（动力机械及工程专业论文）直喷式柴油机nox排放特性的模拟计算研究.pdf

摘要 本文在广安博之的油滴蒸发准维燃烧模型的基础上，结合生成 n 0 。的详细化学动力学机理，建立了直喷式柴油机的n 0 。生成模型， 并通过实验验证本文建立的模型的正确性，进而用模型研究影响直喷 式柴油机燃烧过程中n o 。生成与排放的主要因素。 本文在详细分析了模拟直喷式柴油机燃烧过程的零维模型、准维 模型和多维模型各自的特点后，对柴油机的准维燃烧模型作了合理简 化。详细地研究了直喷式柴油机燃烧过程中生成n q 的详细化学动 力学机理，包括热力型n o 、瞬时型n 0 生成机理及n 0 2 生成机理。 用m a n ，a b 科学计算语言编制了柴油机n 0 。排放模拟计算程序。 用z h l l l 5 直喷式柴油机的台架试验结果来验证模型预测的精度，预 测的气缸压力和n o ；排放浓度与实测数据比较吻合。首次对柴油机 运行范围内n o 。排放特性进行了模拟计算，并与实测结果进行了对 比分析。 应用模型分析了影响直喷式柴油机n o x 排放的主要因素之一的喷 油正时对n o x 排放的影响情况。模拟结果和实验结果都表明，推迟 喷油，可以减少预混燃烧所占的比例，降低最大燃烧压力，从而减少 直喷式柴油机的n o ，排放。 关键词：柴油机，燃烧模型，n o x 排放，z e l d o v i c h 机理 a b s t r a c t i nt 1 1 i sp a p e r ，n o xf o r m a t i o nm o d e lo f d 沁c t e c t i o n d i e s e le n g m e s w a se s t a b l i s h e d ，w h i c hc o m b i n e st 1 1 eq u a l s i d i m e n s i o n a ls p m yc o m b u s t i o n m o d e lb a s e do nh i m y u k ih i r o y a s u sm o d e lw i t l lm ed e t a i l e dc h e m i c a l k m e t i c sm e c h a n i s mo fn 0 xf o m a t i o n t h ee x p e r i m e n t a ls m d yp r o v e s m a tt h em o d e lh a s9 0 0 d p r e c i s i o n ，s oi tc a nb e 印p l i e d t oe x p l a i nt 1 1 em a i l l f a c t o r sw h i c ha 髓c tn 0 。f o m a t i o nd 耐n gt 1 1 ec o m b u s t i o no fd 沁c t i n j e c t i o nd i e s e le n g i n e s a r e rad e t a i l e da n a l y s i so fm ec h a l r a c t e r i s t i c so fz e r 0 - ，q u a s i - ，a n d m u l t i - d i m e n s i o n a lm o d e l so fd 量r e c ti n j e c t i o nd i e s e ie n g i n e s ，w em a k e p r o p e rs i m p i 茁c a t i o n s o nt 1 1 e q u a l s i - d i m e n s i o n a i c o m b u s t i o nm o d e la t m es 姗et i m e ，也em i n u t ec h e m i c a lk i n e t i c sm e c h a n i s mo f n o xf o m a t i o n ， d u r i n g m ec o m b u s t i o no fd i r e c t i 面e c t i o n d i e s e l e n g i n e s ，h a s b e e n d e t a i l e d l yi n v e s t i g a t e d i nt l l em o d e l ，t h em e c h a n i s m o fn o xf o i m a t i o ni s 山e s y n 血e t i c o f 廿l ee x t e n d e dz e j d o v i c hm e c h a l l i s ma l l df e l l i m o r e m e c h a l l i s mo f n of o m a t i o na sw e l la sn 0 2f o m a t i o nm e c h a l l i 锄 o nm eb a s i so f t l l em o d e l 也ea u t h o rw r o t em ep r o g r 锄sw i t ht h e s c i e n t i f i cc a l c u l a t i n gp r o g r 锄m i n gl a n g u a g e m a t l a b t l l es i n l u l a t i o n r e s u l t sh a v eb e e nc o m p a r e dw i 廿1e x p e r i m e n t a ld a t ao nas 洫西e c y l i n d e r d i r e c ti n j e c t i o nd i e s e le n g i n e 胁d i c t e dc y l 洳d e r p r e s s u r ed i a g r 啦a n d t l l e c h a r a c t e r i s t i c so fn o xe m i s s i o ns h o w a c c 印t a b l eq u a l l t i 枷v ea g r e e m e m w i 廿lt 1 1 ee x p e r i m e n t a ld a 协ap a m m e t r i cs t u d yo ft h ee 舵c to fv 撕a t i o n i ni n j e c t i o nt i i i l i n gi s 血e nc a r r i e do u t b o mm es i n l u l a 廿0 nr e s u l t s 锄d e 邵- e r i m e n t a ld a t as h o w t 1 1 a td e f e n di n j e c t i o nt i i n i n gl e a d st od e c r e a s e s i nc o m b u s t i o n p r e s s u r e 锄dn o x c o n c e n t r a t i o n k e y w o r d ：d i e s e l e n g i n e ，c o h l b u s t i o nm o d e l ，n 0 xe m i s s i o n ，z e l d o v i c h m e c h a n i s m 警5 乏9 咖 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以 将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。 学位论文作者签名： 不保密团 j 而 i 俨年5 月s 日 指导教师签名逻j 南心 。一一 年6 月多日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：j 蔼 日期：修g 月岁日 江苏大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 直喷式柴油机排放控制的现状 汽车是当今大气污染的最大污染源之一已经被许多国家调查所证实。现在， 世界上大约有两亿辆汽车，其中大部分在城市行驶，这些汽车每年排出两亿吨 氧化碳，四千万吨碳氢化合物，两千万吨氮氧化合物等有害气体。而且，随着汽 车数量的逐年增加。汽车排放到大气中的有害物质还会随之增加【1 】。 早期关于汽车排气净化的研究工作大都集中在汽油车方面对柴油机有害排 放物形成机理研究不多。就世界范围而言，汽车柴油化已经成为一个不可逆转的 趋势，在提供较好的动力性与经济性的同时，柴油机的微粒p m 和氮氧化合物n o 。 排放对于环境和人体健康的危害逐渐为人们所认识。限制柴油机n o 。排放的法规 也从无到有，从宽松到严格。柴油机排气中c o 和h c 比汽油机少得多，n o 。排放 量与汽油机相近，只是排气微粒较多。而且柴油机具有油耗低，经济性好的优点， 因此被认为是一种高效率的内燃机。近年来，由于柴油车在汽车中所占份额不断 增加，以欧洲为中心正在推广柴油机轿车，各国对汽车排放污染的控制日益严格， 特别是对微粒物质的危害性有了进步的认识，柴油机有害污染物生成机理和控 制技术的研究才受到普遍重视。表1 1 1 3 分别为美国、欧洲及中国限制柴油车 排放的法规【2 j 。 柴油机作为热效率较高的动力机械，还广泛应用于农业机械、交通运输、发 电、国防等国民经济的各个领域。随着环境保护的日益严格各种用途的柴油机 均有相应的排放法规限制。 柴油机排放主要是n o x 和p m 。氮氧化合物n o 。是n o 、n 0 2 、n 2 0 3 、n 2 0 、 n 2 0 5 、n 2 0 4 以及n 0 3 的统称。柴油机在燃烧后所排出的氮氧化合物主要是n o 、 n 2 0 和n 0 2 ，其中n 2 0 和n 0 2 的比例较小，所以所谓n o 。排放实际上主要是指 n o 的排放。n 0 是一种无色并具有轻度刺激性的气体，它在低浓度时对人类健康 无影响，高浓度情况下能造成人与动物中枢神经系统障碍。尽管n 0 的危害性不 大，但n o 在大气中可以被臭氧氧化，成为毒性为n o 五倍的n 0 2 。n 0 2 是一种 江苏大学硕士学位论文 赤褐色刺激性的气体，它被吸入人体后与血红蛋白作用，成为变性血红蛋白，从 而降低血液的输氧能力，它对心、肝和肾等也有影响。n 0 2 还可以与某些烃类发 生化学反应生成光化学烟雾，危害人类的健康【3 j 。 微粒p m 是指包括碳粒、凝聚在碳粒上的重碳氢化合物以及硫酸盐三部分组 成。柴油机排出的固体颗粒的化学组成主要有三部分：燃烧过程中产生的干碳烟， 吸附在干碳烟上的大分子h c 和硫酸盐。吸附在于碳烟上大分子h c 即指有机可 溶成分( s o f ) 。有机可溶成分的产生主要来源于润滑油、未燃燃油及燃烧中间产 物。1 9 8 8 年6 月，世界癌症研究组织( i a r c ) 指出：柴油机排出的微粒可能致癌 4 1 表l ，l 美国环境保护署( 巳p a ) 对重载柴油机摊放的限值 ( 单位：g ( 幼- ) ，1 9 ( 幼厅) = 1 3 6 占，( 七缈 ) 年份h cc on o 。p m n m h c 1 9 9 01 31 5 56 0o 6 0 1 9 9 11 31 5 55 ，oo 2 s 1 9 9 41 31 5 55 o0 1 0 1 9 9 s1 31 5 54 0o 1 0 2 0 0 4 1 31 5 5 2 4 0 1 0 ( 选择1 )( n o ，+ n m h c ) 2 0 0 42 ，5 ( 选择2 ) 1 31 5 ，5o 1 0o 5 0 ( n 0 ；+ n m h c ) 2 0 0 70 2 00 0 10 1 4 表1 2 欧洲重型柴油车和客车发动机捧放标准( 单位：g ( 七 ) ) 阶段实旆时间测试循环 h c n o 。 p m 1 9 9 2 ( 8 5 4 ，51 180 6 1 2 k w e u r 0 1 1 9 9 2 8 5 k w e c e r ，4 9 4 51 i80 3 6 1 9 9 6 141 1 70 2 5 e u m 2 1 9 9 8 141 170 1 5 1 9 9 9 1 0 e s c e e v so n l ye l r 】5o 2 520 0 2 e u r 0 3 2 10 6 650 1 2 0 0 0 1 e s c o 1 3 e u r 0 42 0 0 5 1 e l r 1 50 4 63 50 0 2 e m 52 0 0 8 11 5o 4 620 0 2 2 江苏大学硕士学位论文 表1 3 我国车用柴油机排气污染物排放限值法规( 单位：g ( 七 ) ) 比排放量 序号实施日期 p m c oh c n o 。 8 5 k w 2 0 0 0 1 14 51 18 o0 6 1 a ( 2 0 0 1 1 1 )( 4 9 )( 1 2 3 )( 9 o )( 0 6 8 ) 2 0 0 5 1 14 o1 17 00 1 5 b ( 2 0 0 6 1 1 )( 4 o )( 1 1 )( 7 o ) ( 0 1 5 ) 注：括号内为产品一致性检查 根据z e l d o v i c h 机理，n o ，的生成是来自氮气( n 2 ) 与氧气( 0 2 ) 的反应，它是 氧气过剩的情况下，由于燃烧室的持续高温而形成的。因此可知，n o 。的生成主 要有两个基本条件，即富氧和高温。降低n o 。概括起来有以下两种途径。 ( 1 ) 减少或抑制n 0 。的生成。通过调整和改进燃烧过程，从根本上避免生成 n 0 。的条件，特别是避免产生气缸内高温，以减少或抑制n o 。的生成，也就是机 内措施。如优化喷油系统、优化燃烧室结构参数、采用增压中冷技术、采用废气 再循环( e g r ) 【5 【6 、采用乳化水燃油和向燃烧室直接喷水( d w i ) 技术【7 1 、燃用 二甲醚 8 】、多孔介质( p o r o u s 咖e d j 姗) 燃烧技术【9 】【1 0 1 。 ( 2 ) 在排气系统中转化气缸内生成的n o ，。通过各种废气净化处理装置，把 n 0 。转化成无害排放物，也就是机外措施或后处理技术。如s n c r 、s c r 、n s c r 、 n s r 、s n r 催化还原装置【1 ”、n o 。吸附器和非热能等离子( n t p ) 技术【。舶。 机内措施，可使n 0 。含量降低约8 0 ，但是由于主要是依靠降低最高燃烧温 度来实现的因此油耗率会明显升高【l 。另一方面，由于柴油机存在著名的微粒 一n 0 。折衷曲线( p a n i c u l a c e n o x 廿a d e o f rc u r v e ) f 】3 】，目前的机内措旅还很难使 n 0 。和微粒排放同时下降。为了使油耗不升高又能达到n o 。排放法规要求，机外 措施似乎是更好的选择。然而，机外措施必然带来成本的增加同时许多n 0 x 催 化转换器达到较高效率的前提是必须使用超低硫含量的柴油，如s c r 系统f 1 2 1 。在 我国目前要广泛应用这些机外净化技术还很困难。 综上所述，环境保护和节约能源的要求使内燃机的设计大为复杂化，要求在 严格的排放限制和燃油经济性标准下，获得最佳的使用特性。为了应付这个挑战， 燃烧模型这一工具就显得越来越重要了。通过对燃烧模型的研究，我们逐渐对发 江苏大学硕士学位论文 动机的燃烧和排放形成等复杂过程有了更精确、更细致深入的认识，有了理论的 指导，我们才能更快地找到解决问题的最佳途径，少走弯路。 1 2 直喷式柴油机模型研究的发展和现状 自上个世纪7 0 年代开始以激光技术为核心的新的燃烧过程测试技术得到迅 速发展，应用激光多普勒测速法( l d v ) 、相干反斯托克斯拉曼散射法( c a r s ) 、 微粒图象测试法( p i v ) ，以及用激光光片法和激光荧光法结合c c d 摄像机及数 字图象处理技术可以测定瞬态喷雾粒度场、浓度场、温度场、紊流场、速度场 等分布问题【。5 。这些先进的测试技术使得人们对内燃机燃烧过程的研究越来 越深入细致，对燃烧机理有了更深的认识，从而为内燃机燃烧过程的数值模拟奠 定了坚实的基础。燃烧过程是内燃机工作循环的一个重要阶段，对内燃机的性能 和有害气体排放有举足轻重的作用，所以内燃机工作过程模拟中，对燃烧模型的 研究最多。 内燃机燃烧模拟的主要任务是通过对内燃机进气、燃油雾化及着火、燃烧、 排气等工作过程进行计算机仿真，将这些短暂得难以看清和定量分析的动态过程 尽可能准确地展现出来，用数学模型对其进行定量地描述，为深入研究其内在机 理提供有效的手段和方法。 概括起来，燃烧模型之所以得到迅速发展，有以下三点： 1 ) 由于模型比较客观实体更容易掌握和控制，从中可以得到一些实验难于或 不能测得的结果，有利于更全面、更深入地认识燃烧物理化学过程的规律和细节。 通过假设模型验证改善模型进一步验证，深化人们对燃烧机理的理性认识。 2 ) 利用模型进行参数分折，可以揭示发动机性能随运转和结构参数变化的规 律，有助于识别出对燃烧起关键作用的因素，从而指导更合理和经济地安排试验 工作，以减少试验的盲目性。 3 ) 由于模型能在广泛的参数变化范围内进行预测，所以可用于实际燃烧装置 研制前的方案比较。在模型足够精确时，可进行参数优先和优化设计缩短研制 周期，提高研制水平。 经过许多学者相继工作，已涌现出多种多样的柴油机燃烧模型，尤其自1 9 7 4 年以来，对于燃烧模型开发应用的兴趣日益增长起来。燃烧模型大体上可分为三 4 江苏大学硕士学位论文 类：零维模型( 有时称之为热力学模型) 、准维模型( 有时称之为现象学模型) 、 多维模型( 有时称之为详细的通用模型) 。 1 零维模型 零维模型就是假定气缸内工质均匀分布，各种热力学参数和热物性参数处处 相等，即随时处于热力学平衡状态，因此零维模型又叫做热力学模型。零维模型 主要用于根据已知的示功图计算放热规律和用经验的放热规律预测示功图两方 面，但它无法描述喷雾、油滴蒸发、混合、卷吸及工质运动等重要物理过程以及 非均匀温度场对有害摊放产物的影响，因而不能用于有害废气浓度预测。 2 准维模型 在准维模型中，则考虑了缸内的非均匀性，根据缸内燃油空气非均匀分布的 经验关系式恧把燃浊喷注划分成若于个小送域，每个小区域即是一个独立的热力 学系统。同时也考虑了有关区域中进行的过程都受到气缸内紊流的影响。整个模 型是由柴油机中概念化了的单个过程如喷油、喷雾破碎、混合气形成、放热、传 热以及排放物的生戍等组成，而n o ；的生成大多采用z e l v i 曲或扩展的z e l d o v i c h 机理计算。 3 多维模型 在多维模型中，在遵循质量、动量秘能量守恒的基础上，进一步考虑燃烧室 中工质成分、温度及流动等三维结构，通过求解支配燃烧现象的物理、化学过程 的基本微分方程，可以确定工质的流动特性、温度及燃烧产物浓度等参数的空间 分布，具体地讲是在燃烧室中翅出很纽的二维或三维网络，赐数值方法对一组互 相耦合的微分控制方程进行求解，在解得缸内温度场分布的基础上用z e l d o v i c h 或扩展的z e l d o v i c h 机理计算n o 。排放。 燃烧模型的不断发震给内燃机燃烧研究和设计注入了新懿矮力，全面合理逸解 释了研究实践中发现的一些现象，使传统设计方法正逐步走向电子计算机系统优 化设计。而零维模型和准维模型的实用性使它已渗透到内燃机设计和研究领域中， 成为一种研究手段和工具，正如g t a n d 酪c h 指出：纯学者关心的是燃烧鲍真正 机理而设计工程师则需要快速求解的数学模型。著名内燃机专家b o m a n 也认 为，在工程实践中，最详细而理论的模型并不一定最好，能最省钱的完成规定任 务一般就最好。对于多维模型，在目前从偏微分方程出发，求其数值懈的普遍方 江苏大学硕士学位论文 法是很难实用的。正因为如此，准维模型才得以发展完善，成为燃烧模型的主角。 最近几年应用准维模型对n o ；排放进行模拟计算的研究很多，但综观发表的 文献，以往关于柴油机n o 。排放的模拟计算，均是对一些特定工况进行模拟计算 对比，对柴油机整个运行范围内n 0 ，排放特性的模拟计算与对比分析还很少有报 道。对一台特定的发动机而言，如果能得出整个运行范围内n o 。排放特性，有助 于了解发动机n 0 。排放较高及较低的运行区域，以便采取相应的措施。 1 3 本文内容 本文在广安博之的油滴蒸发燃烧模型的基础上，结合生成n o 。的详细化学动 力学机理，对直喷式柴油机运行范围内的n o 。排放特性进行了模拟计算，并与实 验结果进行了对比分析。第一章简要地讨论了直喷式柴油机排放控制的现状以 及燃烧模拟技术的现状、发展趋势和其在排放控制中发挥的作用。第二章回顾了 柴油机燃烧模型的发展历程和目前已提出的各种燃烧模型( 零维模型、准维模型 和多维模型) ，分析各自的优缺点以及它们在内燃机设计和研究中的应用。第三章 则详细描述了所建立的n o 。生成模型包括喷雾油柬破碎、传热、燃烧热力学、 化学平衡和瞬时n 0 、生成等5 个子模型，同时介绍了作者基于此模型编制的计算 程序。第四章在发动机运行范围内对n 0 。排放特性进行了模拟计算，并通过测量 一台直喷式柴油机燃烧过程及n o 。排放与模型预测的结果进行对比，以验证模 型的准确性，同时应用模型模拟的结果，讨论了影响n o 。排放的主要因素。最后， 对全文进行了总结，并对未来工作提出了一些展望。 6 江苏大学硕士学位论文 第2 章直喷式柴油机燃烧过程数学模型回顾 本章回顾了柴油机燃烧模型的发展历程和目前己提出的主要燃烧模型，分析 各自的优缺点以及它们在内燃机设计和研究中的应用。 2 1 柴油机零维模型的发展现状 对于零维模型的计算，常常有以下的基本假设： ( i ) 缸内工质的状态均匀，即同一瞬时气缸内各点的压力、温度和浓度处处 相等。并假定在进气翅闯，通过系统边界进入气缸内的空气与气缸内的残余废气 实现瞬时的完全混合。 ( 2 ) 工质为理想气体，其比热容c 、内能u 、焓h 等参数仅与气体温度t 及 气体成分a 。( 瞬时过量空气系数) 有关。 ( 3 ) 气体流入或流出气缸的流动过程为准稳定流动过程，即在足够小的计算 步长妒内视为稳定流动。 ( 4 ) 不考虑燃油的喷射过程，认为燃油是在燃烧过程中不断加入的，加入过 程与喷油过程没有本质上的联系，只是加入的燃油总量与喷入的燃油总量相等丽 已。 按照这些假设，描述气缸内状态变化的能量守恒方程、质量守恒方程和理想 气体状态方程都是常微分方程。利用这三个方程联合求解，很容易得出气缸内压 力p 、温度t 及质量m 三个基本参数随曲轴转角p 的变化。 零维模型与其它模型的主要差别在于零维模型需要预先选择代用燃烧放热规 律，很多学者提出了放热规律的经验预测公式。内燃机零维模型计算中较常采用 韦柏半经验公式。这种方法是参考母型机的数据。选定韦柏公式中的一些经验系 数后用韦柏公式模拟实际发动机的燃烧放热率。韦柏公式( 又称韦柏函数) 中 的燃料燃烧百分数x 及x 的变化率如下【1 8 】： 一6 9 0 8 ( 生堕) m + 。 x = 1 一e 晚 r 2 1 1 ) 7 江苏大学硕士学位论文 芸黾螂字( 与导万6 瑚8 管，“ m ， d 妒妒z9 z 、。- 式中：m 燃烧品质指数； p 瞬时曲轴转角，。c 省 燃烧持续角，仡= 一纯，。c h 燃烧起始角，。c _ ； 燃烧终点角，。c h 。 燃烧品质指数小是表征放热率分布的一个参数，肌值的大小影响放热曲线的 形状，应根据机型、发动机转速等因素选取。韦柏放热率曲线的形状与低速柴油 机的实际放热率曲线很相似，与中速柴油机也基本相似，但是在高速柴油机中， 由于存在预混燃烧和扩散燃烧的双峰性，单个韦柏曲线与实际情况差异甚大。此 时，可用两条韦柏曲线按一定规则叠加的方法来模拟实际放热规律如图2 1 所 示。这种方法不仅接近实际，而且形象地把预混合燃烧和扩散燃烧分开考虑。x 。， 矗h 却代表预混合燃烧，：，d x ：d 妒代表扩散燃烧；r 代表预混合燃烧领先角： q 。代表预混合燃烧的燃料分数( 以下各式中均用下标p 表示预混合燃烧) ，奶代 表扩散燃烧的燃料分数( 以下各式中均用下标d 表示扩散燃烧) 。显然， q 。+ 如= 1 。总放热率捌却为： 删一赳i 。揖2 1 - - - 一 d 妒d 妒d 妒 等= 卜枷。睁吵护咖删妒“和卜 粤一帆+ 1 ) 6 9 0 一和一一一。删扩如一一矿b d 妒11 ( 2 1 3 ) ( 2 1 - 4 ) ( 2 1 5 ) 江苏大学硕士学位论文 在模拟实际燃烧过程中要恰当地选取吼、p 。、妒。等三个参数。其中吼对放 热规律影响虽大，其次是致。和吩a 而对于其它参数如r 、脚，、m 。在计算中可取 定值1 引例如直喷式柴油机取m 。= 3 ；肌d = 0 5 ：f = 7 。c h 。 田【 静 i 、z u 勘2 飞 义之 、l 1呀d 、 ， g0 。i ! 艮 图2 1 双韦柏曲线叠加的放热规律 其它一些经验拟合公式【2 0 】包括美籍华人林慰梓提出的三角形迭加法；我国学 者顾宏中教授等用两个韦柏函数分别拟合预混合和扩散燃烧过程。这些模型对于 分析、计算和预测内燃机性能起了重要的作用，能够预估燃烧过程中的主要性能 参数，实践证明其使用是有效的，目前仍被广泛采用。但是，在这类模型中，用 简单的数学关系掩盖了燃烧中物理一化学反应过程的本质，无法从机理上去把握 其规律性：另外，缸内均匀状态的假设， 计算的准确性又依赖于经验系数的选取， 不能预测n 0 ，及其它排放物的生成：而 恰当与否与内燃机的机型及运行条件有 很强的依赖关系。所以，这类模型是一些纯经验模型，有很大的使用局限性特 别是在排放物生成的预测上已无能为力。 2 2 国内外柴油机准维模型的发展现状 2 2 1 准维模型的提出及其构巯特征1 柴油机的燃烧，在空间上具有强烈的多相性和不均匀性，不同区域的工质可 能经历特征迥然相异的过程，而这在很大程度上是由燃料的喷注过程所决定。从 释放化学能的燃烧反应来看，同一瞬时，燃烧室内可能存在着以下几种区域( 见 9 江苏大学硕士学位论文 图2 2 所示) ： ( 1 ) 浓燃烧限以上的冷油核区。在该区域中，没有明显的燃烧迹象，但有可 能发生燃料的裂解反应，产生自由碳原子核和低分子碳氢化合物。 ( 2 ) 空气不足的较浓燃烧区。在这一区域中，燃料部分氧化，产物中含有较 多自由碳原子及一氧化碳。 ( 3 ) 接近化学当量比时进行的燃烧反应区域，燃烧温度最高。 ( 4 ) 空气富裕的稀燃烧区。其工质温度较低，燃烧更为安全。 ( 5 ) 在稀燃烧限以下的区域以及贴于缸壁的薄层中，由于反应温度过低而不 能完全燃烧( 火焰猝冷过程) ，产物中含有较多碳氢化合物。 从产生有害物的反应来看，这种空间的不均匀性更为突出： ( 1 ) n o 。将只在那些温度大于门槛值的高温中产生。而这一门槛值远远高于 燃烧室内的平均温度。各个区域中n o 。的生成量将取决于该区域的温度和氧原子 浓度的变化过程。 ( 2 ) h c 将只在火焰的淬冷层中及稀限以下的区域中留存。 ( 3 ) 碳烟的形成机理十分复杂，一般认为在浓燃烧区中产生的碳微粒，在随 后的稀释过程中大部分被烧掉。如果混合速率过低，燃烧区的温度降低，碳微 粒的聚团过程加速，就会导致碳烟排放的增加，而这一过程肯定将带有强烈的空 间特征。 己燃气 舯x 过稀伊区 衬嫱运燃区 h c 台区 ( t ) 氆) ( a ) 预混台燃烧阶段；( b ) 扩散燃烧阶段 图2 2 燃烧室分区示意图 由上述可见，柴油机燃烧过程是十分复杂的在燃烧过程中产生有害排放物 的情况更为复杂，应用零维模型是不恰当的。为了较为准确地模拟燃烧过程并计 l o 江苏大学硕士学位论文 算有害排放物的生成率，可采用准维燃烧模型。经过几十年的研究内燃机工作者 提出了各种各样的准维模型，这些准维燃烧模型都有以下一些共同的构筑特征： ( 1 ) 用半经验方程来计算燃油的喷注过程并由此确定燃油蒸气浓度场在燃 烧室中的分布。这种计算是在燃油不发生燃烧、燃烧室内空气没有涡流的前提下 进行的。同时假定燃烧对这种浓度分布不产生影响，因而这一浓度分布可以适用 于整个燃烧过程。对于空气涡流的作用只是在形式上考虑了雾束的轴线、截面、 贯穿长度等随空气涡流发生的变化，而未涉及涡流与油气的混合、燃油蒸发之间 的相互作用。 ( 2 ) 将这一瞬变的、轴对称的雾束浓度场划分为若干个子区，每个子区视为 一个零维化学一热力学系统，并由能量方程、化学平衡方程等约束条件来确定子 区的热力学参数与化学组分。 【3 ) 这些子区是不连续的，就是说各个相邻子区彼此独立。它们原有的在喷 注过程计算中的空间几何位置在化学一热力学计算中不再有任何意义。但是所有 的子区将共同遵守总的相容性准则，即燃烧室内所有子区的总质量守恒、总能量 守恒、总体积满足外部约束条件等等。 ( 4 ) 传热总量仍然用燃烧室内的质量平均温度计算，并分摊到各介子区。 ( 5 ) 排放计算仅考虑有害气相排放物和碳烟。 2 2 2 国内外柴油机的各种准维模型 从上节介绍的柴油机混合气形成和燃烧过程可以看出，混合过程是支配燃烧 过程的重要一环而柴油机的混合过程又受喷雾、油滴蒸发、空气卷吸、碰壁及 气流运动等许多因素影响，所以柴油枧准维模型远比汽油机复杂得多。下面首先 介绍国外比较成熟的两类模型：气相喷注燃烧模型和油滴蒸发燃烧模型。 1 气相喷注燃烧模型 气相喷注燃烧模型由美国c 呦i l = 临公司于1 9 7 0 1 9 7 6 年提出并完善，本模型 主要用于模拟计算有害排放物如n o 。等生成率，也可用于计算柴油机工作过程参 数。据报道，应用本模型预测n o 。生成率时。与实测值相比较，误差为2 5 【埔。 下面详细介绍该模型的构筑过程和计算原理。 江苏大学硕士学位论文 燃油在高压条件下喷入高温高压的柴油机燃烧室内，很快破碎成细小的油滴， 并迅速蒸发。雾束和空气之间的速度差导致油气间进行质量、动量和热量的交换， 雾束不断减速同时体积扩展，造成燃烧室内工质速度、温度和燃空比分布的不均 匀性。 在滞燃期内，一部分喷入的燃油和足够量的空气混合，形成可燃混合气并在 多个着火点开始着火。在油核中油气混合比太浓不能燃烧，以后由于空气不断卷 入并越过燃烧的可燃浓限分界面而逐渐燃烧。燃烧放热率取决于当地的燃空比， 也就是取决于空气卷吸率。氧化氮和碳烟生成也是由当地燃空比和温度所决定的， 很明显，整个柴油机的燃烧及污染物生成过程都是由喷注混合过程所控制的。 在喷注混合过程计算中，喷注被当作气象射流处理，浓度分布是连续的。在 雾束上主观地迭加一组离散的燃烧区，各个子区相互独立，每个子区内视为满足 零维假设，因此能量方程和化学平衡方程可用常微分方程表达。燃烧区的发展如 图2 3 所示。 簪l ( a ) 在n 个区中开始着火( b ) 继续卷吸和混合物准备 ( c ) 喷射结束继续混合 图2 3 燃烧区的发展演变 在着火瞬间，将雾束外缘的可燃稀限线和油核附近的可燃浓限线所包围的区 域看作是预混合可燃混合气区域。按照等油量原则将可燃混合气区划分成若干 个子区，认为每个子区中化合物的特性参数是一致的。着火以后，由于空气不断 1 2 江苏大学硕士学位论文 卷入，有更多的燃油从油核变成可燃混合物，直到所有的燃油被分完为止。由此 可见，燃烧区的数目随时间而增加。跟踪各个区对其质量、成分及能量作平衡计 算，同时进行各个燃烧区污染物生成反应动力学计算。 2 油滴蒸发燃烧模型 1 9 7 6 年，日本广岛大学广安博之等人发表了一种准维模型。这个模型认为燃 料液滴的蒸发是控制燃烧过程的基本要素，而燃油蒸气与空气的混合及燃烧极为 迅速，可忽略不计。因此将喷注按时间微元分成若干单元，再沿径向分成若干锥 环单元，每个单元内又仅有若干同一直径的液滴，且温度均匀，将单一液滴的蒸 发理论扩展到单元中，计算液滴的蒸发和着火延迟，而不同单元间没有火焰传播， 没有互相掺混。该模型的具体描述详见第三章。 3 我国对准维模型的发展 我国内燃机工作者面对准维模型的蓬勃发展，对国外提出的各种模型进行发 展和完善。袁中庄等人研究了非直喷式柴油机气态污染物的形成历程，建立了c 0 形成模型【列：林建生提出一种新的描述射流燃烧室燃烧特性的方法【2 4 1 。下面重点 介绍天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室对准维模型所作的改进。 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室于1 9 8 9 年提出了一个新的直喷式柴油 机现象学模型口5 1 ，对柴油机准维模型的发展做出了重要贡献。该模型将一个喷注 分成燃烧区( 6 区) 、喷雾混合区( ，区) 、产物区( 印区) 、空气区( 口区) 四个 开口热力学系统突出了介质卷吸运动，首次提出：随着燃油的喷射，不仅有空 气卷入混合区，还有燃烧产物卷入混合区，产物的卷入直接提高了混合区温度 促进了着火过程，另外还有空气向产物区的掺混，降低了产物区的温度，进而影 响发动机动力性和经济性，并降低n o 。的排放。该模型定义了两个系数，即产物 向混合区的卷吸系数口和空气向产物区的掺混系数卢，因此， 喷射过程中总卷吸率咖。，却= c 1 - s 矗咖l 如一咖却，却一咖，却 停喷后总卷吸率咖。却= 咖，却+ 拥，即却 空气向混合区的卷吸率咖，。却= ( 1 一口) ( 1 一口) - 肌。+ 口肌即 咖。，d 尹 江苏大学硕士学位论文 产物向混合区的卷吸率咖j 却d 尹= 口州扣【( 1 一口) m 。+ a 所印 拥。却 空气向产物区的掺混率咖印。d 妒= 。咖，却却 经过对6 1 3 0 柴油机模拟计算并与实验结果对比发现，口越大，产物卷吸率越 大，最高燃烧温度越高，口= o 3 5 比较实用；p 越大，缩短了产物区高温持续时 间，对n o 。影响很大，这与m a t s u o k a 等人 2 6 】对己燃气体再度卷吸现象的解释是 一致的。 1 9 9 1 年，天津大学内燃机燃烧学国家重点试验室发展了这个模型，加入了 喷注碰壁及沿壁面扩展过程，用实验得到的喷注及附面层浓度分布规律描述了喷 注的湍流耗散过程，计算结果经与实验结果比较，最高燃烧压力误差不超过1 ， 最大压力升高率误差不超过4 n 0 。误差在o 6 2 8 之间。 2 2 3 准维模型发展的几个关键问题” 准维模型发展至今，尽管很大一部分模拟计算程序已实用化，但仍有不完善 之处，继续完善准维模型将遇到下列问题： ( 1 ) 柴油机的喷注究竟应当简化成气象射流还是简化成喷雾蒸发模型。对这个 问题，许多学者的看法不尽一致。大阪大学高城螟美认为：液滴在喷嘴出口处就 蒸发完毕，液滴仅存于火焰上游部，距出口l c m 以内不存在火焰。而燃料蒸气则 能运动到喷注下游，一边流动一边与空气混合，火焰前锋的热发生率高。着火发 生在喷注周边靠近喷嘴方向，并迅速扩展，在广泛的区域内不存在液滴的紊流扩 散燃烧。而田边秀明刚认为高温高压静止气体中的喷雾动向和同密度常温气体中 相同仅热交换量大蒸发得快。左藤顺一等人对高温高压气体中的喷雾动向进行 研究后发现：当喷雾刚形成时气缸压力较低，最初看到的是一边燃烧一边飞行着 的液滴，接着看到蓝焰，蓝焰内部有液滴扩散燃烧产生的辉焰，而气缸压力提高 后就看不到一边燃烧一边飞行的液滴了。斯维利朵夫则观察到油粒一个跟一个地 向前运动，消失于喷注前锋。天津大学内燃机燃烧学国家重点试验室的研究表明： 可将喷注看成携带弥散油滴的气态喷注，仅仅提高蒸发率并不能提高混台率，但 在某些工况下，喷注的破碎长度和喷嘴到燃烧室壁面的距离相当，油滴蒸发成了 控制因素。从这些研究结果可以看出，对不同的气缸内温度、喷射压力，喷注的 1 4 江苏大学硕士学位论文 特性是大不相同的，不是总能用一种简化模型来描述的。因此，如何划分这两类 模型的适用范围及发展简便实用的两相射流蒸发混合模型己成为准维模型发展的 关键之一。 ( 2 ) 喷注碰壁后的动态。在中小型柴油机中，喷注碰壁现象不可避免，喷注的 反溅对混合有极重要的影响。但如何描述碰壁现象，如何表征气缸内充量运动对 喷注碰壁的影响就成为柴油机准维模型发展的另一个关键问题。因此很多学者都 在研究喷注碰壁现象用各种测量手段测量碰壁后速度、浓度的时空分布。川上 雅由等人对8 孔喷嘴用于大型柴油机静止室的研究发现，喷射开始后约6 0 c 省即着 火，1 0o c 才碰壁。n o b i h i k o 等人对直喷式柴油机浅盆式燃烧室的油柬碰壁现象 研究后发现：混合气的形成和燃烧速度随碰壁而气化的那部分的燃油量的增加而 增加，即燃烧速度由燃油蒸气的紊流混合过程所控制，不总能由油滴分布单独解 释。天津大学内燃机燃烧学国家重点试验室运用c 0 2 气体模拟喷注碰壁，测得的 浓度、速度分布结果证实：壁面浓度呈线形衰减，浓度梯度很大，说明附面层相 当稳定，混合困难。 与碰壁现象同时影响柴油机混合过程的还有气流运动及燃烧室壁。广安博之 研究发现；燃烧室壁面温度对着火延迟略有影响，碰壁减少着火延迟的原因是喷 雾形状变化促进了蒸发和热交换，壁面形状及碰壁角度对着火延迟的影响仅在环 境压力低于3 m p a 有效。n o b i h i k o 等人认为：在停喷后贯穿作用消失，油柬轮廓 随碰壁而改变，空气卷入和膨胀受室壁限制，所以随负荷升离存在着一个最大燃 烧速度。腾本原等人在对多个喷束的相互作用进行研究发现，喷雾锥角和贯穿距 离不受影响，空气向喷嘴方向流动，喷雾轴线互相吸引。天津大学内燃机燃烧学 重点实验室研究证实：对气缸直径小于1 3 5 m m 的直喷式柴油机，涡流对喷雾轴线 无明显影响，只是边缘油气和小油粒被吹偏，使喷注一边平坦光滑一边弯曲模糊。 但涡流对碰壁反溅部分的吹偏作用较强，加快了混合过程，也证实了碰壁加速混 合的结论。 ( 3 ) 有害排放产物生成模型问题：预测有害排放物是准维模型的主要任务之 一，但至今对有害排放产物的生成机理还不十分清楚。关于n 0 。的生成，一直使 用的是扩充的z e l d o v i c h 机理。森康夫等人对一维丙烷火焰的研究发现：n o 不仅 在火焰带中产生( 称为p r o m p t n o ) ，还大量产生于火焰尾流中，燃空当量比 1 】5 江苏大学硕士学位论文 时，p r o m p t n 0 几乎没有，大部分n o 在尾流中产生，除n o 、n 以外其他产物 均已达到平衡，可以用扩充的z e l d o v i c h 机理计算：l 驴 1 4 时p m m p t n o 大量生成， 尾流中几乎没有n o 生成，用最高火焰温度下的平衡浓度计算n o 生成。 关于碳烟生成机理，一直采用t e l l s e r 的三阶段说，即 ( a ) 燃油自发形成原子团。原子团浓度h o = 1 2 5 1 0 “p ，- e 一“ ( b ) 成核。核生成速度鲁= + 1 0 嘶一g 。埘，其中g o = 1 0 “5 - 为系数。 ( c ) 成粒。微粒生成速度m p = 万，6 d ，3 砟( 1 0 5 6 ) 仃，其中6 = 8 1 0 。4 。 1 9 9 0 年，日本丰田公司的中北清已修正了t e n s e r 模型，考虑了岛和6 随气缸 压力口、温度丁的变化，修正为： 9 0 = g o ，( t ，) ( p 阿p ) 6 = 6 呵( 1 ) 。( p 町，p j ) 其中下标r e f 为t c n s e f 的实验状态：d 1 m p a 、1 9 0 0 k 中北还对比了f a r n l e r 模型卅p = c - 丁4 乃芦凡7 p d 7 盯，认为t e n s e r 模 型在燃烧结束后碳粒生成速度不为零是不妥当的，应当用f 枷e r 模型修正，即碳 粒生成速度取两个模型计算结果中较低的。 关于h c 和c 0 的生成还没有公认可行的模型。 2 3 多维模型 在准维模型和零维模型中，时间( 或曲轴转角) 是唯一自变量因此控制方 程都是常微分方程，求解这些常微分方程组时数值计算比较简单，计算成本比较 低。这些模型可用于研究发动机设计参数、运行参数变化时对内燃机动力性能、 经济性能和排放性能的影响。但是他们的共同缺点是难于精确计算燃烧室几何参 数变化、缸内气流状况变化对燃烧过程的影响，只有多维模型可以做到较精确计 算。 1 6 江苏大学硕士学位论文 多维模型，又称为流体精细模型。多维模型中自变量是空闻的三维坐标x 、y 、 z ，再加上一个时间坐标t ，因此控制方程是复杂的偏微分方程组。控制燃烧过程 变化的基本偏微分方程有：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、化学 成分守恒方程和气体状态方程。另外还有传热方程、传质方程、化学反应方程 以及扩散速率与浓度的关系式、摩尔分数与质量分数的关系式等方程式。 由质量守恒、动量守恒、能量守恒、化学组分守恒方程等组成的多维模型的 控制方程可以写成统一的形式【l s l ，即： a_ ( p ) + 甲( p ) 一可( v ) = s p ( 2 3 一i ) o r 式中，待求的未知量；l 对应于庐的交换系数： 咒相应的源项；p 流体的密度： 速度矢量 上式中各项依次称为非定常项( 或时间导数项) 、对流项、扩散项和源项。从数学 观点上看，各个守恒方程的差别主要是源项各个方程的源项表达式是不同的。 多维模型就是对这组方