（动力机械及工程专业论文）tbd234柴油机缸内燃烧模拟及排放预测.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g n u m e r i c a lsi m u l a t i o n o fc o m b u s t i o np r o c e s sa n de m i s s i o n p r e d i c t i o nf o rt b d 2 34d i e s e le n g i n e c a n did a t e ：z h a n gw a n h u a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c l a t ep r o f l iw e n h u i a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：p o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 6馆jl-舢090 m 8il-舢y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑霞声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。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公开发表的作品成果。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。 止 作者( 签字) ：到幺乃煜 目期： 沙，9 年弓月够日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 醯授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后d 解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：红乃蝗 日期：如解月调 新c ：孰砗 如戽弓月缈日 - 厶 哈尔滨l 1 翠人学硕+ 学位论文 摘要 随着全球环境的同益恶化和人们环保意识的逐渐加强，船舶柴油机的有 害排放对大气环境造成的污染己引起国际社会的广泛关注，控制船舶柴油机 有害气体排放的要求同益强烈。 柴油机的诸多优点，使之成为最主要的船舶主机，这种状况在未来的2 0 年或更长的时间内，不会有明显的变化。降低柴油机排放物中的n o ，和p m 一 直是改善柴油机排放的核心问题，缸内燃烧的优化则是解决排放问题的关键 因素，而柴油机燃烧过程是一个十分复杂而多变的物理、化学过程，对缸内 燃烧过程的研究除传统的试验方法外， 的数值模拟也是一项强有力的措施。 本文从改善柴油机燃烧特性着手， 借助于奥地利a v l 公司的f i r e 软件， 建立在试验基础上的内燃机燃烧过程 以船用柴油机t b d 2 3 4 为研究对象， 对柴油机缸内气流运动过程、喷雾过 程和燃烧过程进行数值模拟，深入了解缸内燃烧机理。通过对缸内数值模拟 结果进行效验，得到不同曲轴转角下缸内流场、喷雾场、温度场以及排放物 浓度分布情况。本文通过计算模拟，主要考察了不同的喷油器孔径、喷油正 时、e g r 率、进气温度对缸内燃烧及排放特性带来的影响；针对缸内流场的 形成过程，本文还另外设计了两个与原燃烧室形状差异较大的燃烧室，通过 计算模拟结果，着重分析了燃烧室结构对缸内流场的变化、燃油浓度及温度 的分布等特性带来的影响，对燃烧室形状的设计开发具有一定的指导意义。 关键词：燃烧模拟；喷孔直径；e g r ；燃烧室 以 t 哈尔滨丁袢人。硕卜学位论文 a b s t r a c t d u et ot h er e l a t i v e l yh i g l lt h e r m a le f f i c i e n c ya n do p e r a t i o nr e l i a b i l i t y , d i e s e l e n g i n e sw i l ls t i l lb et h em a i ne n g i n eo fs h i pi nt h en e a rf u t u r e c o n s i d e r i n g t h e d e t e r i o r a t i n g e n v i r o n m e n t a lp r o b l e mc a u s e d b y t h e e m i s s i o n sf r o ms h i p s ，p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt o t h ep o l l u t i o n p r o b l e m so fm a r i n ed i e s e le n g i n e s t h ec o r eo fe m i s s i o nr e d u c t i o ni st or e d u c et h e n o xa n dp a r t i c u l a t ec o n t e n t ，a n dt oi m p r o v et h ed i e s e le n g i n ec o m b u s t i o nt om e e t t h es t r i c te m i s s i o nr e g u l a t i o n si st h em o s te s s e n t i a lm e t h o d t h ed i e s e le n g i n e c o m b u s t i o ni sap h y s i c a la n dc h e m i cp r o c e s sw h i c hi sc o m p l e xa n dc h a n g e a b l e t h er e s e a r c hm e t h o du s e di nt h i st h e s i si ss o f t w a r es i m u l a t i o nw i t hf i r ew h i c h i s d e v e l o p e db yt h ea u s t r i a na v lc o m p a n y w i t h o u tt h ee x p e r i m e n tr e s t r i c t i o n ，t h i s s o f t w a r ec a ns i m u l a t et h ec o m b u s t i o ni nt h ec o m b u s t i o nc h a m b e ra n dg e tt h e p a r t i c u l a ri n f o r m a t i o nw h i c hi sd i f f i c u l tt om e a s u r e i nt h i st h e s i s ，t h ec o m p r e s s i o ns t r o k e ，c o m b u s t i o ns t r o k ea n de x p a n s i o n s t r o k eo ft b d 2 3 4d i e s e lh a v eb e e ns i m u l a t e d t h ep a r a m e t e r si nt h em o d e la r e a d j u s t e dt oe n s u r et h ei n d i c a t e dd i a g r a mr e s u l t i n gf r o mt h es i m u l a t i o na c c o r d e d w i t ht h ee x p e r i m e n td a t a t h ef a c t o r si m p a c t i n gc o m b u s t i o na sn o z z l ed i a m e t e r , t h ei n j e c t i o nt i m i n g ，e g ra n dt h ei n t a k et e m p e r a t u r ea r es t u d i e di nt h i st h e s i s f i n a l l y , t h es o f t w a r ei sa l s ou s e dt os t u d yt h es p r a ya n dc o m b u s t i o np r o g r e s si n d i e s e le n g i n ew i t hd i f f e r e n tc o m b u s t i o nc h a m b e r s t h e i n - c y l i n d e rf l o wf i e l d ，f u e l c o n c r 砒i o nf i e l d , e m p e r a m r e6 e l da r ec o m p a r e d ，a n dt h em i x t u r e so ff u e la n d a i ri nd i f f e r e n tc o m b u s t i o nc h a m b e r sa r ea n a l y z e da n dc o n t r a s t e d ，w h i c hc a n p r o v i d ed i r e c t i o nt od e s i g no fc o m b u s t i o nc h a m b e r k e y w o r d s ：c o m b u s t i o ns i m u l a t i o n ；n o z z l ed i a m e t e r ；e g r ；c o m b u s t i o nc h a m b e r 哈尔滨t 样人学硕十学何论文 目录 第一章绪论1 1 1 船用柴油机的发展及面临的问题1 1 1 1 船舶柴油机与环境1 1 1 2 船用柴油机n o ，排放的限制2 1 2 柴油机排放物生成机理及其优化途径3 1 2 1 排放物的生成机理3 1 2 2 控制排放物的主要措施5 1 3 课题研究的方法1 0 1 3 1 燃烧模拟的意义1 0 1 3 2 燃烧模拟的发展1 0 1 4 课题研究的主要内容1 4 第二章柴油机缸内燃烧数学模型及选择1 5 2 1 气相湍流流动模型1 5 2 1 1 湍流及模拟方法1 5 2 1 2 湍流流动的基本方程1 6 2 2 喷雾模型1 7 2 2 1 液滴蒸发模型1 8 2 2 2 液滴破碎分裂模型2 0 2 2 3 碰壁模型2 1 2 2 4 液滴湍流扩散模型2 2 2 3 燃烧模型2 3 2 3 1 着火模型2 3 2 3 2 湍流燃烧模型2 4 2 3 3n o x 生成排放模型j 2 5 2 3 4 碳烟生成模型2 6 2 4 数值求解2 7 2 5 本章小结2 8 第三章缸内燃烧过程仿真建模及试验验证2 9 3 1 计算网格的划分3 0 哈尔滨i ：稗人学硕十学何论文 3 1 1t d c 时刻燃烧室网格的划分3 0 3 1 2 燃烧室动网格的生成3 0 3 2 计算初值的确定3 2 3 3 计算结果分析3 3 3 3 1 模型校验3 3 3 3 2n o x 及s o o t 排放物分析3 4 3 4 本章小结3 7 第四章喷油系统及进气初态对缸内燃烧的影响3 8 4 1 喷油孔径对燃烧过程的影响3 8 4 1 1 喷油孔径对缸内各场分布的影响3 8 4 1 2 喷油孔径对柴油机性能的影响4 1 4 2 喷油提前角对燃烧过程的影响4 2 4 2 1 喷油提前角对缸内各场分布的影响4 2 4 2 2 喷油提前角对柴油机性能的影响4 3 4 3e g r 对燃烧过程的影响4 5 4 3 1e g r 对缸内各场分布的影响4 5 4 3 2e g r 对柴油机性能的影响4 7 4 4 进气温度对燃烧过程的影响4 8 4 4 1 进气温度对缸内各场分布的影响4 8 4 4 2 进气温度对柴油机性能的影响5 0 4 5 本章小结5 l 第五章燃烧室形状对缸内燃烧的影响5 2 5 1 无喷雾时不同燃烧室气流的形成5 3 5 2 不同燃烧室内各场的分布5 5 5 2 1 燃烧室形状对速度分布的影响5 5 5 2 2 燃烧室形状对燃油分布的影响5 6 5 2 3 燃烧室形状对温度分布的影响5 7 5 2 4 燃烧室形状对排放物分布的影响5 8 5 3 燃烧室形状对柴油机性能的影响5 9 5 4 本章小结6 l 结论6 2 参考文献6 4 哈尔滨l ：稗人学硕+ ；乏何论文 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 9 致谢7 0 哈尔滨i ：稃人学硕十学何论文 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 船用柴油机的发展及面临的问题 1 1 1 船舶柴油机与环境 柴油机已成为最主要的船舶主机，这种状况在未来的2 0 年或更长的时间 内，不会有明显的变化，这是因为柴油机在所有船用热机中热效率最高，柴 油机作为船舶主机可靠性较好，柴油机制造技术和制造工艺已经达到相当完 善的地岁。由于柴油机较高的热效率，使得缸内燃烧温度高，最大爆发压 力高，在燃烧过程中，除产生完全燃烧产物外，也同时产生一系列的环境污 染物。而船舶在海洋上的营运活动具有流动性强、扩散性大、持续时间长等 特点，船舶柴油机废气排放对生态环境也造成了严重的危害。 船用柴油机排出的有害成份包括：一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、 氮氧化物( n o 。) 、硫氧化物( s o 。) 和p m ( 由碳烟、未燃的燃油和润滑油、硫 酸盐等组成) 。它们占废气总量的比例很小，一般不超过l 5 ，但对人体健 康及生存环境危害却很大。n o ，和s o ，会造成酸雨，使森林和庄稼等遭受严 重破坏。其中n ，o 是一种非常活跃的气体，可上升到大气同温层，在大气中 能参与多种能给生物环境带来祸患的化学反应，是一种很强的温室气体。在 对人体健康的危害上，n o ，轻则刺激眼睛、麻痹嗅觉，重则通过呼吸道进入 血液，与血液中的血蛋白结合转变为高铁红蛋白，使血液的输氧能力下降， 同时，可造成呼吸系统失调，引起肺水肿等疾病。s o 。对人的呼吸道系统也 有害，可导致心肺疾病。h c 则是一种复杂的混合物，含有多种有机化合物， 其中醛类等物质进入人体后产生慢性中毒或致癌。特别是当它和n o ，在大气 环境中受到太阳强烈的紫外线照射后，会产生一种浅蓝色的光化学烟雾，这 种烟雾强烈刺激眼睛、呼吸器官，诱发各种疾病。c o 也是一种有毒气体， 它会降低人体和动物的血液输氧能力。p m 则主要是以碳粒为核心的高分子 化合物，上面附着大量的致癌物质。上述这些有害成分中，n o 。、s o 。和p m 哈尔滨t 稃人学硕十学何论文 的危害性最大、最直接，也成了排放的主要控制对象刚。 1 1 2 船用柴油机n o x 排放的限制 随着全球环境的日益恶化和人们环保意识的逐渐加强，船舶柴油机的有 害排放对大气环境造成的污染己引起国际社会的广泛关注，控制船舶柴油机 有害气体排放的要求r 益强烈。国际海事组织( i m o ) 下属的海洋环境保护委 员会在1 9 9 7 年公布的“7 3 7 8 国际防止船舶造成污染公约”中包括附则v i ： 防止船舶造成空气污染规则，在次附则中，对船舶柴油机氮氧化物的排放 量进行了限制，并对测试方法作了规定，制定了船用柴油机氮氧化物排放 控制技术规则。 第5 7 届海洋环境保护委员会于2 0 0 8 年3 月3 1 日叫月4 日在伦敦召开。 会上批准了对m a r p o l 附则v i 修j 下案，以减少船舶有害气体的排放。逐步 减少发动机氮氧化物( n o 。) 排放的建议获得通过，规定如下图1 1 所示： 图1 1 船用柴油机n o 。最大允许排放量 图1 1 中：t i e ri 适用于2 0 0 0 年1 月1 日后2 0 1 1 年1 月1r 前安装在船 上的发动机，已在现在的附则v i 中有规定。 t i e r i i 将n o 。的排放量减少到1 4 4g c k w h ，适用于2 0 1 1 年1 月1 同后建 2 哈尔滨i ：稃人学硕十。何论文 造或装船的发动机。 t i e ri i i 将n o ，的排放量减少至3 4g k w h ，它适用于2 0 1 6 年1 月l 同安 装在船上的发动机，但仅在排放控制区适用，在非排放控制区，等级i i 仍然 适用。 我国是国际海事组织的a 类理事国，也是7 3 7 8 防污公约的缔约国，我 国政府及有关主管部门非常关注7 3 7 8 防污公约新增附则v i 和n o 。技术规 则对我国航运业、造船业、造机业带来的影响。中国船级社( c c s ) 作为我国 主管机关授权的船舶、船用产品的检验及发证部门，十分重视防污公约新增 附则v i 和n o 。技术规则的宣传贯彻，并进行实施准备工作和新技术和 新产品的研制开发，组织国内专家对n o 。技术规则有关试验台n o 。排放 的测量程序及试验条件多次进行研究，并编制n o 。排放量计算软件。 为贯彻实施7 3 7 8 防污公约新增附则v i 及其附件n o 。技术规则，中 国船级社与2 0 0 0 年4 月就有关n o ，的排放控制与检验颁布了文件船用柴 油机氮氧化物排放试验及检验指南，简称为n o ，检验指南，该n o 。检 验指南可指导验船师进行船用柴油机n o 。排放的试验及检验，也可作为造 船厂、柴油机制造厂及船东进行船用柴油机n o ，排放试验( 包括台架、实船) 提供通用性的方法和指导。7 3 7 8 防污公约附则v i 己于2 0 0 6 年5 月4 日正 式生效m 1 。 值得注意的是n o 。技术规则中规定了船用柴油机排气测量的试验模 式与其它用途柴油机加权系数有较大区别，详情请参见文酬扣”。 1 2 柴油机排放物生成机理及其优化途径 1 2 1 排放物的生成机理 n o 。是燃烧过程中氮的各种氧化物的总称，它包括：n o ，n o ：等。其 中n o 的量占多数，n o ：次之，其余含量很少。n o ：是部分n o 再次与氧气 反应后生成的。在实际测量和计算中一般把n o 按分子量换算为n o ：，n o 。 的生成机理有三种喁川： 3 哈尔滨i ：稃人学硕十。：1 寺：论文 ( 1 ) “高温”n o 。：高温燃烧过程当中，因离解反应同时生成氧和氮的原 子及分子，根据z e l d o v i c h 理论，这些分子和原子接着形成了n o 。； ( 2 ) “即时”n o ，：在预混合燃烧的贫氧火焰层中化学反应产生h c 根， 与氢分子一起形成氢化物，再通过副反应形成n o 。； ( 3 ) “燃油n o ，：在相对较低的温度下，从燃油边界区脱离的氮生成的 n o 。 通常，在柴油机中高温n o ，占主要的部分，其它两种n o 。的生成量较小。 目前被广泛接受的解释是z e l d o v i c h 理论，其反应式为： 0 2 卜_ 2 0 o + n 2 卜一n o + n n + 0 2 卜_ n o + o n + o h 争n o + h n ，的分解比o ，的分解要困难得多，链的引发反应是氧分子在高温下分 解为氧原子，继而产生直链反应，所以，n o 的生成是由原子态的o 切断n ， 分子内的键开始的。 n o 的生成主要依赖于温度。化学动力学研究表明，当反应物温度从 2 5 0 0 k 提高到2 6 0 0 k 时，n o 的生成速率将翻一番。因此，柴油机燃烧过程 中n o 的生成率在很大程度上取决于火焰温度。另外，氧的浓度对n o 的生 成率也有很大的影响，n o 生成量是随氧气浓度的提高而增加的。另外，化 学反应还需要时间，氮和氧在高温中滞留的时间也是n o 。生成率的又一重要 因素。综上所述，高温、富氧及氧与氮在高温下滞留时问是决定缸内柴油燃 烧过程中n o ，生成的三大要素。 柴油机颗粒物( p m ，p a r t i c u l a t em a t t e r ) 排放中的主要成分是由碳烟 ( s o o t ) 、可溶性有机成分( s o l u b l eo r g a n i cf r a c t i o n ) 以及硫酸盐( s u l f a t e ) 等三部 分组成0 1 ，其中s o o t 要占p m 组成的6 0 一8 0 。柴油机燃烧过程中碳颗粒 的形成首先是气相的燃油分子在高温缺氧的条件下发生部分氧化和热裂解， 生成各种不饱和烃类，而这些烃类不断脱氢形成碳粒子，并逐渐聚合为直径 4 哈尔滨 科人7 面! f j 学何论文 2 n m 左右的碳烟核心。气相烃和其他物质不断凝聚在碳烟核心的表面，以及 碳核问的聚合使得碳核不断增大，继而形成直径为2 0 3 0 n m 的碳烟基元，并 最终形成直径1a m 以下的球状或链状多孔性聚合物1 。同时，部分未燃烃、 硫酸盐以及水分等被基元吸附聚集，最后形成排气中的碳烟颗粒。已经生成 的碳烟，只要能够遇到足够的氧气浓度和高温，也会发生氧化反应，使得最 终排出柴油机体外的颗粒总量减少。由于柴油机的颗粒直径大都在o 3 , u m 以 下，且成分复杂，因而柴油机排出的颗粒物危害极大1 。 而s o 。是燃油中的硫和硫化物燃烧产生，目前，对船舶柴油机排放中的 s o 。控制技术有2 1 ：( 1 ) 选用低硫燃料。硫含量下降，使s o 。排放减少，但低 硫燃油在炼制过程中需要耗费大量能量并能造成新的污染，且价格相对昂贵。 ( 2 ) 从烟气中脱硫。海水冲洗是烟气脱硫的常用办法之一，它利用海水呈碱性 与s o ，可溶于海水的原理，让排气通过清洗装置，洗涤水溶解s o 。而生成硫 酸，利用海水的碱性正好将其中和。组织的良好燃烧可以说对s o 。的排放关 系不大，而对n o 。和p m 排放的控制，却有着非常重要的意义。 1 2 2 控制排放物的主要措施 柴油机排放控制的难点在于n o 与p m 生成机理存在相互制约的关系 5 1 。对于柴油机喷射油束的扩散燃烧而言，从过量空气系数。= o 6 开始，随 着。的减少，碳烟的生成量增大；受温度的影响，在温度1 6 0 0 k 1 7 0 0 k 范 围内出现最大值，而且温度过高或过低时p m 都有所下降。当。 o 6 时，虽 然不会产生碳烟，但n o 的生成量会随着。的增加而增多。大约在。= 1 1 ， 温度为2 4 0 0 k - 2 6 0 0 k 时达到峰值6 1 。这样，在柴油机的碳烟和n o ，排放之间 就形成了规律不同而又相互矛盾的变化趋势。因此，许多降低碳烟排放的有 效方法往往会引起n o 。排放的上升，反之亦然。这就是同时降低柴油机碳烟 和n o 。排放的难点所在。因此，在研究减少n o ，排放率的控制技术之同时也 必须兼顾p m 排放量、燃油消耗率及输出功率等问题，如此发展的控制技术 才有实用价值。 哈尔滨。i ：挥人学硕十。学何论文 解决上述问题的关键是进一步合理的组织柴油机燃烧室内的燃烧过程， 因此需要进一步的合理组织柴油机中的进气过程、燃油供给过程和混合气形 成及燃烧过程，为此需要优化柴油机中进气系统、燃油系统和燃烧系统的性 能及相互间的匹配【 1 。 对于目前减少有害排放物常采取的有效措施总结如下： ( 1 ) 采用增压+ 中冷技术8 。1 9 1 采用增压中冷技术是降低n o 。和p m 排放，改善柴油机经济性和提高动 力性的很有效的措施之一。采用增压能增加进气量，使过量空气系数增大， 能降低油耗，增加功率，而且也是改善发动机排放的一个极为有效的措施， 就目前而言，低增压的柴油机能增加功率3 0 ，增压+ 中冷能增加5 0 6 0 ， 省油5 。 ( 2 ) 应用多气门加可变配气相位技术口蚴1 采用多气门技术可以减少进、排气阻力，能将燃烧室设计成对称布置， 把喷油嘴垂直布置在气缸中央，使用多孔油束分布均匀，促进燃油与空气的 混合，有助于混合气的形成。同时固定的配气相位只能在某些工况处于燃烧 最佳状态，现已有不少大的发动机公司正在实验完全用e c u 控制的电磁阀作 为进、排气阀，使气门开启能随不同的工况而改变配气相位和气门升程。这 就使发动机的经济性和排放性得到更大改善。近来，对进气涡流的控制也受 到关注，它对缸内燃油的混合也起到了一定的作用。 ( 3 ) 采用e g r 技术伫姐5 1 为满足不断严格的柴油机n o 。排放要求，应用中采用了总多技术，其中 采用废气再循环是非常有效的一种方式，但试验证明，当采用e g r 时柴油机 的h c 和p m 的排放会有一定程度的增加，为了达到最佳的效果，必须采用合 理的废气再循环率。 ( 4 ) 开发高性能的喷油系统口啦7 1 为了适应严格的排放法规，对喷油系统提出了新的要求： 1 、高的喷射压力，独立的喷射压力控制； 6 哈尔滨l ：稃人学硕十：乏何论文 提高喷油压力能使燃油的喷雾颗粒进一步细化，加速燃油与空气的混 合。为此，近年来高压强化技术在直喷式柴油机上得到了广泛应用。 2 、独立的喷射正时控制； 一般来说，保证最佳动力性和经济性的喷油定时，除了造成较大的燃烧 噪声而外，还会导致较高的n o 。排放。适当推迟喷油j 下时是降低柴油机排放 中n o 。浓度的简单而有效的措施之一。 3 、灵活的喷油规律； 合理的“靴形”喷油规律：先缓后急，后期快断。即初期喷油速度不要 过高，以达到降低燃烧温度、抑制n o ，生成及降低噪声的目的；中期则应急 速喷油，以加速扩散燃烧速度，防止微粒排放和热效率恶化；后期喷射结束 要快，以避免喷油压力低、雾化质量差，导致燃烧不充分，p m 排放增加。 另外，预喷射、分段喷射、多次喷射、后期喷射等对喷油速率控制技术 的研究比较活跃，也取得了良好的效果，显示出了喷油速率控制技术对改善 柴油机排放的巨大潜力口8 1 。 4 、改进喷嘴结构，减小喷油器及燃烧室之问的有害容积，实现喷孔数 目、喷油孔径、喷雾锥角的优化匹配。 ( 5 ) 优化燃烧室结构 对燃烧室结构进行优化，充分利用燃烧室内的气流运动，促进混合气的 形成，改善燃烧过程，实现燃烧室与喷油系统的最佳匹配。 ( 6 ) 油水混合喷射、乳化燃油技术口川 柴油机燃烧室内喷水技术可降低最高燃烧温度从而降低n o ，的形成，至 于如何将水喷入燃烧室并不是最主要的，但水雾与燃气的混合越好效果也越 明显。由于水的比热较大，因此水蒸发产生水蒸汽时要吸收大量潜热，从而 使燃烧最高温度下降，使n o ，生成减少。水蒸汽的水煤气反应，也能减少碳 粒的排放。有的柴油机制造厂采用两个独立喷射系统( 即一个喷油系统，一个 喷水系统) ，或者是一个喷油器、两个喷嘴( 一个喷油嘴、一个喷水嘴) ，也有 的厂家将油和水在系统中混合进行乳化通过一个喷嘴向燃烧室喷射乳化油。 哈尔滨t w 人。硕十学何论文 ( 7 ) 柴油品质的改善及代用燃料拉引 大力发展代用燃料及各种“清洁”燃料，以降低柴油机对环境的污染。 采用新的柴油配方和代用燃料：优质柴油要求低硫、低芳烃、高十六烷值等。 研究表明：柴油中硫的质量分数由o 3 减少到0 0 5 时，颗粒物污染将减少 9 。十六烷值是影响n o 。排放的主要参数，十六烷值由4 0 增加到5 0 ，n o 。 排放下降约1 1 。目前广泛研究的发动机代用燃料有甲醇、乙醇、二甲醚、 天然气、液化石油气、生物燃料柴油等。 ( 8 ) 排气后处理技术 对n o 。后处理而言：n o 。吸附催化器( n a c ，n o 。a b s o r b e rc a t a l y s t ) 技术，利用贵金属催化剂在稀v 2 0 ；、t i o ，混合状态下将n o ，中的n o 转化为 n o ，并吸附在b a o 等碱土氧化物上生成硝酸盐，定期在浓混合状态下将 n o ，脱除并还原成n ，p 们。以v 2 0 ，、t i o ，等作为催化剂的常用的技术还有， 选择催化还原( s c r ，s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ) 技术，以氨( n h 3 ) 或尿素 ( u r e a ) 做还原剂，在专门的催化反应器中进行反应，其n o 。去除率一般可达 6 5 以上p ；选择非催化还原技术( s n c r ) 、非选择催化还原技术( n s c r ) ，其 n o 。去除率都较s c r 低。s n c r 只在发电厂得到了广泛应用，而使用n s c r 催化剂消耗量极大d 2 1 。另外，稀n o 。催化剂( l n c ，l e a nn o ，c a t a l y s t ) 技术 是近年来发展的一种d e n o ，技术，它利用h c 作还原剂脱除n o 。 对p m 而言，颗粒捕集器( d p f ，d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ) 是高效净化柴油 机排气颗粒物的常用技术。在现有的控制方法中，使用微粒陶瓷过滤器被认 为是一种能够满足同益严格的排放标准的有效的后处理手段。微粒捕集技术 是否实用，再生技术是关键。已经研究过的柴油机微粒陶瓷过滤器的再生方 法主要包括催化再生、喷燃油或燃气助燃再生、电加热再生、反吹再生、微 波再生等口那。此外针对p m 还有氧化催化器技术( d o c ，d i e s e lo x i d a t i o n c a t a l y s t ) 、低温等离子技术、旋风分离技术等p 钔。 ， ( 9 ) 新的燃烧方式 近几年，国外许多著名的研究机构都在积极开展新一代内燃机燃烧控制 8 哈尔滨t 种人学硕十学何论文 理论和控制技术的研究，人们首先想到的是预混、均质、稀燃方式。 在柴油机研究上，有美国西南研究院( s w r i ) 的均质充量压燃燃烧过程 ( h c c i ，h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ) ，h c c i 燃烧过程的研究 在近几年内取得了很大进展，成为当前研究的热剧”1 。这种燃烧方式就是增 大柴油发动机的预混合的燃烧，减少燃烧室内富氧区的容积，从而降低n o 。 的排放，同时也使高浓度区减少，而使p m 的排放降低，由于h c c i 燃烧模 式具有低n o 。、p m 排放，且有较高热效率的特点，因而受到广泛关注。 日本n i s s a n 汽车公司提出的m k ( m o d u l a t e dk i n e t i c s ) 燃烧概念，通过低 温、预混燃烧，也能在不增加燃料消耗的情况下降低柴油机排放，尤其是降 低n o ，p m 排放，可使n o ，下降9 8 、烟度小于1 b s u m l 。它的主要工作 原理是：采用低温燃烧加预混燃烧。其核心思想为：不依赖提前喷油而达到 预混合燃烧，通过大量的e g r ，采用低温燃烧降低n o 。，通过大幅度地推迟 喷油定时来延迟滞燃期，扩大预混合燃烧的比例，来降低p m 。此方法在日 本的一些柴油机上已经开始使用。 天津大学的苏万华教授在气体模拟实验的基础上提出的b u m p 稀扩散 燃烧系统，通过在壁面上设置b u m p ，使撞壁射流从壁面剥离，形成二次空 间射流，大大加快燃油与空气的混合速率，使油束在与燃烧室壁面相撞的瞬 间发生闪混( f l a s hm i x i n g ) 现象，减少燃油在燃烧室壁面上的堆积，极大地改 善了混合气的形成，在较大的工况范围内实现了n o 。和p m 同步降低，显示 出巨大的发展潜力。该燃烧系统与基于脉冲多次喷油燃油喷射系统相结合， 提出新一代高效、清洁燃烧柴油机复合燃烧系统，试验研究结果表明，该燃 烧系统在保证柴油机燃油经济性的同时，大幅度降低n o ，和p m 排放。 此外r 本交通安全研究院提出的均匀充量柴油机燃烧过程( h c d c ， h o m o g e n e o u sc h a r g ed i e s e lc o m b u s t i o n ) ，日本新a c e 研究院提出的预混稀 燃柴油机燃烧过程( p r e d i c ，p r e m i x e dl e a nd i e s e lc o m b u s t i o n ) 及最近又提出 的多级喷射柴油机燃烧过程( m u l d i c ) 等等。 9 哈尔滨i ：稃人学硕十产何论文 1 3 课题研究的方法 1 3 1 燃烧模拟的意义 缸内燃烧的优化是降低柴油机排放的关键。长期以来，实验是研究缸内 燃烧的主要手段，而柴油机的燃烧过程十分复杂，限于实验条件、测试技术 水平及实验仪器精度的限制，这种实验研究也有很大制约，且费用昂贵，使 得缸内燃烧成了内燃机研究的难题口7 1 。 自二十世纪6 0 年代以来，随着计算技术的飞速发展及计算流体力学、计 算传热学、化学动力学等基础理论研究的深入，柴油机的进气流动、喷雾和 燃烧的数值模拟逐渐形成了一个独立的发展分支。它以实验和基本理论的研 究成果为基础，通过计算机把实验研究、理论分析和科学计算有机地融为一 体。它具有调整参数方便、运行速度快、成本低等优点，可以在众多的影响 因素中找出关键的控制变量，优化实验与设计方案，降低产品研制周期及费 用等优点，使得柴油机工作过程的数值模拟己成为柴油机研究和设计中的一 种有效手段，成为实验研究的重要补充口引。目前，各发达国家和包括中国在 内的发展中国家都已经形成了从事内燃机燃烧模拟的专业队伍，并在不断地 取得新的成果。所以，开展内燃机燃烧过程数值模拟这一课题的研究，是十 分必要的，也是非常有意义的。 1 3 2 燃烧模拟的发展 自计算机的内燃机循环模拟研究工作以来，短短的4 0 年时间里，内燃机 工作过程和燃烧过程数学模型的研究突飞猛进地向前发展。根据内燃机研究 对象的不同，对不同的问题采用了不同的处理方法，提出了各种燃烧模型口9 1 。 最常见内燃机燃烧模型的分类方法是e v b r a c c o 于1 9 7 4 年提出的将燃烧模型 按维数分为零维模型、准维模型和多维模型，对各模型的发展简述如下： 1 、零维模型 早在数值计算手段远不如今这样发达的2 0 世纪5 0 6 0 年代，人们已经开 1 0 哈尔滨f i 稚人学硕十学何论文 始对发动机的燃烧进行宏观模拟，即不涉及燃烧过程的细节和真实机理，只 求能对其宏观的整体效果做出有一定精度的模拟和预测。在这种意义上，产 生了不依赖于流动模型和喷雾模型，而独立存在的内燃机燃烧模型。所谓零 维模型或热力学模型，其基本思想是由实际发动机测得的示功图p = 坟矽) ，通 过热力学第一定律，计算出更直接地反应燃烧过程特征的燃烧规律；其目的 是对柴油机燃烧过程的一些宏观性能参数做预测分析，如示功图随发动机运 行工况及燃烧初始参数变化的规律；其参数在整个气缸内均匀而不随空间变 化，而且是以热力学的质量平衡和能量平衡关系作为全部计算的基础。 至今，零维模型已被广泛用于内燃机设计和研究中，公开报道的零维模 型也是多种多样的，较常用的为w i e b e 模型和w a t s o n 模型。但零维模型把 缸内工质假定为均匀分布，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排放产物的影响，不能用于有害 废气浓度预测，也不能分析喷雾、蒸发、混合及火焰传播对燃烧过程的影响。 2 、准维模型 零维模型把气缸内部处理为均匀场，这一假设也过于粗糙，特别是均匀 的温度场无法预测人们同益重视的各种排放。为此，人们人为地把燃烧室空 间划分为若干个区域。在每个区域内，方程仍然保持以时间为唯一变量的常 微分方程进而相互影响。这类模型称为准维模型( q u a s id i m e n t i o n a lm o d e l ) ，或 按其分区的数目分为双区或多区模型。 柴油机燃烧的显著特征是气缸内工质分布的不均匀性，其燃烧主要受控 于燃料与空气混合，即喷雾区域内的物理化学过程。喷雾中燃料和空气的混 合物决定了缸内的温度和化学成分场，从而在不同的区域产生了各种燃烧产 物。柴油机的准维燃烧模型即基于这一特点，将整个燃烧过程抽象为喷雾、 燃烧、传热和化学反应等子过程，分别建立子模型，再由燃烧室内总质量、 能力守恒及容积等约束条件确定各子模型的关系，来描述整个燃烧过程，计 算排放产物的形成。由于抽象的方式和描述各子过程的侧重点的不同，目前 已发展了多种不同观点、不同功能、不同用途的柴油机准维燃烧模型，其中 哈尔滨t 程人学硕十学何论文 有代表性的柴油机准维模型有：美国康明斯( c u m m i n s ) 公司林慰梓等人4 提出 的以气相喷注为基础的“气相射流燃烧模型”，该模型认为燃料的雾化与蒸发 率远远大于燃料与空气的混合速率，当接近压缩终点时，燃烧室内的状态已 超过了燃油的临界状态，因此，燃料一旦射入燃烧室后立即成为气态，故可 用一股气相射流来模拟实为两相混合物的喷雾；日本广岛大学广安博之眸1 等 人提出的以油滴蒸发为基础的“油滴蒸发燃烧模型”，该模型忽略液体射流的 雾化分裂过程，假定燃料直接以油滴形式射入燃烧室，并认为油滴的蒸发速 率对燃烧过程起控制作用。 准维模型发展至今，尽管很大一部分模拟计算程度已实用化，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该简 化成气相射流还是喷雾蒸发模型，此问题还有待于进一步探讨。( 2 ) 喷注的反 溅对混合有极重要的影响，但如何描述碰壁现象，如何表征缸内充量运动对 喷柱碰壁的影响也成为柴油机准维模型发展的关键问题之一。 3 、多维模型 多维模型是在遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒的基础上，进一步考 虑了燃烧室内的压力、温度、工质成分和流体速度等，通过求解支配燃烧现 象的物理、化学过程的基本微分方程，它可以提供有关燃烧过程中气流速度、 温度和压力及成分在燃烧室内瞬态空间分布的详细信息。它全面地考虑了内 燃机的工作过程，包括多维、多组分气体流动，油束的形成和发展，预混燃 烧和扩散燃烧，所涉及的领域包括湍流、多相流、燃烧化学反应、传热等， 它是一种较为精细的模型，又被称精细模型。最初的多维数值模拟可追溯到 上世纪的7 0 年代初期，在w a t k i n s 的博士论文中计算了一个二维轴对称、无 燃烧、无喷射的缸内气体流动的粒子h 3 1 ；b o n i 等人结合h i r t 等人发展的任意 拉格朗同欧拉法，加入了燃烧和湍流子模型，用二维模型分析模拟发动机的 压缩过程和做功过程。这些早期模拟工作现在看起来虽有些粗糙，但正是他 们为柴油机工作过程数值模拟研究的发展奠定了基础。随后，1 9 8 4 年 g o s m a n 1 发表了求解缸内三维湍流场的论文后，内燃机多维数值模拟进入了 哈尔滨f ：群人学硕十学何论文 一个新的发展阶段。 国内对发动机多维数值模拟起步较晚。1 9 8 5 年，大连理工大学率先完成 了缸内轴对称二维层流流动的计算模拟。随后，又完成了喷雾模拟、二维燃 烧数学模拟等缸内过程的模拟工作p “。三维数值模拟基本上都是在九十年代 才开始的h q 。国内内燃机工作者也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，开发出了许多内燃机工作过程数值模拟程序。 例如北京理工大学开发了三维内燃机工作过程通用模拟程序r e s 3 d i i p n ；中 国科学技术大学火灾科学国家重点实验室开发了计算直喷式柴油机螺旋气道 与缸内空气运动的大型微机化程序i p i c c f d ( i ) m 1 ；同济大学、江苏理工大 学开发了涡流式柴油机工作过程的三维数值程序