（动力机械及工程专业论文）降低sofim柴油机排放的理论分析与试验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 柴油机以较高的热效率及良好的可靠性，广泛应用于交通工程机械领域。随 着世界范围内汽车排放法规的日益严格，柴油机排放问题更显突出。 本文采用广安一角田的油滴蒸发燃烧模型，并根据z e l d o v i c h - n o 的生成机 理，以s o f i m 柴油机的结构参数为依据，开发了针对该柴油机的n o 。计算模拟 软件，验证了该软件对n o 。排放的预测能力。 本文在不改动s o f i m 柴油机主要结构参数的情况下，为降低排放污染物， 采用改变外部配件和调整供油系统参数的优化匹配法，并根据单因素轮换法的试 验设计理论进行了柴油机优化匹配试验研究。选用增压器、喷油器、喷油泵以及 供油提前角作为匹配因素，按照一定的轮换顺序，提出了降低柴油机排放污染物 的优化匹配试验方案。 本文按照g b l 7 6 9 1 2 0 0 1 规定的十三工况测试法，测量了柴油机在不同匹配 因素水平下的排放值。分析了捧放变化的规律和原因，得出了各种匹配因素的最 优解。研究结果表明，选用进气压力和过量空气系数较大的增压器可以改善燃烧 过程，降低p m 排放，并且保持n o 。排放变化不大；在保持较高的供油压力的 条件下，适当增大喷孔孔径，可以降低n o 。排放，并且不会显著增加p m 排放； 加大喷油泵柱塞直径，能增大喷油压力，改善燃油雾化效果，降低p m 排放；适 当的调整供油提前角可以使得滞燃期缩短，最高燃烧温度和燃烧爆发压力下降， n o 。排放降低。 关键词：柴油机，优化匹配，试验研究 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i e s e le n g i n e sa r ew i d e l yu s e di nt r a f f i ce n g i n e e r i n gm a c h i n ef o ri t sh i g ht h e r m a l e f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y t h ee m i s s i o np r o b l e mo fd i e s e le n g i n e si sm o r es e r i o u sa s e m i s s i o ns t a n d a r d sa r o u n dt h ew o r l db e c o m em o r es e v e r e h i o y a d u - - k a d o t ab u r n i n gm o d e li ss e l e c t e d ，s i m u l a t i n gs o f t w a r ei sd e v e l o p e d w h i c hi su s e dt op r e d i c tn o xb yg e n e r a t i n gm e c h a n i s mo fz e l d o v i c h - n oa n d s t r u c t u r ep a r a m e t e r so fs o f i md i e s e le n g i n e ，a n dt h en o xe m i s s i o nc a nb ep r e d i c t e d b yt h i ss o f t w a r e a sm a i ns t r u c t u r e p a r a m e t e r s o fs o f i md i e s e l e n g i n e a r e n t c h a n g e d ， o p t i m i z a t i o nm a t c h i n gm e t h o di su s e dt od e c r e a s ee m i s s i o n sb yc h a n g i n ge x t e r n a l a t t a c h m e n t sa n da d j u s t i n gp a r a m e t e r so ff u e l s u p p l ys y s t e m t h ee x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho n o p t i m i z a t i o nm a t c h i n g i su s e db yt h es i n g l ef a c t o rr e p l a c e m e n t t u r b o c h a r g e r ，n o z z l e ，f u e lp u m p ，a n df u e ld e l i v e r ya d v a n c ea n g l ea r es e l e c t e da s m a t c h i n gf a c t o r t od e c r e a s ee m i s s i o n so ft h ed i e s e le n g i n e sa ne x p e r i m e n t a ls c h e m e o f o p t i m i z a t i o nm a t c h i n g i sd e s i g n e dw i t ht h er e p l a c e m e n ts e q u e n c em e t h o d e m i s s i o n sh a v eb e e nm e a s u r e da l o n gw i t hg b l 7 6 9 1 2 0 0 1 ，a st h em a t c h i n g f a c t o r sc h a n g e t h er e a s o n sa n dr e g u l a t i o n sr e l a t i n gt oe m i s s i o n sh a v eb e e na n a l y z e d ， a n dt h eo p t i m i z i n ge x p l a i n sa l s oh a v eb e e ns e a r c h e d i ti n d i c a t e st h a tt h et u r b o c h a r g e r w h i c hi n c r e a s ei n l e tp r e s s u r ec o i ld e c r e a s ep ma n dr e s t r a i nn o x ，t h en o z z l ew i t h p r o p e r l yl a r g e rd i a m e t e rc a r lr e d u c en o x ，a n d d o e s n ti n c r e a s ep me m i s s i o ne v i d e n t l y , e n l a r g i n gp l u n g e rd i a m e t e rc a ni n c r e a s ef u e lp r e s s u r ea n dd e c r e a s ep m ，m o d e r a t i n g f u e ld e l i v e r ya d v a n c ea n g l ec a nd e p r e s sb u r n i n gt e m p e r a t u r ea n dc o n t r o ln o x k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ，o p t i m i z a t i o nm a t c h i n g ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 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，同意学位办 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或部分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。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：萄青 必。s 年f 月又日 指黝师鹳：掘 7 时月2 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。除文中已注明引用的内容外，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：桶 日期：雳万年f 月夫日 江苏大学硕士学位论文 1 1前言 第1 章绪论 内燃机具有热效率高、比质量轻、移动方便等优点，是汽车的主要动力装置， 在国民经济中发挥着极其重要的作用。内燃机工作时产生的有害排放物对环境造 成了严重的污染。现在，世界上大约有两亿辆汽车，其中大部分在城市中行驶。 这些汽车每年排出两亿吨一氧化碳，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。 二十世纪七十年代之前，关于汽车排气净化的研究工作大都集中在汽油机方 面，对柴油机有害排放物的控制研究不多。近十几年来，情况正在发生改变。就 世界范围而言， 车用内燃机柴油化已经成为公认的发展方向，这是因为柴油机 与汽油机相比，具有热效率高、排放性能好、低速扭矩大以及良好的耐久性和可 靠性等特点，所以降低柴油机的排放受到越来越多内燃机研究人员的关注。 1 2 国内外对柴油机排放的要求 1 2 1 国外对柴油机排放的要求 汽车工业的发展给人类带来各种便利，但同时也给人类带来了日益严重的环 表1 1 美国环境保护署( e p a ) 对重载柴油机排放的限值 ( 单位：g ( h p ) ，1 9 ( h p h ) = 1 3 6 9 ( k w h ) t a b1 1e m i s s i o nl i m i tv a l u eo f e p af o rh e a v yd u t yv e h i c l e 年份h cc o n o 。p m n m h c 1 9 9 01 31 5 56 o0 6 0 1 9 9 11 31 5 5 5 0o 2 5 1 9 9 41 31 5 55 o0 1 0 1 9 9 81 3 1 5 54 0o 1 0 2 0 0 41 31 5 52 5 ( n o x + n m h c ) 0 1 00 5 0 2 0 0 70 2 00 o l 0 1 4 江苏大学硕士学位论文 境污染，这使得我们的生存受到挑战和威胁。因此，汽车有害排放物污染问题已 越来越引起世界的关注。为保护环境，各国相继制订了排放法规，用以控制汽车 污染物排放。美国和日本最早于2 0 世纪6 0 年代就开始汽车排放控制，起步水 平大致相当。1 9 9 4 年起美国执行极其严格的低污染汽车法规( l e v ) 后，美、日之 间的距离略为拉开。欧洲控制排放起步比美、日晚，而且标准要求较松，但是到 1 9 9 2 年实旌欧洲第1 阶段( 欧1 ) 1 t 放法规后，进步明显，现已超过日本，接近美 国l e v 计划。美国、日本和欧洲的汽车排放法规形成当今世界三大汽车排放法 规体系。表1 1 1 2 分别为美国和欧洲限制柴油车排放的法规。 表1 2 欧洲重型柴油车和客车发动机排放标准( 单位：g ，( k w h ) ) t a b 1 2e m i s s i o nl i m i tv a l u eo f e u r o p ef o rh e a v yd u t yv e h i c l e 阶段实施时间测试循环c o h c n o x p m 1 9 9 2 ， 8 5k w 4 5 1 1 8 0 3 6 1 9 9 6 1 4 1 1 70 2 5 e u r 0 2 1 9 9 8 1 e c e r 4 941 170 1 5 1 9 9 9 1 0 ， e e v so n l y 1 5 0 2 5 2o 0 2 e u m 32 0 0 0 1 2 1o 6 65o 1 e u r 0 42 0 0 5 1 1 5 0 4 6 3 50 0 2 e u r 0 52 0 0 8 1 e s c e l r1 50 ，4 62 0 0 2 1 ，2 2 国内对柴油机排放的要求 我国虽然早已认识到汽车排放对大气污染的严重性，但由于受国家经济技术 水平的限制，对汽车排放的控制开始较晚。1 9 8 3 年我国颁布了g b 3 8 4 2 8 3 、 e 3 8 4 3 8 3 和e 3 8 4 4 8 3 三个车用发动机废气排放标准，主要针对发动机怠速工况。 1 9 8 9 年颁布了g b l1 6 4 8 9 排放标准，采用变工况( 1 5 工况) 测量方法，可比较 客观地衡量发动机的总体排放水平。1 9 9 3 年颁布了g b l 4 7 6 1 一( 1 7 ) 9 3 等九个 标准完全取代了1 9 8 3 和1 9 8 9 年的标准，其排放限值有了大幅度的降低，但也只 接近美国7 0 年代的水平。 江苏大学硕士学位论文 鉴于我国目前的城市道路和车流密度与上世纪末欧洲的情况相近，我国借鉴 了欧洲在较早阶段所采用的排放法规。表1 3 是我国的车用柴油机排放标准 2 1 。 比较表1 2 和表1 3 可以看出：a 阶段的限值等同于欧洲在1 9 9 2 年开始实施的 欧l 限值；b 阶段等同于欧洲在1 9 9 6 年开始实施的欧2 限值。我国计划于2 0 0 8 年实旌欧3 限值，2 0 1 0 年以后逐步与国际水平接轨。根据国家标准g b l 7 6 9 1 2 0 0 1 车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法规定，现阶段我国车用柴 油机测功试验台架的排放测试仍采用欧洲十三工况测试循环。 从上述国内外排放法规的发展历程来看，对汽车排放污染物的限制越来越 严。为了满足愈加严格的排放法规，在保证发动机动力性、经济性的前提下，加 大汽车发动机排放控制技术方面的研究具有十分重要的意义。 表1 3 我国车用柴油机排气污染物排放跟值法规( 单位：g l ( k r r ) t a b 1 3e m i s s i o nl i m i tv a l u eo f c h i n af o ra u t o m o b i l ed i e s e l 排放量 实施阶段实旆日期p m c oh c n o x 8 5 k w8 5k w 型式认证 2 0 0 0 9 14 51 18 00 6 lo 3 6 a 生产一致性2 0 0 1 9 14 91 2 3 9 0o 6 8 0 4 0 型式认证 2 0 0 3 9 i4 01 i7 oo 1 50 1 5 b 生产一致性2 0 0 4 9 14 01 1 7 0o 1 5o 1 5 1 2 3 国内车用柴油机的排放现状 上世纪八十年代前，国内柴油机主要用于农用车，车用柴油机不到车用内燃 机总数的1 0 ，对柴油机的研究主要集中在提高动力性和经济性上，忽略了柴 油机排放的研究，所以造成当时国产柴油机排放恶劣，噪音很大口l 。从八十年代 末、九十年代初开始，由于国家的重视和排放法规的制定，各个厂家在大力开发 柴油机的同时逐渐重视对柴油机排放控制的研究。2 0 0 2 年以来，国内车用柴油 机产品升级换代步伐加快，太多数企业纷纷推出满足欧2 排放标准的柴油机，其 主要措施是： 1 ) 采用传统的供油系统，大幅提高喷油压力和喷油速率。中大功率柴油机 多采用p 7 1 0 0 喷油泵，最高喷射压力可达1 2 0 m p a 。部分小排量发动机采用v e 江苏大学硕士学位论文 鉴于我国目前的城市道路和车流密度与上世纪末欧洲的情况相近，我国借鉴 了欧洲在较早阶段所采用的排放法规。表1 3 是我国的车用柴油机排放标准”i 。 比较表1 2 和表1 3 可以看出：a 阶段的限值等同于欧洲在1 9 9 2 年开始实施的 欧1 限值；b 阶段等同于欧洲在1 9 9 6 年开始实施的欧2 限值。我国计划于2 0 0 8 年实旖欧3 限值，2 0 1 0 年以后逐步与国际水平接轨。根据国家标准g b l 7 6 9 12 0 0 1 车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法规定。现阶段我国车用柴 油机测功试验台架的排放测试仍采用欧洲十三工况测试循环。 从上述国内外排放法规的发展历程来看，对汽车排放污染物的限制越来越 严。为了满足愈加严格的排放法规，在保证发动机动力性、经济性的前提下，加 大汽车发动机排放控制技术方面的研究具有十分重要的意义。 表1 3 我国车用柴油机排气污染物捧放限值法规( 单位：g ( k w - h ) ) t a b ，l 。3e m i s s i o n l i m i t v a l u e q f c h i a a f o r a u r o r a o b d i e s e l 排放量 实施阶段实施日期p m c oh c n o 。 8 5k w8 5k w a 型式认证2 0 0 0 9 14 51l8 oo 6 lo3 6 生产一致性2 0 0 1 9 14 91 2 39 0o 6 80 4 0 b 型式认证 2 0 0 39 14 0l l700 1 50 1 5 生产一致性2 0 0 4 9 14 01 17 00 1 5o 1 5 123 国内车用柴油机的排放现状 上世纪八十年代前，国内柴油机主要用于农用车，车用柴油机不到车用内燃 机总数的1 0 ，对柴油机的研究主要集中在提高动力性和经济性上，忽略了柴 油机排放的研究，所以造成当时国产柴油机排放恶劣，噪音很大【3 】。从八十年代 末、九十年代初开始，由于国家的重视和排放法规的制定。各个厂家在大力开发 柴油机的同时逐渐重视对柴油机排放控制的研究。2 0 0 2 年以来，国内车用柴油 机产品升级换代步伐加快，大多数企业纷纷推出满足欧2 排放标准的柴油机，其 主要措施是： 1 ) 采用传统的供油系统，大幅提高喷油压力和喷油速率。中大功率柴油机 多采用p 7 1 0 0 喷油泵，最高喷射压力可达1 2 0 m p a 。部分小排量发动机采用v e 多采用p 7 1 0 0 喷油泵，最高喷射压力可达1 2 0 m p a 。部分小排量发动机采用v e 江苏大学硕士学位论文 分配泵，喷油压力也大大提高。 2 ) 采用更多喷孔的p 型喷油器，以改善雾化和燃烧，降低了碳烟和p m 排 放。小排量柴油机多采用无压力室和小压力室喷油器。 3 ) 增压中冷成为基本配置，压气机大多采用前倾后弯叶轮，提高了压气机 的效率和商效区的范围；高速柴油机多采用带放气阀的废气涡轮增压器。 4 ) 部分小排量柴油机采用催化转化器，以降低排放。 5 ) 部分柴油机采用e g r 技术，以降低n o 。排放。 总体来看，国内达到第2 阶段排放的柴油机仍是在现有的机型上进行改造， 虽然到达了国家排放要求，但还存在一系列问题。因为很多柴油机厂只是对老机 型进行改进，并未重新设计新机型，所以造成降低排放的同时影响了动力性和经 济性，并且由于燃烧温度的提高，增加了柴油机热负荷，可靠性有所下降。此外， 这些改进措施已经使现有机型降低排放潜力的达到了上限，难以满足欧3 排放法 规的要求。国家规定从2 0 0 8 年开始全面实施欧3 排放法规，部分地区从2 0 0 6 年开始试行，所以研究如何满足欧3 要求的发动机已经迫在眉睫。从欧美的经验 来看，主要的措施有：提高发动机的最大功率，使发动机的单位功率排放降低； 采用先进的燃油喷射技术，如电控燃油喷射，以降低排放和改善燃油消耗率：采 用增压中冷、多气门，喷油器中央垂直布置技术；采用机外净化措施【“。 面对入世后的新形势和满足欧3 法规的要求，国内主要车用柴油机厂家正积 极采取各种行动和措旌以应对挑战： 东风集团与美国康明斯公司的合资公司“东风康明斯公司”将生产康明斯b 系列、c 系列和l 系列4 l 9 l 机械式和电控式柴油机，功率范围为7 7 k w 2 7 2 k w ，能够满足欧3 和欧4 汽车排放标准以及欧美非公路用移动式机械的第2 阶段排放标准。2 0 0 2 年东风与雷诺商用车签署d c 3 发动机生产技术许可证合 同，以生产雷诺d c 3 柴油机。该柴油机缸径1 2 3 m m ，行程1 5 6 m m ，总排量1 1 1 l ， 6 缸直列、2 4 气门、高压共轨、增压中冷，功率范围为1 9 5k w h 3 0 3k w ，符合 欧3 排放标准。 一汽解放汽车有限公司无锡柴油机厂开发了奥威c a 4 d l 、c a 6 d l 增压中 冷、排量为6 l 9 l 的系列化新型柴油机，功率覆盖范围为1 9 1k w 2 5 7k w 。 c a 4 6 d l 柴油机采用4 气门技术，起点是满足欧2 排放标准采用电控喷油技 4 江苏大学硕士学位论文 术后可满足欧3 排放标准并具有满足欧4 排放标准的潜力。其9 l 机样机己于 2 0 0 3 年1 2 月试车成功，目前已批量生产。 潍坊柴油机厂已经在奥地利成立潍柴开发中心，与a v l 公司联合开发欧3 斯太尔柴油机，该机将保留现有的斯太尔w d 6 1 5 系列柴油机的主要特征，采用 新型的供油系统和电控系统，在满足欧3 排放的基础上有满足欧4 排放的潜力。 2 0 0 2 年，上海柴油机厂与日本电装公司合作开发d 6 1 1 4 电控柴油机，该项 目于2 0 0 4 年结束，目标为满足欧3 排放标准。2 0 0 2 年上柴已将d 6 1 1 4 柴油机的 最大功率扩大到2 3 5 k w ，2 0 0 3 年进行d 6 1 1 4 柴油机加大行程的开发，进一步扩 大其功率覆盖范围。2 0 0 3 年，上柴和日本日野公司合资建立了上海日野发动机 公司。该合资公司第一阶段生产日野p 1 1 c 系列发动机，其功率为2 2 0 k w 以上， 已于2 0 0 4 年投入生产。排放水平可低于欧3 标准限值。 2 0 0 4 年，南京依维柯公司与欧洲依维柯合作引进了s o f i m s l 4 0 4 3 s 电子喷 射增压中冷共轨柴油机。该发动机的最大功率达到9 2 k w ，最大扭矩达到2 8 5 n i t i ， 采用电子控制共轨喷射系统，优化了燃烧过程，能够满足欧洲3 号标准。 1 3内燃机燃烧过程计算模拟的发展和概况 1 3 1 燃烧过程计算模拟的意义 柴油机工作过程是一个复杂的系统，而燃烧过程作为工作过程中最重要的部 分就更为复杂。它涉及低马赫数流体力学、两相流动、燃烧化学、热力学、传热 学等多个领域。传统的设计方法是一种以反复试验为基础，加上适当经验公式的 半经验方法，费时，费力，费用昂贵，并且最后等到的结果有限。 内燃机燃烧过程的计算模拟和大量燃烧模型的建立使对缸内多维、非定常、 两维湍流、有化学反应的实际过程进行数值求解，给出热物理参数的分布以及变 化，预测放热规律和排放产物成为了可能。计算模拟相对试验方法来说简单、快 速，并且可以得到很多通过试验方法不能得到的数据，所以它是试验方法的一个 重要补充，并可以指导试验工作，缩短研制周期，降低研发费用。 1 3 2 柴油机燃烧模型 柴油机燃烧模拟的任务是通过对柴油机实际工作过程进行计算机仿真计算， 包括进气、燃油雾化以及着火、燃烧、排气等。由于柴油机燃烧过程中所涉及的 江苏大学硕士学位论文 现象、机理和规律仍然没有得到全面的认识，为了模拟柴油机燃烧过程，人们不 得不提出各种假设，建立各种数学模型。在柴油机燃烧模拟中，模拟结果的准确 性取决于所采用的数学模型。 现有燃烧模型按其空间场性质的假设条件分类，可分为以下几种： 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理性参数处 处相等，工质随时处于热力学平衡状态，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，它简 单实用、可靠性高。但在这类模型中，用简单的数学关系简化了燃烧中物理一化 学反应过程，无法从机理上去把握其规律性：另外，缸内均匀状态的假设，不能 预测n o 。及其它排放物的生成。所以。这类模型属于经验模型，有很大的使用 局限性，特别是在排放物生成的预测上无能为力。 2 准维模型 准维模型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，把燃油喷注划分成若干个小区域，每个小区域即是一个独立的热力学系统。 同时也考虑了在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 喷油、喷雾破碎、混合气形成、放热、传热以及排放物的生成等子模型组成的。 与零维模型相比，准维模型更接近实际问题，能更好的模拟燃烧过程，并能 预测n o 。和其它排放物的生成。与多维模型相比，此模型容易理解且求解简单， 更易在工程设计中推广应用。但为了提高精度，它仍需解决以下三个问题：柴油 机的喷注究竟应当简化成气相射流还是简化成喷雾蒸发模型跚；喷注碰壁后的动 态模型：有害排放产物的生成模型。 3 多维模型 多维模型中，在遵循质量、动量和能量守恒的基础上，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，确定工质的流动特性、温度以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划出很细的二维或三维网络，用数值方法对一组互相祸合 的微分控制方程进行求解。但多维模型的偏微分方程难以求解。所以目前准维模 型仍然是燃烧模型的主角。 6 江苏大学硕士学位论文 1 ，3 3 内燃机数值模拟的软件 随着对内燃机工作过程的大量研究，一系列功能齐全的商用软件相继被开发 出来，如英国a d a p c o 公司的s t a r c d 软件，里卡多的v e c t i s 软件及奥地利a v l 公司的f i r e 和b o o s t 等软件，为内燃机的研制提供了十分便利的条件。国内内 燃机工作者在消化和吸收了国外先进的数学模型、数值方法和计算程序的基础 上，也开发出许多内燃机工作过程的数值模拟程序。如北京理工大学开发的三维 内燃机工作过程通用模拟程序r e s3 c i i ；中国科学技术大学火灾科学院重点实 验室开发的计算直喷式柴油机螺旋进气道与缸内空气运动的大型微机化程序 i p i c c f d ：同济大学开发的涡流室式柴油机工作过程的三维模拟程序e n g i n e - i i ；吉林工业大学开发的微机版内燃机缸内多维气流运动模拟程序s u n - 1 等【6 】。 1 4 本课题的背景和主要研究内容 南京依维柯汽车有限公司为了给新开发的2 1 座客车( 在原1 9 座客车基础上 改进而来的) 提供合适的动力，在原s o f i m 柴油机的基础上扩大了缸径，增大 了最大功率和最大扭矩，提高了发动机的动力性。但是在改善动力性的同时，排 放状况受到影响。原型机可以达到欧洲2 号排放标准，但改进之后升功率和标定 工况的平均有效压力有一定的提高，这样使得柴油机排放达到欧洲2 号排放标准 有一定的难度。本课题的目的就是在不改动样机的情况下，通过燃油系统、进气 系统的优化匹配，降低排放，达到欧2 排放标准。此项研究对其它柴油机降低排 放也有一定的借鉴价值，具有较大的实用价值和研究意义。 本课题研究的主要内容包括： 1 在广安一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，建立了s o f i m 柴油机运行范围内的n o 。排放特性模型，编写了模 拟计算的程序： 2 通过模拟计算，对比分析了n o 。排放的模拟值和实验值，验证了模拟程 序的正确性和精确性； 3 在单因素轮换法的理论指导下，分析了增压器、喷油泵、喷油器、供油 提前角等因素对柴油机污染物排放水平的影响，通过选用优化匹配因素和合理的 因素轮换顺序，提出了降低柴油机排放的匹配试验方案； 江苏大学硕士学位论文 4 通过更换增压器、喷油泵、喷油器等零部件和调整供油提前角参数的匹 配试验，分析了不同工况下排气污染物的变化规律，提出了降低柴油机排放污染 物的匹配因素最优解和方案。 江苏大学硕士学位论文 第2 章n o 。生成模型及模拟计算 在广安角田( h i o y a d u - - k a d o t a ) 燃烧模型的基础上，建立了s o f i m 柴油 机的n o 。模拟程序，并将柴油机在优化匹配试验前后的n o ，排放预测值与试验 值进行比较，验证了n o 。预测值的正确性。 2 1 广安一角田燃烧模型的基本假设 广安一角田( h i o y a d u - - k a d o t a ) 燃烧模型是典型的油滴蒸发燃烧模型，它 以大量实验结果为基础，物理意义明确，计算结果比较接近实际，己被众多学者 用作进一步研究的基础。 在该模型中，从喷嘴喷入燃烧室的雾柬被分成许多小区。每个步长内喷入的 燃油按照等油量原则沿径向划分成若干个子区，并且假定各个子区之间没有质量 的混合或传递。雾束的轨迹由喷雾贯穿距离的实验方程确定，雾束内卷入的空气 量遵守动量守恒方程，即空气卷吸量与雾柬速率的衰减成正比。混合了空气的雾 束开始蒸发，一段滞燃期之后，着火即开始。 在空气充足的情况下，着火燃烧后，单元中同时存在燃烧产物、燃油和空气， 在下一个微小的曲铀转角内，接触高温气体而使燃油蒸发，同时空气从单元四周 进入，此时蒸发了的燃油又燃烧起来( 过程a ) 。如果是空气多余，则在下个微 小曲轴转角中重复进行上述的过程；如在燃油蒸气残留的场合( 过程b ) ，燃油蒸 气与周围进入的空气相混合，按理论混合比进行燃烧。初燃后空气不足时，也按 过程b 进行燃烧。这样，单元中的油雾在初燃期之后，受空气流入量或者蒸发 量控制而进行燃烧，但每个单元由于其内部的条件不同，重复进行上述的某一燃 烧过程，直到燃烧结束。每瞬时各小区燃烧放热的总和，即为燃烧室内总的燃烧 放热量。可由能量方程和气体状态方程求出缸内压力和平均温度的变化。由能量 守恒方程式可以求出小区的当地温度，再由化学平衡计算得出小区中各种气态燃 烧产物的平衡浓度，应用扩展的z e l d o v i e h 原理，即可计算n o 。的生成量。 归纳起来，油滴蒸发燃烧模型有以下几点基本假设： 江苏大学硕士学位论文 1 可燃混合气达到理论燃油空气比后其化学反应立即开始，实现完全燃烧。 据此，燃烧速率主要是由油滴蒸发和混合速率所控制。当空气有余时，燃烧速率 主要取决于油滴蒸发速率；当空气不足时，燃烧速率主要取决于空气卷入速率， 即燃油与空气混合速率。 2 模型将喷注划分为若干个子区；各子区是不连续的，且相互独立；每个 子区满足零维假设，可用常微分方程描述。 3 工质对燃烧室壁面的总传热量分摊到各个子区，气缸工质温度按能量平 均温度计算。 4 计算过程中用到的喷注锥角妒、喷注贯穿长度f 、油滴平均直径d 、滞燃 期f 等采用常规的半经验公式计算。 5 认为n o 。等排放主要是在焰后区生成，所以燃烧放热模型和排敖生成模 型不联立求解，排放量的计算是在燃烧放热模型计算结束后进行的。 2 2 n o 。浓度的计算模型的建立 s o f i m 柴油机是典型的小缸径直喷式柴油机，可以采用广安一角田燃烧模 型进行数值计算。具体计算步骤如下： 2 2 1 喷油规律计算 因为缺少喷油泵瞬时嘴端压力，可用如下方法求出当量燃油喷孔出口速度 u 。( m l s ) 和当量喷射压差峨( p a ) ： u 。： 垫一 ( 2 1 ) u 2 册1 0 2 n j p f a t t n y u 。1 j 屹= 簪 ( 2 2 ) 式中：q ，一每缸每循环供油量，堙；一喷油持续期，s 。 2 2 2 赜注轨迹的计算 在该模型中，喷雾贯穿可分为两个阶段，即从喷孔出来到喷雾开始破裂为止 为第一阶段t b r e a k ，这一阶段一般为0 3 1 0 m s ，具体长短取决于喷射条件， 这一时间近似地与着火滞燃期相当。其后则为第二阶段，即破碎雾化期。 江苏大学硕士学位论文 喷雾锥角由下式给出： 妒：o 0 5 ( 竺丝丛) ”s( 2 3 ) u 4 式中：d o 一喷油嘴喷孔直径， m ：峨一喷油压力差( 峨= 一只) ， p a ；p 。一空气密度，船m 3 ；。一空气的动力粘度，n s m 2 小区在任意时刻的轴向位置可由喷雾贯穿距离的经验公式确定，小区的贯穿 速度甜( i ，) 由喷雾贯穿距离s ( f ，) 对时间r 求导即可得到。 油滴破碎前( 0 h ，牛 x l p 矿i t 2 昙q 付o ， 三2 h ， z px 2 p i 7 2 22 矿 8 圭+ 互1 0 ：h 凹，墨= i 考 圭q + 互1 n ：付们，局2 习亭 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) f 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 警 = 如 江苏大学硕士学位论文 4 + 三q h h ：。，局2 i 知 ( 2 - 3 2 ) c o + j 1o ：hc 0 2 ，k i o - ! i 矿 2 3 3 ) 其中k 为平衡常数，它可以看作是温度的单值函数，可由有关的拟合公式求得。 由上述1 3 个方程( 2 2 1 ) ( 2 3 3 ) 可解出摩尔组分t ( i = 1 ”，1 2 ) 及而3 。 用迭代法解此方程组，即可求得所有燃烧产物的摩尔分数x 。 桔渴合旨参数计笪公式可得出： 平均相对分子质量 气体常数 总焓 总内能 = x , p r ：坠旦 2 2 9 生成n 0 ，的化学反应动力学机理 在内燃机典型的燃气温度和接近理论化学当量燃空比的条件下，n o 的生成 服从扩展的z e l d o v i c h 机理1 。z e l d o v i c h 首先提出以下两个反应： o + m g n o + n( 2 3 4 ) 0 + 1h + ( 2 毛一 k + + 0 ，付n o + 0( 2 3 5 ) 七2 一 以后，l a v o i e 等人研究了z e l d o v i c h 的反应机理后认为，在n o 生成中，o h 基对氮原子的氧化也起了一定作用，故又增加了下面一个反应： 也+ n + o h b n o + h 与一 ( 2 3 6 ) 以上三个反应中，k 。+ 、k ：+ 、k 。+ 为正反应( 从左向右进行的反应) 的反应速度 常数，k 。一、k 。一、k 3 - 为负反应( 从右向左进行的反应) 的反应速度常数。 琏耳 r 拉f厶=亘 氓一n = = “ 江苏大学硕士学位论文 根据质量作用定律，同时假定 】的非稳态平衡浓度的值是不变的，即 d n d t = 0 ，则n o 的生成率为： 等笋秘例m ，矗黹器器黑 眨， 计反应( 2 3 4 ) 、( 2 3 5 ) 、( 2 3 6 ) 在化学平衡条件下的反应速率分别为只，、 r ，、风，则由平衡关系有： r ，= k l + 0 1 。【2 】。= 毛一【u l ，o 】。 r 2 = k 2 + 【 。【q 】。= 屯一【d 】。 0 1 。 r 3 = k 3 + 【】。【d h 】，= 岛一【d 】。 】。 用【0 】。，【d 2 l ， 0 旧】。， h 】。，【2 。代替 o 】， o a ，【0 啊 ，【刎和 2 】， 式( 3 - 3 5 ) 可变为： 螋：蝴 d t 1 + 上坠堕 ( 2 3 8 ) r 2 + r 3 【n o 。 从化学平衡计算得出【0 】。， r 0 。，【日】，【2 】。，从而算出r 。、马、r ：。 微分方程式仅 n o 】- 一个变量，可以求解，积分豹范围从燃烧温度到n o 的冻结 温度( 1 8 0 0 k ) ，积分后即可得到n o 的瞬时浓度。在大量的文献【1 ”中都采用 以上关于n o 生成速率计算公式。 2 3n 0 。排放预测值与实验实测值对比分析 本文使用m a t l a b 软件编写了程序，模型计算过程框图如图2 1 所示。模拟 计算从进气门关