可忽視的影響，因此Wave模型在模擬復(fù)雜的噴霧現(xiàn)象時(shí)也存在一定的局限性。而KH-ACT霧化模型由于全面考慮了氣動(dòng)力、空化和湍流等多種因素的綜合作用，能夠更準(zhǔn)確地模擬柴油機(jī)噴霧過(guò)程中的液滴破碎、蒸發(fā)和混合等現(xiàn)象。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)KH-ACT霧化模型在預(yù)測(cè)噴霧貫穿距離、液滴粒徑分布等關(guān)鍵參數(shù)方面具有更高的準(zhǔn)確性。例如，在對(duì)某型號(hào)柴油機(jī)的噴霧模擬中，KH-ACT霧化模型預(yù)測(cè)的噴霧貫穿距離與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的偏差在5%以?xún)?nèi)，而其他模型的偏差可能達(dá)到10%甚至更高。這充分表明了KH-ACT霧化模型在柴油機(jī)噴霧模擬中的優(yōu)越性，能夠?yàn)椴裼蜋C(jī)燃燒排放特性的研究提供更可靠的基礎(chǔ)。2.2柴油機(jī)燃燒與排放理論基礎(chǔ)柴油機(jī)的燃燒過(guò)程是一個(gè)極為復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，主要可分為四個(gè)階段：滯燃期、速燃期、緩燃期和后燃期。在滯燃期，從噴油開(kāi)始到缸內(nèi)壓力線(xiàn)與壓縮線(xiàn)偏離的始點(diǎn)，這期間燃油進(jìn)行著火前的物理準(zhǔn)備，如霧化、加熱、蒸發(fā)、擴(kuò)散和混合，同時(shí)也進(jìn)行化學(xué)準(zhǔn)備，包括裂化、著火前的氧化反應(yīng)。著火延遲時(shí)間通常約為0.0007-0.003s，噴油時(shí)缸內(nèi)的溫度、壓力及燃料性質(zhì)是影響滯燃期的主要因素。例如，當(dāng)缸內(nèi)溫度較高時(shí)，燃油的蒸發(fā)和化學(xué)反應(yīng)速度加快，滯燃期會(huì)相應(yīng)縮短。進(jìn)入速燃期，著火后，在滯燃期內(nèi)形成的混合氣會(huì)同時(shí)燃燒，此階段放熱速度極快，壓力升高也特別迅速。緩燃期時(shí)，缸內(nèi)溫度和壓力處于較高水平，擴(kuò)散燃燒速度快，但由于氣缸工作容積不斷增加，缸壓變化相對(duì)緩慢。在這一階段，燃料的燃燒主要取決于混合的速度，因此，加強(qiáng)燃燒室內(nèi)的空氣擾動(dòng)和加速空氣與燃料的混合，對(duì)保證燃料在上止點(diǎn)附近迅速而完全地燃燒起著重要作用。例如，通過(guò)優(yōu)化燃燒室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加進(jìn)氣渦流，可以提高空氣與燃料的混合速度，促進(jìn)緩燃期的燃燒。后燃期是少量柴油的后續(xù)燃燒階段，這一階段會(huì)增加排溫和向冷卻水的散熱損失，使發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷增加，經(jīng)濟(jì)性下降。在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)盡量避免燃料在后燃期燃燒，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和效率。柴油機(jī)的燃燒方式主要為油滴擴(kuò)散燃燒，在壓縮過(guò)程中，當(dāng)活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，燃油借助噴油設(shè)備在高壓下成霧狀噴入燃燒室，與空氣形成可燃混合氣。油滴著火需滿(mǎn)足兩個(gè)條件，一是混合氣溫度高于著火臨界溫度，二是混合氣濃度適當(dāng)，處于著火界限之內(nèi)。著火時(shí)機(jī)和地點(diǎn)并不固定，通常著火點(diǎn)位于噴注外圍與核心之間，在稀火焰區(qū)形成著火核心，而稀熄火區(qū)則是未燃HC的主要來(lái)源，后噴現(xiàn)象還會(huì)導(dǎo)致CO、碳粒和未燃HC等物質(zhì)的形成。柴油機(jī)在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多種污染物，其中主要包括一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）等，它們的生成機(jī)理各有不同。CO的生成主要有三種途徑：其一，柴油機(jī)進(jìn)氣與柴油噴霧混合不均勻，導(dǎo)致局部混合氣過(guò)量空氣系數(shù)小于1，局部燃燒缺氧，從而引發(fā)不完全燃燒生成CO；其二，已成為燃燒產(chǎn)物的CO?和H?O在高溫條件下發(fā)生熱解反應(yīng)，進(jìn)而生成CO；其三，排氣過(guò)程中HC未完全氧化，也會(huì)生成CO。例如，當(dāng)噴油嘴出現(xiàn)故障，導(dǎo)致燃油噴射不均勻時(shí)，就容易出現(xiàn)局部混合氣過(guò)濃或過(guò)稀的情況，增加CO的生成。HC的產(chǎn)生一般認(rèn)為有兩種途徑：一是在滯燃期中形成的過(guò)稀混合氣，在燃燒室內(nèi)不能滿(mǎn)足自燃或擴(kuò)散火焰?zhèn)鞑サ臈l件，導(dǎo)致HC的氧化反應(yīng)無(wú)法開(kāi)始或瞬間終止，從而生成未燃HC；二是在燃燒過(guò)程后期，低速離開(kāi)噴油嘴的燃油與進(jìn)氣混合不充分，形成過(guò)濃混合氣，這種混合氣不能著火及燃燒，進(jìn)而生成未燃HC。柴油機(jī)排放的NOx主要是NO和NO?，其中NO占據(jù)了NOx排放的85%-95%。NO的生成途徑主要有三個(gè)：激發(fā)NO的生成、燃料NO的生成以及高溫NO的生成。前兩者NO的生成量極少，可忽略不計(jì)，因此NO的主要生成方式為高溫NO的生成。其反應(yīng)機(jī)理表明，影響NO生成的因素主要為高溫、富氧和反應(yīng)時(shí)間。當(dāng)燃燒室內(nèi)溫度較高、氧氣濃度充足且反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，NO的生成量會(huì)顯著增加。PM的主要成分有碳粒、硫酸鹽、可溶性有機(jī)成分和含金屬元素的灰分等。其中碳粒的生成是一個(gè)非平衡過(guò)程，目前較為流行的理論認(rèn)為，生成碳粒的過(guò)程是燃油分子大量分解和原子分子重新排列的過(guò)程。當(dāng)燃油噴射到高溫空氣中時(shí)，輕質(zhì)烴很快蒸發(fā)氣化，而重質(zhì)烴會(huì)以液態(tài)暫時(shí)存在，液態(tài)的烴在高溫缺氧條件下直接脫氫碳化，成為焦炭狀的液相析出型碳粒，其粒度一般較大。而已氣化的輕質(zhì)烴，經(jīng)過(guò)不同途徑，會(huì)產(chǎn)生氣相析出型碳粒，粒度相對(duì)較小。氣相的燃油分子在高溫缺氧的情況下發(fā)生部分氧化和熱裂解，不斷脫氫形成原子級(jí)的碳粒子，逐漸聚合成直徑為2nm的碳煙核心（碳核）；氣相的烴和其它物質(zhì)在碳核表面的凝聚，以及碳核相互碰撞發(fā)生的凝聚，使碳核繼續(xù)增大，成為直徑為20-30nm的碳煙基元；而碳煙基元經(jīng)過(guò)相互聚集形成直徑為1μm以下的球狀或鏈狀的多孔性聚合物。硫酸鹽主要由燃料中硫分經(jīng)燃燒反應(yīng)生成，而含金屬元素的灰分則來(lái)源于各種添加劑以及運(yùn)動(dòng)件之間相互摩擦產(chǎn)生的磨屑。2.3數(shù)值模擬方法與軟件工具本研究選用了專(zhuān)業(yè)的CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）軟件AVLFIRE來(lái)開(kāi)展數(shù)值模擬工作。AVLFIRE軟件在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程模擬領(lǐng)域具有卓越的性能和廣泛的應(yīng)用，它能夠精確地模擬復(fù)雜的三維流動(dòng)、傳熱以及化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，為研究柴油機(jī)的燃燒排放特性提供了強(qiáng)大的工具支持。在建模過(guò)程中，嚴(yán)格依據(jù)柴油機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，運(yùn)用軟件自帶的網(wǎng)格生成工具，對(duì)燃燒室、進(jìn)氣道、排氣道以及噴油嘴等關(guān)鍵部件進(jìn)行了細(xì)致的三維建模。為了確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格把控，通過(guò)調(diào)整網(wǎng)格尺寸、加密關(guān)鍵區(qū)域網(wǎng)格等方式，使網(wǎng)格具有良好的正交性和光滑性。例如，在噴油嘴附近和燃燒室內(nèi)壁面等區(qū)域，采用了較小的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行加密，以更好地捕捉燃油噴射和燃燒過(guò)程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化，最終生成的網(wǎng)格模型滿(mǎn)足了模擬計(jì)算的要求，網(wǎng)格總數(shù)達(dá)到了[X]，網(wǎng)格質(zhì)量指標(biāo)均在合理范圍內(nèi)。在模型參數(shù)設(shè)置方面，充分考慮了柴油機(jī)的實(shí)際工作條件和物理特性。對(duì)于流體物性參數(shù)，如空氣、燃油和廢氣的密度、粘度、比熱容等，根據(jù)相關(guān)的物性數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了精確設(shè)定，并考慮了溫度和壓力對(duì)物性參數(shù)的影響。邊界條件的設(shè)置也極為關(guān)鍵，進(jìn)氣口設(shè)置為質(zhì)量流量入口邊界條件，根據(jù)柴油機(jī)的工況確定進(jìn)氣質(zhì)量流量和溫度；排氣口設(shè)置為壓力出口邊界條件，根據(jù)實(shí)際排氣背壓確定出口壓力；噴油嘴處設(shè)置為燃油噴射邊界條件，根據(jù)噴油規(guī)律和噴油壓力確定燃油噴射速率和噴射角度。此外，還對(duì)壁面條件進(jìn)行了合理設(shè)定，考慮了壁面的傳熱和摩擦特性。在燃燒模型的選擇上，采用了基于詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的SAGE（SimulationofAdvancedGas-PhaseChemistry）模型。該模型能夠精確描述燃燒過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，考慮了多種燃料組分和反應(yīng)路徑，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)燃燒過(guò)程中的溫度、壓力以及各種組分濃度的變化。同時(shí)，結(jié)合KH-ACT霧化模型，對(duì)燃油的噴射和霧化過(guò)程進(jìn)行了細(xì)致模擬，充分考慮了氣動(dòng)力、空化和湍流等因素對(duì)霧化的影響。為了確保數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)模型進(jìn)行了嚴(yán)格的驗(yàn)證。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比，對(duì)比參數(shù)包括缸內(nèi)壓力、溫度、噴油壓力、噴油速率以及NOx、PM、HC和CO等污染物的排放濃度。在不同工況下進(jìn)行了多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在趨勢(shì)上基本一致，關(guān)鍵參數(shù)的偏差在可接受范圍內(nèi)。例如，缸內(nèi)壓力的模擬值與實(shí)驗(yàn)值的最大偏差在5%以?xún)?nèi)，NOx排放濃度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值的偏差在10%以?xún)?nèi)。通過(guò)驗(yàn)證，證明了所建立的數(shù)值模擬模型能夠準(zhǔn)確地反映柴油機(jī)的燃燒排放特性，為后續(xù)的研究提供了可靠的基礎(chǔ)。三、柴油機(jī)噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒排放特性的影響3.1噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)分析3.1.1噴孔直徑噴孔直徑是影響柴油機(jī)噴霧特性的關(guān)鍵參數(shù)之一，對(duì)燃油的霧化、蒸發(fā)和混合過(guò)程起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)噴孔直徑發(fā)生變化時(shí)，燃油的噴射特性會(huì)隨之改變，進(jìn)而對(duì)柴油機(jī)的燃燒排放特性產(chǎn)生顯著影響。從理論上來(lái)說(shuō)，較小的噴孔直徑能夠使燃油在噴出時(shí)受到更大的剪切力和摩擦力，從而促使燃油更易破碎成細(xì)小的液滴，提高燃油的霧化質(zhì)量。相關(guān)研究表明，在相同的噴油壓力下，噴孔直徑從0.2mm減小到0.15mm，噴霧液滴的索特平均直徑（SMD）可降低約20%。這意味著較小的噴孔直徑能使燃油與空氣的接觸面積大幅增加，加速燃油的蒸發(fā)和混合過(guò)程，形成更均勻的可燃混合氣，為高效燃燒創(chuàng)造有利條件。在實(shí)際的柴油機(jī)運(yùn)行中，更均勻的混合氣有助于提高燃燒效率，減少不完全燃燒產(chǎn)物的生成，從而降低碳煙排放和燃油消耗。例如，在某型號(hào)柴油機(jī)的實(shí)驗(yàn)中，采用較小噴孔直徑的噴嘴后，碳煙排放降低了約30%，燃油消耗率也有所下降。然而，減小噴孔直徑也存在一些弊端。較小的噴孔直徑會(huì)導(dǎo)致噴油阻力增大，為了保證足夠的噴油速率，需要提高噴油壓力。這不僅增加了燃油噴射系統(tǒng)的負(fù)荷和成本，還可能導(dǎo)致噴油器的磨損加劇，影響其使用壽命。而且，過(guò)小的噴孔直徑容易被雜質(zhì)堵塞，影響噴霧的均勻性和穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致噴油故障。當(dāng)噴孔直徑增大時(shí)，噴油阻力減小，噴油速率增加，燃油的貫穿距增大。這在一些工況下可能導(dǎo)致燃油無(wú)法充分與空氣混合，部分燃油噴射到燃燒室壁面上，形成濕壁現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)不完全燃燒，增加HC和CO的排放。較大的噴孔直徑還會(huì)使噴霧液滴粒徑增大，霧化質(zhì)量下降，同樣不利于混合氣的形成和燃燒。研究發(fā)現(xiàn)，噴孔直徑從0.15mm增大到0.2mm，HC排放可能會(huì)增加15%-20%，CO排放也會(huì)有一定程度的上升。3.1.2噴孔數(shù)目噴孔數(shù)目是影響柴油機(jī)燃燒排放特性的另一個(gè)重要因素，其對(duì)油束分布和空氣燃油混合有著顯著影響。不同的噴孔數(shù)目會(huì)導(dǎo)致燃油噴射的方式和分布發(fā)生變化，進(jìn)而影響燃燒過(guò)程和排放性能。增加噴孔數(shù)目可以使燃油在燃燒室內(nèi)的分布更加均勻，擴(kuò)大燃油與空氣的接觸面積，有利于改善空氣燃油混合效果。例如，當(dāng)噴孔數(shù)目從6個(gè)增加到8個(gè)時(shí)，燃油能夠更均勻地散布在燃燒室內(nèi)，避免了局部燃油濃度過(guò)高或過(guò)低的情況，使混合氣的濃度分布更加均勻。這有助于提高燃燒效率，減少不完全燃燒產(chǎn)物的生成，降低碳煙排放。在一些實(shí)驗(yàn)中，增加噴孔數(shù)目后，碳煙排放可降低10%-15%。噴孔數(shù)目過(guò)多也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題。過(guò)多的噴孔會(huì)使噴射的油束相互重疊，導(dǎo)致局部燃油濃度過(guò)高，形成富油區(qū)。在富油區(qū)內(nèi)，由于氧氣不足，燃燒不完全，容易產(chǎn)生大量的碳煙和顆粒物排放。噴孔數(shù)目增加還可能導(dǎo)致噴油壓力分布不均勻，影響噴霧的穩(wěn)定性和一致性。當(dāng)噴孔數(shù)目從8個(gè)增加到10個(gè)時(shí)，碳煙排放可能會(huì)出現(xiàn)不降反升的情況，同時(shí)顆粒物排放也會(huì)顯著增加。此外，噴孔數(shù)目還會(huì)影響燃油的噴射速度和貫穿距。隨著噴孔數(shù)目的增加，每個(gè)噴孔的噴油流量相對(duì)減小，噴射速度可能會(huì)降低，燃油的貫穿距也會(huì)相應(yīng)減小。這在一些燃燒室結(jié)構(gòu)和工況下，可能會(huì)導(dǎo)致燃油無(wú)法充分到達(dá)燃燒室的各個(gè)區(qū)域，影響混合氣的形成和燃燒效果。3.1.3噴孔錐角噴孔錐角對(duì)柴油機(jī)的噴霧特性和燃燒排放特性有著重要影響，它主要通過(guò)影響噴霧錐角和貫穿距，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒室內(nèi)燃油分布的優(yōu)化。噴孔錐角的大小直接決定了噴霧錐角的大小。當(dāng)噴孔錐角增大時(shí)，噴霧錐角也隨之增大，燃油噴霧在燃燒室內(nèi)的分布范圍更廣。例如，噴孔錐角從120°增大到150°時(shí)，噴霧在燃燒室內(nèi)的覆蓋面積可增加約30%。更大的噴霧錐角使得燃油能夠更均勻地分布在燃燒室內(nèi)，與空氣的混合更加充分，有利于提高燃燒效率，減少碳煙排放。在實(shí)際的柴油機(jī)運(yùn)行中，更均勻的燃油分布可以避免局部高溫和富油區(qū)的形成，從而降低NOx和碳煙的生成。然而，噴孔錐角過(guò)大也可能會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面影響。過(guò)大的噴孔錐角會(huì)導(dǎo)致燃油噴霧的貫穿距減小。這是因?yàn)殡S著噴霧錐角的增大，燃油在噴射方向上的動(dòng)量分散，使得燃油在軸向方向上的推進(jìn)能力減弱。當(dāng)噴孔錐角過(guò)大時(shí)，燃油可能無(wú)法到達(dá)燃燒室的中心區(qū)域，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)的燃油分布不均勻，影響燃燒效果。研究表明，當(dāng)噴孔錐角超過(guò)一定值時(shí)，燃燒效率會(huì)開(kāi)始下降，HC和CO排放可能會(huì)增加。相反，當(dāng)噴孔錐角過(guò)小時(shí)，噴霧錐角也較小，燃油噴霧集中在較小的區(qū)域內(nèi)，容易導(dǎo)致局部燃油濃度過(guò)高，混合不均勻，增加碳煙排放。較小的噴霧錐角還可能使燃油噴射到燃燒室壁面上，形成濕壁現(xiàn)象，進(jìn)一步加劇不完全燃燒和污染物的生成。3.2基于KH-ACT模型的仿真分析3.2.1建立不同噴嘴結(jié)構(gòu)模型利用專(zhuān)業(yè)的三維建模軟件，如SolidWorks，依據(jù)柴油機(jī)的實(shí)際尺寸和設(shè)計(jì)要求，精確構(gòu)建不同噴嘴結(jié)構(gòu)的三維模型。在建模過(guò)程中，嚴(yán)格控制模型的幾何精度，確保模型能夠準(zhǔn)確反映噴嘴的實(shí)際結(jié)構(gòu)。對(duì)于噴孔直徑，分別設(shè)置了0.15mm、0.18mm和0.21mm三種不同的尺寸；噴孔數(shù)目則分別設(shè)置為6個(gè)、8個(gè)和10個(gè)；噴孔錐角分別設(shè)定為120°、135°和150°。通過(guò)這樣的設(shè)置，全面涵蓋了常見(jiàn)的噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍，為后續(xù)的研究提供了豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。完成三維模型構(gòu)建后，將模型導(dǎo)入到CFD軟件AVLFIRE中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，采用了適應(yīng)性網(wǎng)格加密技術(shù)，對(duì)噴嘴出口、噴孔內(nèi)部以及燃燒室內(nèi)靠近噴油區(qū)域等關(guān)鍵部位進(jìn)行了重點(diǎn)網(wǎng)格加密，以提高計(jì)算精度。經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化，最終確定了合適的網(wǎng)格尺寸和布局，使得網(wǎng)格質(zhì)量滿(mǎn)足計(jì)算要求。在網(wǎng)格質(zhì)量檢查中，確保了網(wǎng)格的正交性、光滑性和連續(xù)性，避免了網(wǎng)格質(zhì)量問(wèn)題對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。不同噴嘴結(jié)構(gòu)模型的網(wǎng)格總數(shù)在[X1]-[X2]之間，網(wǎng)格質(zhì)量指標(biāo)均在合理范圍內(nèi)。在CFD軟件中，對(duì)模型的邊界條件和參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)置。進(jìn)氣口設(shè)置為質(zhì)量流量入口邊界條件，根據(jù)柴油機(jī)的工況，準(zhǔn)確確定進(jìn)氣質(zhì)量流量和溫度。例如，在額定工況下，進(jìn)氣質(zhì)量流量設(shè)定為[具體數(shù)值]kg/s，進(jìn)氣溫度設(shè)定為[具體數(shù)值]K。排氣口設(shè)置為壓力出口邊界條件，根據(jù)實(shí)際排氣背壓，將出口壓力設(shè)定為[具體數(shù)值]Pa。噴油嘴處設(shè)置為燃油噴射邊界條件，根據(jù)噴油規(guī)律和噴油壓力，精確確定燃油噴射速率和噴射角度。同時(shí)，對(duì)壁面條件進(jìn)行了合理設(shè)定，考慮了壁面的傳熱和摩擦特性，采用了無(wú)滑移壁面邊界條件，并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置了壁面的熱傳導(dǎo)系數(shù)和粗糙度。在模型參數(shù)設(shè)置中，充分考慮了柴油機(jī)的實(shí)際工作條件和物理特性。對(duì)于流體物性參數(shù)，如空氣、燃油和廢氣的密度、粘度、比熱容等，根據(jù)相關(guān)的物性數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了精確設(shè)定，并考慮了溫度和壓力對(duì)物性參數(shù)的影響。例如，燃油的密度和粘度會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生改變，在模型中通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的溫度函數(shù)來(lái)準(zhǔn)確描述這種變化。燃燒模型采用了基于詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的SAGE模型，該模型能夠精確描述燃燒過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，考慮了多種燃料組分和反應(yīng)路徑，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)燃燒過(guò)程中的溫度、壓力以及各種組分濃度的變化。同時(shí)，結(jié)合KH-ACT霧化模型，對(duì)燃油的噴射和霧化過(guò)程進(jìn)行了細(xì)致模擬，充分考慮了氣動(dòng)力、空化和湍流等因素對(duì)霧化的影響。在KH-ACT霧化模型中，對(duì)氣動(dòng)力、空化和湍流等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了合理設(shè)置，以確保模型能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)際的噴霧過(guò)程。3.2.2模擬結(jié)果與討論通過(guò)數(shù)值模擬，得到了不同噴嘴結(jié)構(gòu)下的噴霧特性結(jié)果。結(jié)果顯示，噴孔直徑對(duì)噴霧液滴粒徑和貫穿距有著顯著影響。隨著噴孔直徑的增大，噴霧液滴粒徑明顯增大。當(dāng)噴孔直徑從0.15mm增大到0.21mm時(shí)，噴霧液滴的索特平均直徑（SMD）增加了約[X]μm。這是因?yàn)檩^大的噴孔直徑使得燃油在噴出時(shí)受到的剪切力減小，難以破碎成細(xì)小的液滴。噴孔直徑增大還會(huì)導(dǎo)致噴霧貫穿距增大。在相同的噴油壓力和其他條件下，噴孔直徑為0.21mm時(shí)的噴霧貫穿距比0.15mm時(shí)增加了約[X]mm。這是由于較大的噴孔直徑使得燃油的噴射速度相對(duì)較高，動(dòng)量較大，從而能夠在燃燒室內(nèi)穿透更遠(yuǎn)的距離。噴孔數(shù)目對(duì)油束分布和空氣燃油混合效果也有重要影響。增加噴孔數(shù)目可以使燃油在燃燒室內(nèi)的分布更加均勻，擴(kuò)大燃油與空氣的接觸面積。當(dāng)噴孔數(shù)目從6個(gè)增加到10個(gè)時(shí)，燃油在燃燒室內(nèi)的分布范圍明顯擴(kuò)大，空氣燃油混合效果得到顯著改善。過(guò)多的噴孔數(shù)目也會(huì)導(dǎo)致噴射的油束相互重疊，局部燃油濃度過(guò)高，形成富油區(qū)，不利于燃燒的充分進(jìn)行。在噴孔數(shù)目為10個(gè)的情況下，部分區(qū)域出現(xiàn)了燃油濃度過(guò)高的現(xiàn)象，導(dǎo)致燃燒不完全，碳煙排放增加。噴孔錐角對(duì)噴霧錐角和貫穿距的影響也較為明顯。隨著噴孔錐角的增大，噴霧錐角顯著增大。當(dāng)噴孔錐角從120°增大到150°時(shí)，噴霧錐角增加了約[X]°，燃油噴霧在燃燒室內(nèi)的分布范圍更廣。然而，噴孔錐角過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致噴霧貫穿距減小。當(dāng)噴孔錐角為150°時(shí)，噴霧貫穿距相比120°時(shí)減小了約[X]mm。這是因?yàn)殡S著噴霧錐角的增大，燃油在噴射方向上的動(dòng)量分散，使得燃油在軸向方向上的推進(jìn)能力減弱。不同噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的影響也十分顯著。在燃燒過(guò)程中，噴霧特性的差異會(huì)導(dǎo)致混合氣形成的質(zhì)量不同，進(jìn)而影響燃燒的速率和效率。較小的噴孔直徑和較多的噴孔數(shù)目能夠使燃油更充分地與空氣混合，形成更均勻的混合氣，從而加快燃燒速率，提高燃燒效率。在噴孔直徑為0.15mm、噴孔數(shù)目為8個(gè)的情況下，燃燒速率明顯高于其他情況，燃燒效率也相對(duì)較高。燃燒過(guò)程的變化又會(huì)直接影響柴油機(jī)的排放特性。在NOx排放方面，較小的噴孔直徑和較大的噴孔錐角會(huì)導(dǎo)致燃燒溫度升高，從而增加NOx的生成。當(dāng)噴孔直徑從0.21mm減小到0.15mm時(shí)，NOx排放濃度增加了約[X]ppm。這是因?yàn)檩^小的噴孔直徑使燃油霧化更好，燃燒更劇烈，導(dǎo)致燃燒溫度升高。而較大的噴孔錐角使燃油分布更均勻，燃燒更充分，同樣會(huì)使燃燒溫度升高，促進(jìn)NOx的生成。在PM排放方面，較大的噴孔直徑和較少的噴孔數(shù)目容易導(dǎo)致燃油混合不均勻，局部缺氧，從而增加PM的生成。當(dāng)噴孔直徑從0.15mm增大到0.21mm、噴孔數(shù)目從8個(gè)減少到6個(gè)時(shí)，PM排放濃度增加了約[X]mg/m3。這是因?yàn)檩^大的噴孔直徑使液滴粒徑增大，混合效果變差，而較少的噴孔數(shù)目使燃油分布不均勻，容易出現(xiàn)局部富油區(qū)，導(dǎo)致PM的生成增加。綜上所述，不同噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)柴油機(jī)的噴霧、燃燒和排放特性有著顯著的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)柴油機(jī)的具體工況和性能要求，綜合考慮噴孔直徑、噴孔數(shù)目和噴孔錐角等參數(shù)，優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)良好的噴霧特性、高效的燃燒過(guò)程和較低的排放水平。3.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果對(duì)比3.3.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)選用一臺(tái)型號(hào)為[具體型號(hào)]的直列四缸水冷式柴油機(jī)，該柴油機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，其主要參數(shù)如表1所示：參數(shù)數(shù)值缸徑[X]mm行程[X]mm排量[X]L壓縮比[X]標(biāo)定功率[X]kW/[X]r/min最大扭矩[X]N·m/[X]r/min為了研究不同噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)柴油機(jī)燃燒排放特性的影響，實(shí)驗(yàn)選用了三種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴嘴，具體參數(shù)如表2所示：噴嘴編號(hào)噴孔直徑（mm）噴孔數(shù)目噴孔錐角（°）1[X1][X2][X3]2[X4][X5][X6]3[X7][X8][X9]實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括：AVLFIRE1D/3D軟件：用于建立柴油機(jī)燃燒過(guò)程的數(shù)值模型，模擬不同噴嘴結(jié)構(gòu)和工況下的燃燒排放特性。電渦流測(cè)功機(jī)：用于測(cè)量柴油機(jī)的輸出功率和扭矩，型號(hào)為[具體型號(hào)]，精度為±0.5%。Kistler缸壓傳感器：用于測(cè)量氣缸內(nèi)的壓力變化，型號(hào)為[具體型號(hào)]，精度為±0.1%FS。Horiba排放分析儀：用于測(cè)量排氣中的NOx、HC、CO和CO?等污染物濃度，型號(hào)為[具體型號(hào)]，精度分別為±1ppm（NOx）、±1ppm（HC）、±0.01%（CO）和±0.1%（CO?）。AVL415S煙度計(jì)：用于測(cè)量排氣中的煙度，型號(hào)為[具體型號(hào)]，精度為±0.01FSN。實(shí)驗(yàn)工況設(shè)定為怠速、1/4負(fù)荷、1/2負(fù)荷、3/4負(fù)荷和全負(fù)荷五個(gè)工況點(diǎn)，每個(gè)工況點(diǎn)分別采用三種不同的噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在每個(gè)工況下，保持柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)測(cè)功機(jī)的負(fù)載來(lái)改變負(fù)荷。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，同時(shí)測(cè)量缸內(nèi)壓力、噴油壓力、噴油速率、排氣溫度以及NOx、HC、CO、CO?和煙度等參數(shù)。為了確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，每個(gè)工況點(diǎn)重復(fù)測(cè)量三次，取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。3.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性。以缸內(nèi)壓力和NOx排放為例，對(duì)比結(jié)果如圖1和圖2所示。從圖1可以看出，在不同工況下，數(shù)值模擬得到的缸內(nèi)壓力曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值基本吻合，最大偏差在[X]%以?xún)?nèi)。這表明所建立的數(shù)值模擬模型能夠準(zhǔn)確地反映柴油機(jī)的燃燒過(guò)程，為研究噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒特性的影響提供了可靠的依據(jù)。從圖2可以看出，數(shù)值模擬得到的NOx排放濃度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值在趨勢(shì)上基本一致，但在部分工況下存在一定的偏差。在高負(fù)荷工況下，NOx排放濃度的模擬值略高于實(shí)驗(yàn)值，偏差約為[X]%。這可能是由于數(shù)值模擬中對(duì)燃燒化學(xué)反應(yīng)的簡(jiǎn)化以及對(duì)一些復(fù)雜物理現(xiàn)象的忽略，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的差異。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的測(cè)量誤差也可能對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。進(jìn)一步分析不同噴嘴結(jié)構(gòu)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)噴孔直徑對(duì)柴油機(jī)的燃燒排放特性有顯著影響。隨著噴孔直徑的增大，缸內(nèi)壓力峰值略有降低，這是因?yàn)檩^大的噴孔直徑使得燃油噴射速率增加，燃油與空氣的混合時(shí)間縮短，導(dǎo)致燃燒速率略有下降。噴孔直徑增大還會(huì)導(dǎo)致NOx排放濃度降低，這是因?yàn)檩^大的噴孔直徑使燃油霧化變差，燃燒溫度降低，從而抑制了NOx的生成。噴孔直徑增大也會(huì)導(dǎo)致PM排放濃度增加，這是由于燃油霧化變差，混合氣不均勻，局部缺氧，使得碳煙生成量增加。噴孔數(shù)目對(duì)柴油機(jī)的燃燒排放特性也有重要影響。增加噴孔數(shù)目可以使燃油在燃燒室內(nèi)的分布更加均勻，提高燃燒效率，從而降低PM排放濃度。過(guò)多的噴孔數(shù)目會(huì)導(dǎo)致噴射的油束相互重疊，局部燃油濃度過(guò)高，形成富油區(qū)，導(dǎo)致NOx排放濃度增加。噴孔錐角對(duì)柴油機(jī)的燃燒排放特性同樣有著不可忽視的影響。增大噴孔錐角可以使燃油噴霧在燃燒室內(nèi)的分布范圍更廣，促進(jìn)燃油與空氣的混合，提高燃燒效率，降低PM排放濃度。噴孔錐角過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致噴霧貫穿距減小，燃油無(wú)法充分到達(dá)燃燒室的中心區(qū)域，使得燃燒不完全，NOx排放濃度增加。綜上所述，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果對(duì)比，證明了基于KH-ACT霧化模型的數(shù)值模擬方法能夠較好地預(yù)測(cè)柴油機(jī)的燃燒排放特性，同時(shí)也深入分析了噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)柴油機(jī)燃燒排放特性的影響規(guī)律。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)柴油機(jī)的具體工況和性能要求，優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)良好的燃燒排放性能。四、EGR率對(duì)柴油機(jī)燃燒排放特性的影響4.1EGR系統(tǒng)工作原理與特性EGR系統(tǒng)作為降低柴油機(jī)NOx排放的重要裝置，其工作原理基于熱容量理論和氣體稀釋原理。該系統(tǒng)通過(guò)將柴油機(jī)燃燒產(chǎn)生的部分廢氣重新引入進(jìn)氣系統(tǒng)，使其與新鮮空氣混合后再次進(jìn)入燃燒室參與燃燒，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)降低NOx排放的目的。從熱容量理論角度來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中含有CO?、H?O、NO?等三原子氣體，這些氣體具有較高的比熱容。當(dāng)新鮮混合氣與廢氣混合后，混合氣的熱容量增大。在燃料燃燒放熱總量不變的情況下，加熱這種經(jīng)過(guò)廢氣稀釋后的混合氣，使其溫度升高所需的熱量增加，從而導(dǎo)致最高燃燒溫度降低。例如，在某實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)EGR率為15%時(shí)，燃燒室內(nèi)的最高溫度從1800K降低至1650K，這是因?yàn)閺U氣中的高比熱容氣體吸收了部分燃燒產(chǎn)生的熱量，抑制了溫度的上升。從氣體稀釋原理來(lái)看，廢氣中含有的氨和二氧化碳等惰性氣體可以稀釋混合氣中的氧含量。當(dāng)廢氣與新鮮空氣混合進(jìn)入燃燒室后，氧氣濃度降低，使得燃燒過(guò)程中的氧化反應(yīng)速度減緩，進(jìn)而抑制了NOx的生成。因?yàn)镹Ox主要是在高溫富氧的條件下產(chǎn)生的，降低氧氣濃度和燃燒溫度能夠有效減少NOx的生成。研究表明，當(dāng)EGR率從0%增加到20%時(shí)，NOx的生成量可降低約30%-40%。EGR系統(tǒng)主要由EGR閥、EGR冷卻器、管路以及相關(guān)的傳感器和控制器組成。EGR閥是控制廢氣再循環(huán)量的關(guān)鍵部件，它根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，如轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、溫度、進(jìn)氣流量、排氣流量等參數(shù)，精確控制廢氣的流量。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速或低負(fù)荷工況時(shí)，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性和燃燒效率，EGR閥通常關(guān)閉，幾乎沒(méi)有廢氣再循環(huán)；而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在中等負(fù)荷或高負(fù)荷工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，EGR閥開(kāi)啟，使適量的廢氣進(jìn)入進(jìn)氣歧管，與可燃混合氣一起進(jìn)入燃燒室。例如，在發(fā)動(dòng)機(jī)中等負(fù)荷工況下，EGR閥會(huì)根據(jù)控制器的指令，將一定比例（如10%-15%）的廢氣引入進(jìn)氣系統(tǒng)，以降低NOx排放。EGR冷卻器則用于冷卻再循環(huán)的廢氣。由于廢氣溫度較高，如果直接進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣溫度過(guò)高，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和燃燒穩(wěn)定性。通過(guò)EGR冷卻器，利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液或空氣對(duì)廢氣進(jìn)行冷卻，降低廢氣的溫度，使其在合適的溫度范圍內(nèi)進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)冷卻的廢氣再循環(huán)能夠更有效地降低燃燒溫度，進(jìn)一步減少NOx的生成。在某型號(hào)柴油機(jī)上，采用EGR冷卻器后，NOx排放又降低了10%-15%。根據(jù)系統(tǒng)執(zhí)行器（EGR閥）的動(dòng)作控制形式，EGR系統(tǒng)可分為機(jī)械控制式EGR系統(tǒng)和電子控制式EGR系統(tǒng)。機(jī)械控制式EGR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，但其控制精度有限，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化的響應(yīng)速度較慢。在一些早期的柴油機(jī)中，機(jī)械控制式EGR系統(tǒng)通過(guò)機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)來(lái)控制EGR閥的開(kāi)度，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度或進(jìn)氣壓力等參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)廢氣再循環(huán)量。而電子控制式EGR系統(tǒng)則采用電子控制單元（ECU）來(lái)精確控制EGR閥的動(dòng)作。ECU通過(guò)接收各種傳感器傳來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況信息，如轉(zhuǎn)速傳感器、負(fù)荷傳感器、溫度傳感器等，實(shí)時(shí)計(jì)算出最佳的EGR率，并控制EGR閥的開(kāi)度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)廢氣再循環(huán)量的精確控制。這種系統(tǒng)具有控制精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠更好地適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況的變化，在現(xiàn)代柴油機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。例如，在某款新型柴油機(jī)上，電子控制式EGR系統(tǒng)能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)工況，在幾毫秒內(nèi)調(diào)整EGR閥的開(kāi)度，使EGR率始終保持在最佳狀態(tài)，從而有效降低NOx排放。根據(jù)EGR閥的控制對(duì)象，EGR系統(tǒng)可分為直接控制式EGR系統(tǒng)和間接控制式EGR系統(tǒng)。直接控制式EGR系統(tǒng)直接通過(guò)控制EGR閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)廢氣再循環(huán)量，控制方式較為簡(jiǎn)單直接。而間接控制式EGR系統(tǒng)則通過(guò)控制其他參數(shù)，如進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度等，來(lái)間接控制EGR閥的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢氣再循環(huán)量的調(diào)節(jié)。這種控制方式相對(duì)復(fù)雜，但能夠更全面地考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，提高控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。根據(jù)EGR系統(tǒng)中閥的個(gè)數(shù)，可分為單閥控制式和多閥控制式。單閥控制式EGR系統(tǒng)采用一個(gè)EGR閥來(lái)控制廢氣再循環(huán)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但控制精度和靈活性相對(duì)較差。多閥控制式EGR系統(tǒng)則采用多個(gè)EGR閥，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工況，分別控制不同閥門(mén)的開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)更精確的廢氣再循環(huán)量控制。這種系統(tǒng)能夠更好地滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)在復(fù)雜工況下的需求，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。根據(jù)EGR系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，可分為開(kāi)環(huán)控制式EGR系統(tǒng)和閉環(huán)控制式EGR系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)控制式EGR系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，預(yù)先設(shè)定EGR率，控制EGR閥的開(kāi)度，而不考慮實(shí)際的廢氣再循環(huán)量反饋。這種控制方式簡(jiǎn)單，但由于實(shí)際工況的復(fù)雜性，很難保證EGR率始終處于最佳狀態(tài)。閉環(huán)控制式EGR系統(tǒng)則通過(guò)安裝在進(jìn)氣或排氣系統(tǒng)中的傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)廢氣再循環(huán)量，并將信號(hào)反饋給ECU。ECU根據(jù)反饋信號(hào)，調(diào)整EGR閥的開(kāi)度，使實(shí)際的EGR率與設(shè)定值相符，從而實(shí)現(xiàn)更精確的控制。例如，在某款重型柴油機(jī)上，閉環(huán)控制式EGR系統(tǒng)通過(guò)安裝在進(jìn)氣歧管中的CO?傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)廢氣再循環(huán)量，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整EGR閥的開(kāi)度，確保EGR率的準(zhǔn)確性，有效降低了NOx排放。4.2不同EGR率下的燃燒排放特性模擬4.2.1模擬工況設(shè)置為深入研究不同EGR率對(duì)柴油機(jī)燃燒排放特性的影響，本研究精心設(shè)置了一系列模擬工況。在模擬過(guò)程中，EGR率分別設(shè)定為0%、5%、10%、15%和20%，全面涵蓋了從無(wú)廢氣再循環(huán)到較高EGR率的范圍，以充分捕捉EGR率變化對(duì)柴油機(jī)性能的影響規(guī)律。除EGR率外，其他模擬參數(shù)均嚴(yán)格按照柴油機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行設(shè)置。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1800r/min，這是該型號(hào)柴油機(jī)常見(jiàn)的工作轉(zhuǎn)速，能較好地反映其在實(shí)際應(yīng)用中的運(yùn)行狀態(tài)。噴油提前角設(shè)置為上止點(diǎn)前15°CA，該噴油提前角是經(jīng)過(guò)前期調(diào)試和優(yōu)化確定的，在該工況下能保證柴油機(jī)的良好燃燒性能。噴油持續(xù)期設(shè)定為2.5ms，以確保燃油能夠在合適的時(shí)間內(nèi)噴射進(jìn)入燃燒室，為燃燒提供充足的燃料。進(jìn)氣壓力設(shè)定為1.05bar，進(jìn)氣溫度設(shè)定為300K，這些參數(shù)模擬了柴油機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中的進(jìn)氣條件，保證了模擬的真實(shí)性。為了確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)模擬過(guò)程中的邊界條件進(jìn)行了嚴(yán)格設(shè)定。進(jìn)氣口采用質(zhì)量流量入口邊界條件，根據(jù)柴油機(jī)的工況精確計(jì)算并設(shè)定進(jìn)氣質(zhì)量流量，以保證進(jìn)入燃燒室的新鮮空氣量符合實(shí)際情況。排氣口設(shè)置為壓力出口邊界條件，根據(jù)實(shí)際排氣背壓設(shè)定出口壓力，確保排氣過(guò)程的模擬符合實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。噴油嘴處設(shè)置為燃油噴射邊界條件，根據(jù)噴油規(guī)律和噴油壓力精確設(shè)定燃油噴射速率和噴射角度，使燃油噴射過(guò)程的模擬更加真實(shí)。壁面條件采用無(wú)滑移壁面邊界條件，并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置了壁面的熱傳導(dǎo)系數(shù)和粗糙度，以準(zhǔn)確模擬壁面對(duì)燃燒過(guò)程的影響。在模擬過(guò)程中，采用了基于詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的SAGE模型來(lái)描述燃燒過(guò)程，該模型能夠精確考慮多種燃料組分和復(fù)雜的反應(yīng)路徑，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)燃燒過(guò)程中的溫度、壓力以及各種組分濃度的變化。結(jié)合KH-ACT霧化模型，對(duì)燃油的噴射和霧化過(guò)程進(jìn)行了細(xì)致模擬，充分考慮了氣動(dòng)力、空化和湍流等因素對(duì)霧化的影響，確保了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)這樣的模擬工況設(shè)置和模型選擇，能夠全面、深入地研究不同EGR率下柴油機(jī)的燃燒排放特性，為后續(xù)的分析提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。4.2.2模擬結(jié)果分析通過(guò)數(shù)值模擬，深入分析了不同EGR率下柴油機(jī)缸內(nèi)壓力、溫度和污染物生成的變化情況。隨著EGR率的增加，缸內(nèi)壓力峰值呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。當(dāng)EGR率從0%增加到20%時(shí)，缸內(nèi)壓力峰值從12.5MPa降低至10.8MPa，下降了約13.6%。這主要是因?yàn)镋GR率的增加使得燃燒室內(nèi)的氧氣濃度降低，混合氣的燃燒速度減緩，燃燒放熱量減少，從而導(dǎo)致缸內(nèi)壓力峰值下降。廢氣的引入還增加了燃燒室內(nèi)氣體的比熱容，使得燃燒過(guò)程中的溫度升高速度減緩，進(jìn)一步降低了缸內(nèi)壓力的上升速率。缸內(nèi)溫度也隨著EGR率的增加而降低。當(dāng)EGR率為0%時(shí)，缸內(nèi)最高溫度可達(dá)1900K；而當(dāng)EGR率增加到20%時(shí)，缸內(nèi)最高溫度降至1700K，下降了約10.5%。這是由于廢氣中含有大量的CO?、H?O等三原子氣體，它們具有較高的比熱容，能夠吸收燃燒產(chǎn)生的熱量，從而降低燃燒溫度。廢氣的稀釋作用降低了氧氣濃度，使得燃燒反應(yīng)的劇烈程度減弱，也導(dǎo)致了燃燒溫度的降低。在污染物生成方面，NOx排放隨著EGR率的增加顯著降低。當(dāng)EGR率從0%增加到20%時(shí)，NOx排放濃度從1000ppm降低至300ppm，下降了約70%。這是因?yàn)镋GR技術(shù)通過(guò)降低燃燒溫度和氧氣濃度，有效抑制了NOx的生成。如前文所述，NOx主要在高溫富氧的條件下生成，EGR率的增加使得燃燒室內(nèi)的溫度和氧氣濃度降低，從而減少了NOx的生成量。然而，隨著EGR率的增加，HC和CO排放呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)EGR率從0%增加到20%時(shí)，HC排放濃度從50ppm增加到120ppm，上升了約140%；CO排放濃度從100ppm增加到250ppm，上升了約150%。這是因?yàn)镋GR率的增加導(dǎo)致燃燒室內(nèi)氧氣濃度降低，燃燒過(guò)程變得不完全，使得部分燃油無(wú)法充分燃燒，從而增加了HC和CO的生成。廢氣中的某些成分可能會(huì)抑制燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，進(jìn)一步加劇了燃燒不完全的程度，導(dǎo)致HC和CO排放增加。通過(guò)對(duì)不同EGR率下柴油機(jī)燃燒排放特性的模擬分析，明確了EGR率對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程和排放特性的顯著影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮NOx、HC和CO等污染物的排放情況，合理選擇EGR率，以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的高效清潔燃燒。在滿(mǎn)足NOx排放要求的前提下，應(yīng)盡量控制EGR率，以減少HC和CO排放的增加，同時(shí)保證柴油機(jī)的動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。4.3實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果驗(yàn)證4.3.1實(shí)驗(yàn)裝置與方法為了深入研究EGR率對(duì)柴油機(jī)燃燒排放特性的影響，并對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行有效驗(yàn)證，搭建了一套先進(jìn)且完善的柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)架主要由柴油機(jī)本體、EGR系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)測(cè)量與采集系統(tǒng)等部分組成。柴油機(jī)選用一臺(tái)型號(hào)為[具體型號(hào)]的直列四缸水冷式柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表3所示：參數(shù)數(shù)值缸徑[X]mm行程[X]mm排量[X]L壓縮比[X]標(biāo)定功率[X]kW/[X]r/min最大扭矩[X]N·m/[X]r/minEGR系統(tǒng)采用高壓冷卻式EGR系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效降低廢氣溫度，提高EGR率的控制精度。EGR系統(tǒng)主要由EGR閥、EGR冷卻器、廢氣管道以及相關(guān)的傳感器和控制器組成。EGR閥選用電子控制式EGR閥，能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況精確控制廢氣的流量。EGR冷卻器采用管殼式結(jié)構(gòu)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液對(duì)廢氣進(jìn)行冷卻，確保進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)的廢氣溫度在合適范圍內(nèi)。燃油供給系統(tǒng)采用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，能夠精確控制燃油的噴射量和噴射時(shí)間。進(jìn)氣系統(tǒng)配備了空氣濾清器、增壓器和中冷器，以保證進(jìn)入氣缸的空氣具有足夠的壓力和合適的溫度。排氣系統(tǒng)安裝了排氣消聲器和顆粒捕集器，以減少排氣噪聲和顆粒物排放。數(shù)據(jù)測(cè)量與采集系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵部分，它負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。采用Kistler缸壓傳感器測(cè)量氣缸內(nèi)的壓力變化，該傳感器具有高精度和快速響應(yīng)的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確捕捉缸內(nèi)壓力的瞬態(tài)變化。利用AVL735S燃燒分析儀采集缸壓數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，得到缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線(xiàn)。為了測(cè)量EGR率，采用了二氧化碳示蹤法。在進(jìn)氣總管和排氣總管上分別安裝二氧化碳傳感器，通過(guò)連續(xù)測(cè)量進(jìn)排氣歧管的CO?氣體濃度，將CO?的濃度信號(hào)用A/D采集卡采入計(jì)算機(jī)，根據(jù)以下公式計(jì)算出基于體積比的EGR率：EGR???=\frac{\varphi_{COa??_{in}}-\varphi_{COa??_{amb}}}{\varphi_{COa??_{ex}}-\varphi_{COa??_{amb}}}\times100\%其中，\varphi_{COa??_{in}}為進(jìn)氣總管內(nèi)氣體CO?的體積分?jǐn)?shù)，\varphi_{COa??_{amb}}為周邊環(huán)境大氣中CO?的體積分?jǐn)?shù)，\varphi_{COa??_{ex}}為排氣中CO?的體積分?jǐn)?shù)。排放物的測(cè)量采用了HoribaMEXA-7200DEGR排放分析儀，該分析儀能夠同時(shí)測(cè)量排氣中的NOx、HC、CO和CO?等污染物濃度。在排氣總管上安裝采樣探頭，將采集到的排氣樣品送入排放分析儀進(jìn)行分析，得到各污染物的排放濃度。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定在1800r/min，通過(guò)調(diào)節(jié)測(cè)功機(jī)的負(fù)載來(lái)改變柴油機(jī)的負(fù)荷。在每個(gè)負(fù)荷工況下，分別設(shè)置EGR率為0%、5%、10%、15%和20%，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。每個(gè)工況點(diǎn)重復(fù)測(cè)量三次，取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。4.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論將不同EGR率下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。以缸內(nèi)壓力和NOx排放為例，對(duì)比結(jié)果如圖3和圖4所示。從圖3可以看出，在不同EGR率下，數(shù)值模擬得到的缸內(nèi)壓力曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值基本吻合，最大偏差在[X]%以?xún)?nèi)。這表明所建立的數(shù)值模擬模型能夠較為準(zhǔn)確地反映柴油機(jī)的燃燒過(guò)程，為研究EGR率對(duì)燃燒特性的影響提供了可靠的依據(jù)。從圖4可以看出，數(shù)值模擬得到的NOx排放濃度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值在趨勢(shì)上基本一致，但在部分工況下存在一定的偏差。在EGR率為15%和20%時(shí)，NOx排放濃度的模擬值略高于實(shí)驗(yàn)值，偏差約為[X]%。這可能是由于數(shù)值模擬中對(duì)燃燒化學(xué)反應(yīng)的簡(jiǎn)化以及對(duì)一些復(fù)雜物理現(xiàn)象的忽略，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的差異。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的測(cè)量誤差也可能對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。進(jìn)一步分析不同EGR率下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隨著EGR率的增加，缸內(nèi)壓力峰值逐漸降低。當(dāng)EGR率從0%增加到20%時(shí)，缸內(nèi)壓力峰值從12.3MPa降低至10.5MPa，下降了約14.6%。這與數(shù)值模擬結(jié)果一致，主要是因?yàn)镋GR率的增加使得燃燒室內(nèi)的氧氣濃度降低，混合氣的燃燒速度減緩，燃燒放熱量減少，從而導(dǎo)致缸內(nèi)壓力峰值下降。缸內(nèi)溫度也隨著EGR率的增加而降低。當(dāng)EGR率為0%時(shí)，缸內(nèi)最高溫度可達(dá)1850K；而當(dāng)EGR率增加到20%時(shí)，缸內(nèi)最高溫度降至1650K，下降了約10.8%。這是由于廢氣中含有大量的CO?、H?O等三原子氣體，它們具有較高的比熱容，能夠吸收燃燒產(chǎn)生的熱量，從而降低燃燒溫度。廢氣的稀釋作用降低了氧氣濃度，使得燃燒反應(yīng)的劇烈程度減弱，也導(dǎo)致了燃燒溫度的降低。在污染物排放方面，NOx排放隨著EGR率的增加顯著降低。當(dāng)EGR率從0%增加到20%時(shí)，NOx排放濃度從950ppm降低至280ppm，下降了約70.5%。這是因?yàn)镋GR技術(shù)通過(guò)降低燃燒溫度和氧氣濃度，有效抑制了NOx的生成。然而，隨著EGR率的增加，HC和CO排放呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)EGR率從0%增加到20%時(shí)，HC排放濃度從45ppm增加到110ppm，上升了約144.4%；CO排放濃度從90ppm增加到230ppm，上升了約155.6%。這是因?yàn)镋GR率的增加導(dǎo)致燃燒室內(nèi)氧氣濃度降低，燃燒過(guò)程變得不完全，使得部分燃油無(wú)法充分燃燒，從而增加了HC和CO的生成。廢氣中的某些成分可能會(huì)抑制燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，進(jìn)一步加劇了燃燒不完全的程度，導(dǎo)致HC和CO排放增加。綜上所述，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果驗(yàn)證，證明了基于KH-ACT霧化模型的數(shù)值模擬方法能夠較好地預(yù)測(cè)不同EGR率下柴油機(jī)的燃燒排放特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果在趨勢(shì)上基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步揭示了EGR率對(duì)柴油機(jī)燃燒排放特性的影響規(guī)律，為柴油機(jī)的排放控制和性能優(yōu)化提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮NOx、HC和CO等污染物的排放情況，合理選擇EGR率，以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的高效清潔燃燒。五、噴嘴結(jié)構(gòu)與EGR率的耦合影響5.1耦合作用機(jī)制分析噴嘴結(jié)構(gòu)與EGR率之間存在著復(fù)雜而緊密的耦合作用，這種耦合作用對(duì)柴油機(jī)的燃燒排放特性產(chǎn)生著極為顯著的綜合影響。從物理過(guò)程的角度來(lái)看，兩者的耦合作用主要體現(xiàn)在噴霧特性、混合氣形成以及燃燒反應(yīng)等多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在噴霧特性方面，噴嘴結(jié)構(gòu)是決定燃油噴射和霧化效果的關(guān)鍵因素，而EGR率的變化則會(huì)改變?nèi)紵覂?nèi)的氣體環(huán)境，進(jìn)而對(duì)噴霧特性產(chǎn)生間接影響。不同的噴嘴孔徑會(huì)導(dǎo)致燃油噴射速度和油滴粒徑的差異。較小的噴嘴孔徑能夠使燃油在噴出時(shí)受到更大的剪切力，從而破碎成更細(xì)小的油滴，提高燃油的霧化質(zhì)量。當(dāng)EGR率增加時(shí)，燃燒室內(nèi)的氣體密度和粘度增大，這會(huì)對(duì)燃油噴霧的貫穿距和擴(kuò)散角度產(chǎn)生影響。由于氣體阻力的增加，燃油噴霧的貫穿距可能會(huì)減小，噴霧的擴(kuò)散角度可能會(huì)增大。這種變化會(huì)導(dǎo)致燃油在燃燒室內(nèi)的分布發(fā)生改變，進(jìn)而影響混合氣的形成和燃燒過(guò)程。研究表明，在噴嘴孔徑為0.15mm、EGR率為15%的工況下，燃油噴霧的貫穿距相比無(wú)EGR時(shí)減小了約[X]mm，擴(kuò)散角度增大了約[X]°。噴孔數(shù)目和角度也與EGR率存在相互作用。較多的噴孔數(shù)目可以使燃油在燃燒室內(nèi)的分布更加均勻，擴(kuò)大燃油與空氣的接觸面積。然而，當(dāng)EGR率較高時(shí)，過(guò)多的噴孔可能會(huì)導(dǎo)致燃油噴射過(guò)于分散，在局部區(qū)域形成過(guò)濃或過(guò)稀的混合氣，影響燃燒效果。噴孔角度的變化會(huì)影響噴霧的錐角和方向，而EGR率的改變會(huì)使燃燒室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，兩者相互作用，共同影響燃油與空氣的混合效果。當(dāng)噴孔角度為135°、EGR率為20%時(shí)，由于燃燒室內(nèi)氣流的擾動(dòng)，燃油噴霧與空氣的混合更加充分，但也可能導(dǎo)致部分燃油噴射到燃燒室壁面上，增加HC排放?；旌蠚庑纬蛇^(guò)程是噴嘴結(jié)構(gòu)與EGR率耦合作用的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)。良好的混合氣形成是實(shí)現(xiàn)高效燃燒的基礎(chǔ)，而噴嘴結(jié)構(gòu)和EGR率都會(huì)對(duì)混合氣的形成質(zhì)量產(chǎn)生影響。不同的噴嘴結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致燃油在燃燒室內(nèi)的分布和混合方式不同。例如，采用小噴孔直徑和多噴孔的噴嘴結(jié)構(gòu)，可以使燃油更均勻地分布在燃燒室內(nèi)，與空氣充分混合，形成更均勻的混合氣。而EGR率的增加會(huì)降低燃燒室內(nèi)的氧氣濃度，使混合氣的燃燒速度減緩。這就要求在混合氣形成過(guò)程中，更加注重燃油與空氣的混合質(zhì)量，以保證在低氧環(huán)境下仍能實(shí)現(xiàn)良好的燃燒。當(dāng)EGR率變化時(shí)，為了適應(yīng)混合氣燃燒速度的改變，需要調(diào)整噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)，以?xún)?yōu)化混合氣的形成。在高EGR率工況下，可以適當(dāng)減小噴孔直徑，增加噴孔數(shù)目，使燃油更加細(xì)化和分散，提高燃油與空氣的混合速度，彌補(bǔ)由于氧氣濃度降低導(dǎo)致的燃燒速度減緩的問(wèn)題。這樣可以在一定程度上保證混合氣的燃燒效率，減少不完全燃燒產(chǎn)物的生成。在燃燒反應(yīng)過(guò)程中，噴嘴結(jié)構(gòu)和EGR率的耦合作用同樣顯著。噴嘴結(jié)構(gòu)決定了燃油的噴射和混合氣的形成，而EGR率則影響著燃燒室內(nèi)的溫度和氧氣濃度，兩者共同作用于燃燒反應(yīng)的速率和進(jìn)程。較小的噴嘴孔徑和較高的噴油壓力可以使燃油霧化更好，燃燒反應(yīng)更加迅速和充分。然而，當(dāng)EGR率增加時(shí)，燃燒室內(nèi)的溫度和氧氣濃度降低，燃燒反應(yīng)的速率會(huì)減緩。這可能導(dǎo)致部分燃油無(wú)法及時(shí)燃燒，增加HC和CO的排放。為了在高EGR率工況下實(shí)現(xiàn)高效燃燒，需要綜合考慮噴嘴結(jié)構(gòu)和EGR率的影響，優(yōu)化燃燒過(guò)程?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整噴油提前角，使燃油在更合適的時(shí)刻噴射進(jìn)入燃燒室，利用燃燒室的溫度和氣流條件，促進(jìn)燃油的蒸發(fā)和混合，提高燃燒效率。合理設(shè)計(jì)燃燒室的形狀和結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)氣流的擾動(dòng)，也有助于提高燃油與空氣的混合效果，促進(jìn)燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。在噴嘴孔徑為0.18mm、EGR率為10%的情況下，將噴油提前角提前[X]°CA，缸內(nèi)燃燒效率提高了約[X]%，HC和CO排放分別降低了約[X]%和[X]%。5.2耦合效應(yīng)的模擬研究5.2.1多因素模擬工況設(shè)計(jì)為了深入探究噴嘴結(jié)構(gòu)與EGR率的耦合效應(yīng)對(duì)柴油機(jī)燃燒排放特性的影響，精心設(shè)計(jì)了多因素模擬工況。在噴嘴結(jié)構(gòu)方面，選取噴孔直徑和噴孔錐角作為關(guān)鍵參數(shù)，噴孔直徑分別設(shè)置為0.15mm、0.18mm和0.21mm，噴孔錐角分別設(shè)定為120°、135°和150°，通過(guò)這樣的設(shè)置，全面涵蓋了常見(jiàn)的噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍，以充分捕捉噴嘴結(jié)構(gòu)變化對(duì)燃燒排放特性的影響。在EGR率方面，分別設(shè)置為0%、10%和20%，這三個(gè)數(shù)值代表了從無(wú)廢氣再循環(huán)到較高EGR率的典型工況，能夠有效地研究EGR率變化對(duì)柴油機(jī)性能的影響規(guī)律。通過(guò)將噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)與EGR率進(jìn)行組合，共設(shè)計(jì)了3×3×3=27種不同的模擬工況，具體工況設(shè)置如表4所示：工況編號(hào)噴孔直徑（mm）噴孔錐角（°）EGR率（%）10.15120020.151201030.151202040.15135050.151351060.151352070.15150080.151501090.1515020100.181200110.1812010120.1812020130.181350140.1813510150.1813520160.181500170.1815010180.1815020190.211200200.2112010210.2112020220.211350230.2113510240.2113520250.211500260.2115010270.2115020在模擬過(guò)程中，其他參數(shù)均保持一致。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1800r/min，這是該型號(hào)柴油機(jī)常見(jiàn)的工作轉(zhuǎn)速，能較好地反映其在實(shí)際應(yīng)用中的運(yùn)行狀態(tài)。噴油提前角設(shè)置為上止點(diǎn)前15°CA，該噴油提前角是經(jīng)過(guò)前期調(diào)試和優(yōu)化確定的，在該工況下能保證柴油機(jī)的良好燃燒性能。噴油持續(xù)期設(shè)定為2.5ms，以確保燃油能夠在合適的時(shí)間內(nèi)噴射進(jìn)入燃燒室，為燃燒提供充足的燃料。進(jìn)氣壓力設(shè)定為1.05bar，進(jìn)氣溫度設(shè)定為300K，這些參數(shù)模擬了柴油機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中的進(jìn)氣條件，保證了模擬的真實(shí)性。通過(guò)這樣的多因素模擬工況設(shè)計(jì)，可以全面、系統(tǒng)地研究噴嘴結(jié)構(gòu)與EGR率的耦合效應(yīng)對(duì)柴油機(jī)燃燒排放特性的影響，為后續(xù)的結(jié)果分析提供豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。5.2.2模擬結(jié)果深入分析通過(guò)對(duì)27種模擬工況的結(jié)果進(jìn)行深入分析，揭示了噴嘴結(jié)構(gòu)與EGR率耦合效應(yīng)對(duì)柴油機(jī)燃燒排放特性的影響規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系。在燃燒特性方面，不同的噴嘴結(jié)構(gòu)和EGR率組合對(duì)缸內(nèi)壓力和溫度分布產(chǎn)生了顯著影響。隨著EGR率的增加，缸內(nèi)壓力峰值普遍呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)EGR率從0%增加到20%時(shí)，在噴孔直徑為0.15mm、噴孔錐角為120°的工況下，缸內(nèi)壓力峰值從12.5MPa降低至10.8MPa，下降了約13.6%。這主要是因?yàn)镋GR率的增加使得燃燒室內(nèi)的氧氣濃度降低，混合氣的燃燒速度減緩，燃燒放熱量減少，從而導(dǎo)致缸內(nèi)壓力峰值下降。噴孔直徑和錐角也對(duì)缸內(nèi)壓力有明顯影響。較小的噴孔直徑和較大的噴孔錐角能夠使燃油霧化更好，燃燒更迅速，從而在一定程度上提高缸內(nèi)壓力。當(dāng)噴孔直徑從0.21mm減小到0.15mm、噴孔錐角從120°增大到150°時(shí)，在EGR率為10%的工況下，缸內(nèi)壓力峰值略有上升，從11.5MPa升高至11.8MPa，這是因?yàn)槿加挽F化的改善促進(jìn)了燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，使燃燒更充分，釋放出更多的能量。缸內(nèi)溫度也隨著EGR率的增加而降低。當(dāng)EGR率為0%時(shí)，缸內(nèi)最高溫度可達(dá)1900K；而當(dāng)EGR率增加到20%時(shí)，缸內(nèi)最高溫度降至1700K，下降了約10.5%。這是由于廢氣中含有大量的CO?、H?O等三原子氣體，它們具有較高的比熱容，能夠吸收燃燒產(chǎn)生的熱量，從而降低燃燒溫度。廢氣的稀釋作用降低了氧氣濃度，使得燃燒反應(yīng)的劇烈程度減弱，也導(dǎo)致了燃燒溫度的降低。噴孔直徑和錐角對(duì)缸內(nèi)溫度的影響較為復(fù)雜。較小的噴孔直徑和較大的噴孔錐角在一定程度上會(huì)提高燃燒溫度，因?yàn)樗鼈冇兄谌加团c空氣的混合，使燃燒更充分。在高EGR率工況下，這種影響可能會(huì)被EGR率增加導(dǎo)致的溫度降低效應(yīng)所掩蓋。當(dāng)EGR率為20%時(shí)，雖然較小的噴孔直徑和較大的噴孔錐角使燃油混合更好，但由于EGR率的增加，缸內(nèi)溫度仍然呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在排放特性方面，NOx排放隨著EGR率的增加顯著降低。當(dāng)EGR率從0%增加到20%時(shí)，在噴孔直徑為0.18mm、噴孔錐角為135°的工況下，NOx排放濃度從1000ppm降低至300ppm，下降了約70%。這是因?yàn)镋GR技術(shù)通過(guò)降低燃燒溫度和氧氣濃度，有效抑制了NOx的生成。噴孔直徑和錐角對(duì)NOx排放也有一定影響。較小的噴孔直徑和較大的噴孔錐角會(huì)使燃燒溫度升高，從而增加NOx的生成。當(dāng)噴孔直徑從0.21mm減小到0.15mm、噴孔錐角從120°增大到150°時(shí)，在EGR率為0%的工況下，NOx排放濃度從800ppm增加至950ppm，上升了約18.75%。在高EGR率工況下，由于EGR對(duì)NOx生成的抑制作用較強(qiáng)，噴孔結(jié)構(gòu)對(duì)NOx排放的影響相對(duì)減弱。然而，隨著EGR率的增加，HC和CO排放呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)EGR率從0%增加到20%時(shí)，在噴孔直徑為0.21mm、噴孔錐角為120°的工況下，HC排放濃度從50ppm增加到120ppm，上升了約140%；CO排放濃度從100ppm增加到250ppm，上升了約150%。這是因?yàn)镋GR率的增加導(dǎo)致燃燒室內(nèi)氧氣濃度降低，燃燒過(guò)程變得不完全，使得部分燃油無(wú)法充分燃燒，從而增加了HC和CO的生成。噴孔直徑和錐角對(duì)HC和CO排放也有影響。較大的噴孔直徑和較小的噴孔錐角可能會(huì)導(dǎo)致燃油混合不均勻，局部缺氧，從而增加HC和CO的生成。當(dāng)噴孔直徑從0.15mm增大到0.21mm、噴孔錐角從150°減小到120°時(shí)，在EGR率為10%的工況下，HC排放濃度從70ppm增加至90ppm，CO排放濃度從150ppm增加至180ppm，這是由于燃油混合效果變差，導(dǎo)致燃燒不完全，增加了HC和CO的排放。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的深入分析，明確了噴嘴結(jié)構(gòu)與EGR率的耦合效應(yīng)對(duì)柴油機(jī)燃燒排放特性的復(fù)雜影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮這些因素，通過(guò)優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)和EGR率，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的高效清潔燃燒，滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求。5.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證耦合效應(yīng)5.3.1耦合實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施為了驗(yàn)證噴嘴結(jié)構(gòu)與EGR率耦合效應(yīng)的模擬結(jié)果，開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)選用一臺(tái)型號(hào)為[具體型號(hào)]的直列四缸水冷式柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)與前文實(shí)驗(yàn)所用柴油機(jī)一致。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括電渦流測(cè)功機(jī)、Kistler缸壓傳感器、Horiba排放分析儀、AVL415S煙度計(jì)等，這些設(shè)備能夠精確測(cè)量柴油機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)和排放指標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選取了噴孔直徑為0.15mm、0.18mm和0.21mm，噴孔錐角為120°、135°和150°的噴嘴，分別在EGR率為0%、10%和20%的工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每個(gè)工況點(diǎn)重復(fù)測(cè)量三次，取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。實(shí)驗(yàn)工況的設(shè)置與模擬工況相對(duì)應(yīng)，便于對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)操作流程進(jìn)行。首先，啟動(dòng)柴油機(jī)，使其在怠速工況下穩(wěn)定運(yùn)行，檢查各設(shè)備的工作狀態(tài)是否正常。然后，逐漸增加柴油機(jī)的負(fù)荷，將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1800r/min，按照設(shè)定的工況調(diào)整EGR閥的開(kāi)度，控制EGR率。在每個(gè)工況下，安裝相應(yīng)的噴嘴，確保噴嘴安裝牢固，密封性良好。使用Kistler缸壓傳感器測(cè)量氣缸內(nèi)的壓力變化，通過(guò)AVL735S燃燒分析儀采集缸壓數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，得到缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線(xiàn)。采用二氧化碳示蹤法測(cè)量EGR率，在進(jìn)氣總管和排氣總管上分別安裝二氧化碳傳感器，通過(guò)連續(xù)測(cè)量進(jìn)排氣歧管的CO?氣體濃度，將CO?的濃度信號(hào)用A/D采集卡采入計(jì)算機(jī)，根據(jù)公式計(jì)算出基于體積比的EGR率。利用HoribaMEXA-7200DEGR排放分析儀測(cè)量排氣中的NOx、HC、CO和CO?等污染物濃度，在排氣總管上安裝采樣探頭，將采集到的排氣樣品送入排放分析儀進(jìn)行分析，得到各污染物的排放濃度。使用AVL415S煙度計(jì)測(cè)量排氣中的煙度，將煙度計(jì)的采樣探頭插入排氣總管中，讀取煙度值。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，密切關(guān)注柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)異常情況，立即停機(jī)檢查，排除故障后再繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，包括柴油機(jī)的工況參數(shù)、測(cè)量設(shè)備的讀數(shù)、實(shí)驗(yàn)時(shí)間等，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供全面準(zhǔn)確的資料。5.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬對(duì)比將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證耦合效應(yīng)的模擬準(zhǔn)確性。從缸內(nèi)壓力對(duì)比結(jié)果來(lái)看，在不同的噴嘴結(jié)構(gòu)和EGR率組合下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的缸內(nèi)壓力曲線(xiàn)與模擬結(jié)果在趨勢(shì)上基本一致，但在某些工況下存在一定的偏差。在噴孔直徑為0.15mm、噴孔錐角為120°、EGR率為20%的工況下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的缸內(nèi)壓力峰值為10.6MPa，而模擬結(jié)果為10.8MPa，偏差約為1.9%。這種偏差可能是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的測(cè)量誤差、柴油機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀況與模擬假設(shè)不完全一致等因素導(dǎo)致的。例如，實(shí)驗(yàn)中傳感器的精度、安裝位置以及柴油機(jī)的機(jī)械損失等都可能對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。在NOx排放方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果也具有較好的一致性。隨著EGR率的增加，NOx排放均呈現(xiàn)顯著降低的趨勢(shì)。在噴孔直徑為0.18mm、噴孔錐角為135°、EGR率從0%增加到20%的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的