（动力机械及工程专业论文）增压柴油机掺水试验与仿真研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 增压柴油机掺水试验与仿真研宇删 摘要 一一 石油紧缺和环境污染是内燃机发展面临的两大难题 目前应对的主要 措施是寻找清洁替代能源 改善燃烧过程和进行相应的后处理措施 柴油 掺水燃烧能够改善燃烧过程 降低n o x 的排放 提高燃油经济性 本文主 要进行了柴油掺水乳化的仿真研究和进气道喷水的台架试验研究 分析柴 油掺水燃烧对发动机动力性 经济性 排放性和振动特性的影响 本文借助于f i r e 软件 建立了4 1 0 0 q b z l 增压柴油机仿真模型 并且 通过对比仿真结果和试验结果验证了模型的正确性 进行了柴油乳化掺水 的计算模拟 研究结果表明 柴油乳化掺水燃烧后n o x 排放降低1 0 2 5 碳烟的排放也有改善 但是 当乳化掺水比例达到3 0 时 n o x 排放降低 不明显 碳烟升高 燃烧过程剧烈 因此 柴油乳化掺水比例以2 0 l i 二较 合适 本文在分析柴油掺水燃烧的理论的基础上 设计开发了一套进气道喷 水系统 直接将喷嘴固定在进气道上 并设计了电控单元 可以精确控制 进气道喷水量 通过在4 1 0 0 q b z l 增压柴油机上进行不同喷水量的台架试 验 得出结论 进气道喷水增加了压缩负功 延长了滞燃期 增加了预混 合燃烧的比例 降低了预混合燃烧过程发动机的缸内温度 n o x 排放降低 1 0 3 0 c o 在低速低负荷时升高 碳烟和h c 的排放基本保持不变 柴 油机动力性和燃油经济性稍有改善 本文同时对试验测量的振动信号进行了分析 分别测试了柴油机缸体 太原理工大学硕士研究生学位论文 和缸盖的振动信号 并对信号进行了傅立叶变换得到幅频特性 同时结合 缸内压力升高率的变化分析进气道喷水对柴油机振动的影响 研究结果表 明 随着进气道喷水量的增多 增压柴油机压力升高率 缸体和缸盖的振 动增大 不同进气道喷水量对缸体和缸盖振动的影响与柴油机压力升高率 的变化趋势相同 可以利用缸体和缸盖的振动信号初步分析进气道喷水对 柴油机燃烧过程的影响 关键词 增压柴油机 进气道喷水 燃烧 排放 振动 r es e a r c ho ne x p e r i n ta n ds i n 眦a t i o n 0 ft u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e e d t hw a t e r a b s t r a c t o i l s h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na r et h et w ob i g g e s tp r o b l e m s i n f l u e n c i n ge n g i n ed e v e l o p m e n t t h em a i nm e a s u r e so ft h ec u r r e n tr e s p o n s ea r e t of i n dc l e a na l t e r n a t i v ee n e r g ys o u r c e s i m p r o v et h ec o m b u s t i o np r o c e s sa n d t a k ep o s t p r o c e s s i n gm e a s u r e s d i e s e lm i x e dw i t h w a t e rc a n i m p r o v et h e c o m b u s t i o np r o c e s st or e d u c en o xe m i s s i o n sa n di m p r o v ef u e le c o n o m y t h i s t h e s i sf o c u s e so nt h es i m u l a t i o n s t u d yo fd i e s e l m i x e dw i t he m u l s i f i e d w a t e r b l e n d e dd i e s e la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fi n l e tw a t e ri n j e c t i o n a n a l y z e d t h ei m p a c to fd i e s e lf u e lm i x e dw i t h w a t e rt ot h e e n g i n ep o w e r e c o n o m y e m i s s i o n sa n dv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h i sa r t i c l eh a ss e tt h e410 0 q b z lt u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n es i m u l a t i o n m o d e lw i t ht h es o f t w a r e f i r e b yc o m p a r i n gt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ea c c u r a c yo ft h em o d e li sp r o v e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t so fw a t e r e m u l s i f i e dd i e s e ls h o wt h a t w a t e r e m u l s i f i e dd i e s e lc a l lr e d u c e n o xe m i s s i o n sd o w n1o 一2 5 s o o te m i s s i o n sa r ea l s oa m e l i o r a t e d b u tw h e n w a t e r b l e n d i n gp r o p o r t i o nu p t o30 n o xe m i s s i o n sw a sn o tc h a n g e d o b v i o u s l y t h es o o te m i s s i o n sw a sw o r s e n i n ga n dc o m b u s t i o nb e c o m es e v e r e r i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h e r e f o r e t h ea p p r o p r i a t ep r o p o r t i o no fw a t e ri nw a t e r e m u l s i f i e dd i e s e li s2 0 o nt h eb a s i so ft h et h e o r yo fa n a l y z i n gc o m b u s t i o no fd i e s e lm i x e dw i t h w a t e r as e to fw a t e r i n je c t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e dw i t ht h en o z z l ef i x e di nt h e i n l e td i r e c t l y a n dt h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i tw a sd e s i g n e dt oc o n t r o lt h ea m o u n t o fw a t e ri n je c t i o na c c u r a t e l y b yt e s t e do nt h e4 10 0 q b z lt u r b o c h a r g e dd i e s e l e n g i n ew i t hd i f f e r e n ta m o u n to fw a t e ri n je c t i o n t h er e s u l ts h o wt h a ti n l e tw a t e r i n je c t i o nc a ni n c r e a s e dt h ec o m p r e s s e dn e g a t i v ep o w e ra n de x t e n d e dt h ei g n i t i o n d e l a yp e r i o d w i t ht h ep r o p o r t i o no fw a t e ri n je c t i o ni n c r e a s i n g t h ec y l i n d e r t e m p e r a t u r eo fp r e m i x e dc o m b u s t i o np r o c e s sc a na l s or e d u c e d a n dn o x e m i s s i o n sr e d u c e db y10 一30 a tl o ws p e e da n dl o wl o a d c oe m i s s i o n s i n c r e a s e dw h i l et h es o o ta n dh ce m i s s i o n sr e m a i n e du n c h a n g e d i na d d i t i o n e n g i n ep o w e ra n df u e le c o n o m yi m p r o v e ds l i g h t l yw h e ni n je c t e dw a t e ri ni n l e t t h i st h e s i sa l s oa n a l y z e dt h et e s t e dv i b r a t i o ns i g n a l t h ed i e s e l e n g i n e c y l i n d e rb l o c ka n dc y l i n d e rh e a dv i b r a t i o ns i g n a lw e r et e s t e d t h e nt r a n s f o r m e d t h es i g n a lw i t hf o u r i e ra m p l i t u d e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s a n da n a l y z e dt h e a f f e c to f w a t e r i n j e c t i o ni ni n l e to ne n g i n ev i b r a t i o n c o m b i n gw i t ht h ec y l i n d e r p r e s s u r er i s er a t e t h er e s u l ts h o wt h a t w i t ht h eq u a n t i t yo fi n l e tw a t e ri n j e c t i o n i n c r e a s i n g t u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n ec y l i n d e rp r e s s u r ei n c r e a s er a t ea n dt h e v i b r a t i o no ft h ec y l i n d e rb l o c ka n dc y l i n d e rh e a di n c r e a s e d t h ec y l i n d e rb l o c k a n dc y l i n d e rh e a dv i b r a t i o nh a v et h es a m ec h a n g et r e n dw i t he n g i n ep r e s s u r e r i s er a t ew h e nc h a n g et h eq u a n t i t yo ft h ei n l e tw a t e ri n je c t i o n w ec a nu s et h e v i b r a t i o ns i g n a lo ft h ec y l i n d e rb l o c ka n d c y l i n d e rh e a d st op r e l i m i n a r ya n a l y s i s i v 太原n r 大学硕士研究生学位论文 二二 二二二 一 t h ei m p a c to ft h ei n l e tw a t e r i n je c t e do nt h ed i e s e lc o m b u s t i o n p r o c e s s k e y w o r d s t u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e i n l e tw a t e ri n je c t i o n c o m b u s t i o n e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s v i b r a t i o n v 太原理工大学硕士研究生学位论文 v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 柴油机自1 8 9 7 年问世以来已经发展了1 1 0 多年 在内燃机中 柴油机具有诸多优 点 首先 柴油机压缩比高 功率大 动力性能好 其次 柴油机热效率高 通常可达 3 0 4 0 汽油机只有2 0 3 0 经济性好 燃油消耗比汽油机平均低3 0 以质量 0 8 1 5 t 的轿车每一百公里油耗比较 汽油机车的油耗平均为5 8 2 l 非直喷式柴油机 车的油耗平均为4 6 8 l 直喷式柴油机车的油耗平均为5 6 l 第三 柴油机尾气排放 总体较低 柴油机排放造成的温室效应要比汽油机低大约4 5 左右 一氧化碳 c 0 和碳氢 h c 的排放也低 氮氧化合物 n o x 的排放在整车的寿命期周期稍大于汽 油机 不足之处是有害颗粒物 p m 排放高 另外 柴油机还具有寿命长 耐久性好 的优点 1 2 由于柴油机具有以上所述的动力强劲 热效率高 经济性能较好 可靠性高等特点 因而获得了广泛的使用 国内主要应用于轻型 中型 重型货车 船舶 农业机械 铁 路机车和国防等领域 柴油机的轿车在国外也有较快的发展 石油资源属于不可再生资源 我国是贫油国家 对石油的进口依赖较大 2 0 1 1 年 我国石油的对外依存度高达5 6 3 3 1 而我国石油消耗主要集中在汽车行业 目前我国 汽车行业对石油的消耗量已经高达总消耗量的1 3 以上 4 1 因此 降低内燃机的燃油消 耗是十分重要的 随着汽车保有量的持续增加 汽车尾气对环境的污染也越严重 对人 们的身体健康构成了威胁 世界各国制定了严格的排放法规 我国的排放法规相对美国 欧洲 日本起步较晚 1 9 9 9 年1 月在北京 7 月在上海实施类似于欧i 的排放法规 2 0 1 0 年起实施相当于欧 的排放法规 基本与国际水平接轨 表1 1 给出了欧洲对重型车排 放标准的限制 太原理工大学硕士研究生学位论文 表1 1 欧洲重型车排放标准限值对比 c o h cn o xp m 排放法规年份 各注 g c k w hg k w hg k w hg k w h 1 9 9 3 1 04 51 1 8 oo 6 1 垡5 k w 欧 i 1 9 9 3 1 04 51 18 0o 3 6 8 5 k w 1 9 9 6 1 04 01 17 oo 2 5 v h 9 7 升 缸 欧 i i 1 9 9 8 1 0 4 01 17 o0 1 5 v h o 7 升 缸 2 0 0 0 1 02 10 6 6 5 o0 1 0 e s c 或 欧 e l r v h 3 0 0 0 r m i n 欧 2 0 0 5 1 01 50 4 63 5o 0 2 欧 v 2 0 0 8 1 01 50 4 62 o0 0 2 欧 2 0 1 20 5 1 oo 0 0 2 o 0 1 注 为欧洲固定循环 为欧洲负荷响应 针对能源危机和排放标准限制的双重压力 内燃机工作者在不断寻找解决的途径 目前比较有效的手段主要有清洁代用燃料 前处理净化 机内净化措施和后处理技术 目前主要的代用燃料主要有醇醚类燃料 生物柴油 天然气 液化石油气 氢气 煤制油等 其中在我国最受重视的是醇醚燃料和天然气 国内外对代用燃料的研究比较 多 国内太原理工大学 西安交通大学 上海交通大学 天津大学等对醇醚燃料在发动 机上的应用进行了研究 并取得了预期的效果 试验表明 利用二甲醚或甲醇作为柴油 机的代用燃料 可以大幅度的降低发动机的n o x 和烟度排放 改变n o x 和p m 的t r a d e o f f 关系 c o 和h c 基本保持不变 但是由于二甲醚粘度低 又能溶解机油 直接应用会 对供油系统产生影响 甲醇具有腐蚀性 热值低 不易与柴油混合 粘度低等缺点 5 1 天然气因为辛烷值高 抗爆性好 燃烧完全 无碳烟排放 己在内燃机上得到了广泛的 应用 但是制约天然气在柴油机上应用的主要因素是 储气罐较重 运输成本高及安全 性等 我国是缺油 少气 富煤的国家 因此 推广甲醇燃料对解决我国的能源危机有很 大帮助 乙醇燃料主要来源是农作物 我国人i 3 众多 大面积推广不太现实 而甲醇来 源广泛 可以由煤 生物质 天然气 城市垃圾制取 生产甲醇的原料是c o 和h 2 凡 是能得到c o 和h 2 的原料 都可以用来生产甲醇 并且利用c 0 2 和h 2 生产甲醇技术成 熟 能够实现c 0 2 循环 有利于降低温室效应 甲醇具有与汽油相近的物化特性 辛烷 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 值较汽油高 并且影响甲醇应用的冷启动困难 腐蚀性 排放甲醛等问题已经得到了技 术解决 山西作为煤炭大省 每年有大量的高硫煤和煤层气浪费掉 这些资源都可以用 来生产甲醇 变废为宝 6 7 目前在山西 陕西和上海已开展了m 8 5 等高比例甲醇汽油的试点推广 开展甲醇 燃料是根据我国能源结构提出来的重要战略措施 相比天然气 甲醇燃料具有不必额外 建立加注站 安全可靠等重大优点 甲醇汽油 甚至纯甲醇燃料已具备大范围推广条件 但甲醇在柴油机上的应用有较大的困难 甲醇十六烷值低 在柴油上应用需添加大量添 加剂 成本较高 因此甲醇在柴油机上的应用仍需继续努力 并寻找更优的办法 前处理净化就是在燃料和空气进入发动机燃烧室前 对其进行净化的处理 机内净 化措施主要是针对柴油机排放污染物的生成机理而控制有害排放物的生成反应 后处理 技术是对废气进行再处理的措施 8 表1 2 列出了一些技术的基本原理以及各自的缺点 9 13 1 1 2 掺水燃烧技术的现状 1 2 1 掺水燃烧反应机理 柴油机掺水燃烧技术主要有乳化柴油 进气空气增湿和缸内直接喷水技术 掺水燃 烧的机理主要包括以下几个方面 1 乳化柴油中水粒均匀分布柴油中 起到阻隔作用 使得燃油喷射雾化效果好 1 4 同时由于随着温度的升高 水先蒸发 使得油滴粒度减小 加强雾化效果 1 5 18 2 乳化柴油的燃烧存在着微暴效应 由于乳化油是油包水或水包油 水的沸点比 柴油低 于是水先从柴油中蒸发出来 将周围的柴油爆成更细小的微粒 1 9 2 0 3 由于水的蒸发吸收燃烧室和缸壁的热量 能降低缸内的温度 水蒸气参与推动 活塞做功 提高发动机热效率 并且水具有较大的比热容 升高同样的温度需要吸收的 热量较多 使得缸内温度较低 可以降低n 0 x 排放 2 1 4 水煤气反应 燃料中大量存在的碳原子和碳氢化合物会和高温下水蒸发产生的 水蒸汽进行如下的反应 c h 2 0 寸c o h 2 1 2 5 7 k j 1 1 c 2 h 2 0 专c o 2 h 2 7 5 1 9 u 1 2 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o h 2 0 专c d 2 h 2 2 4 6 3 k 2 h 2 十d 2jh 2 d 4 6 0 o k 表1 2 柴油机排放控制措施的基本原理及缺点 1 3 1 4 类别技术基本原理 缺陷 利用水的吸热和稀释作用 在燃腐蚀气缸壁 并会稀 燃油掺水烧过程中降低最高燃烧温度 从 释润滑油使润滑油变 而降低n o x 排放质 前处理措燃油改质 加入活性剂 加速n o x 的热分解加入活性剂 提高燃 施 油的成本 利用代用燃料相对柴油的物化特代用燃料的物化特性 性优点 可以降低c o h c n o x有自身的缺陷 甚至 代用燃料 和微粒的排放有必要对发动机进行 局部的改动 引回一部分废气到进气管 可以e g r 率控制不当 会 降低0 2 的浓度 同时h 2 0 c 0 2造成h c 和c o 排放升 e g r等惰性气体具有较高的比热 可高 经济性恶化 高 以降低最高燃烧温度 降低n o x负荷动力性不足 排放 通过降低进气温度 降低缸内最 增压中冷 高燃烧温度 减少n o x 排放 机内净化 分割式燃 通过组织混合气的浓度和燃烧的 烧室 时刻 降低发动机最高燃烧温度 措施降低n o x 排放 可以通过组织适当的进气涡流强设计匹配较复杂 改善进气度 改变气门重叠角 改变进气 系统状态和多气门技术 适当降低排 放 喷油定时降低燃烧峰值温度和高温持续时造成微粒和油耗增加 延迟间 利用高喷射压力形成良好的混合 高压共轨 气 降低n o x 和微粒的排放 将催化剂喷入排气管 在催化器不能满足欧v 要求的 n s c r 的作用下与n o x 反应转化率和耐久性 利用n h 3 对n o x 的还原功能将采用n h 3 作为还原剂 n o x 还原为n 2 和水排到大气中 在轿车上应用体积 后处理技 s c r 与n s c r 的区别是有选择的还原大 成本高 实现困 术 n o x 难 氧化催化氧化c o 和h c 间接降低微粒排对n o x 的排放不起作 器放用 微粒捕集利用n 0 2 与过滤下来的颗粒反应捕集器再生是最大技 器 d p f 生成n o 和c 0 2 降低微粒排放术难题 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 以上反应不仅有自净碳烟的作用 而且生成氢气 对燃烧的改善有很大的作用 上述前两点属于乳化柴油在气缸内燃烧的反应机理 进气道喷水 空气加湿 和缸 内直接喷水因为没有形成油包水的形式 所以不存在微暴效应 或者是很小的微暴效应 1 2 2 乳化柴油在柴油机上的应用 乳化柴油在柴油机上的应用是最早的掺水燃烧方式 柴油掺水乳化技术发展到现在 可以分为静态乳化和动态乳化两种方式 静态乳化是指柴油在加入油箱前 通过一定的 外力措施 利用乳化剂的亲和作用将柴油和水混合 外力措施主要包括超声波 胶体磨 和机械搅拌等 动态乳化也称在线乳化 即在发动机上安装乳化器 将水和柴油以不同 的比例加入乳化器 乳化器在柴油机的带动下将油水混合 直接用于燃烧 2 2 2 4 1 国内外对乳化柴油技术的研究早就开始 并且一直不断探索乳化油的燃烧机理以及 对柴油机性能的影响 2 0 0 3 年西班牙卡斯蒂利亚拉曼查大学的o a r m a s 在低负荷柴油 机上进行掺水乳化的试验研究 结果表明 掺水1 0 的乳化油可以提高发动机有效热效 率 热n o p m t h c 的排放明显降低1 2 5 1 2 0 1 1 年法国南特中央理工学院内燃机队的 a l a i nm a i b o o m 和x a v i e rt a u z i a 在h s d i 柴油机上进行了柴油掺水乳化的试验 水和油 的掺混比例为2 5 6 并结合e g r 进行了试验 研究表明 柴油掺水乳化导致滞燃期 增加2 9 在保持原机喷射压力下 n o x 排放下降3 0 5 0 p m 在低负荷时下降不明 显 但在高负荷时反而上升很大 提高喷射压力后 n o x 排放上升2 4 p m 下降9 4 结合e g r 可以达到同时降低n o x 和p m 的目的 使柴油机排放处于较低的水平 2 6 1 国内对乳化柴油在柴油机上应用的研究也在不断进行 2 0 0 7 年上海理工大学的周 萍 孙跃东等在单缸柴油机上进行了掺水8 和1 5 的乳化柴油试验 研究表明 在单 缸柴油机燃用乳化油 会造成燃油消耗率下降 热效率有所升高 节油效果显著 n o x 和碳烟的排放均显著下降 c o 和h c 有所升高 2 7 1 2 0 0 4 年大连理工大学内燃机研究所 的史德胜和许锋等在单缸柴油机上进行了柴油掺水乳化和在线乳化的试验研究 结果表 明 在线乳化技术能根据不同的工况改变柴油掺水的比例 保证低负荷的稳定性 在线 乳化技术和乳化油燃烧特性基本一致 高负荷能同时降低n o x 和碳烟的排放 2 8 杭州 桐庐洪风公司创始人俞正良研究出了i i f 燃油乳化技术 该技术已经通过了国家以及省 部级的科学论证 2 0 1 0 年3 月 该公司与山西省长治市签约合作 在长治市建立了一个 年产1 5 万吨的i i f 燃油乳化生产示范基地 i i f 乳化燃油是在普通重油 普通柴油内掺 入1 5 2 0 的软水和o 8 5 的添加剂 用专用设备调和反应而成的一种新燃料油 与 s 太原理工大学硕士研究生学位论文 o 柴油相比较 h f 乳化柴油具有动力强劲 碳烟排放降低 发动机噪声减小 节油率 达到1 8 以上的优点 柴油乳化技术的优点是可以同时降低n o x 和碳烟的排放 改变n o x 和碳烟的 t r a d e o f f 关系 但是乳化技术的推广也受到不利因素的限制 由于乳化剂价格昂贵 并 且乳化油放置时间过长会导致分层 这些因素都不利于乳化柴油的大面积推广 在线乳 化技术较乳化油不存在乳化剂和储存的问题 但是在线乳化技术需要发动机进行改造 增加乳化器以及控制单元 增加了开发成本 1 2 3 缸内直接喷水技术的应用 缸内直接喷水d w i d i r e c tw a t e ri n j e c t i o n 是在原有喷油系统上增加喷水装置或者 设计第二套喷射系统 将水高压喷射进入气缸 2 9 3 0 由于缸内直接喷水技术复杂 所以国内外研究相对较少 威斯康星大学麦迪逊分校 发动机研究中心的f b e d f o r d 和c r u t l a n d 通过对喷油器进行改造 使得喷油器既可以喷 油 又可以进行喷水 但水和柴油不能同时喷 并利用k i v a 建立模型 进行仿真 研 究表明能同时降低p m 和n o x 排放 但实现起来很困难 成本较高 3 1 国内船用发动 机有的采用缸内直接喷水技术 对n o x 排放的降低有明显的效果 缸内直接喷水的优点是 1 掺水率可以达到较高的水平 能大幅度降低n o x 排放 降低可以达到5 0 6 0 3 2 2 可以实现低转速低负荷时不喷水 保证发动机运转的稳 定性 缺点是 1 发动机系统结构需要进行较大改动 2 喷水嘴寿命有限 3 柴油 机成本较高 1 2 4 进气空气增湿的应用 进气空气增湿是指雾状水或水蒸汽随空气一起进入气缸参与燃烧 进气空气增湿分 为两种方法 一是湿空气发动机系统 h a m 一种是向进气道喷水 h a m 系统是用 加湿器将液态水加热成水蒸汽 然后随着进气道中的空气一起进入气缸参与燃烧 3 3 3 孙 国内外对进气空气增湿的研究较多 2 0 1 1 年哈斯菲尔德大学的b t e s f a r m i s h r a 和e g u 等在四缸涡轮增压水冷直喷压燃柴油机上进行燃用生物柴油 进气道喷水的试 验 研究结果表明进气道喷射3 k g h 水时 n o x 排放降低5 0 燃油消耗基本不发生变 化 在不同工况下 对缸内压力和放热率的影响不同 缸内最高温度变化不大 预混合 燃烧温度降低 是导致n o x 降低的原因 c o 排放增加4 0 3 9 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 国内2 0 0 4 年武汉理工大学采用气一雾喷嘴进行了进气道喷水的试验 气一雾喷嘴 有两个入口 分别进入空气和水 通过调节水压和气压改变喷水量 空气是作为雾化水 的载体 研究结果表明 n o x 排放能大幅度的下降 燃油经济性也有所改善 4 0 2 0 0 3 年大连海事大学采用扫气箱喷水雾加湿进气空气的方法在船用柴油机上进行了柴油掺 水的试验 研究结果表明 在标定工况下n o x 降低至少13 柴油机工作性能指标不 受影响f 4 1 2 0 0 7 年七一一研究所在一台直列立式六缸增压柴油机上进行了进气支管喷 水加湿的试验 研究结果表明 进气空气加湿的方法降低n o x 排放明显 高负荷油耗 有所下降 热效率提升 进气道喷水的优点是 1 进气道可以喷入大量的水 通过大幅度降低气缸内燃烧 的温度 降低n o x 排放 当水量为燃油的3 倍时 n o x 排放可以降低7 0 2 和缸内 直接喷水一样 可以在不同工况下喷入不同量的水 3 发动机系统机构改变不大 4 可以降低燃油消耗率1 4 2 进气道喷水的缺点是 1 喷水量过大 会使液态水进入气缸 对气缸壁造成腐蚀 2 对p m 的排放没有效果 只能保证p m 排放不恶化 1 3c f d 在柴油机上的应用 计算流体力学 c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s c f d 是综合流体力学 数值计算 方法和计算机技术建立起来的新型学科 c f d 是将需要分析的流体对象简化成能描述其 流场运动的数学方程 主要包括质量守恒方程 动量守恒方程 能量守恒方程 物质守 恒方程以及湍流运动方程等 在选取合适的边界条件后用数值计算方法对封闭的方程组 进行数值求解的方法 4 3 4 5 1 随后随着计算机技术的发展和发动机燃烧理论的日趋成熟 使得c f d 在发动机领 域得到了更广泛的应用 在发动机的研发中采用c f d 技术较传统发动机设计方法缩短 了研发周期 减少了研发成本 目前 c f d 技术己被广泛地应用于汽油机和柴油机的进 气流场 喷雾形成及扩散 燃烧以及排放物的形成分析和优化的工作中 c f d 软件的核心是湍流运动的求解 目前 对湍流运动的描述还在不断的完善当中 没有形成较完整的理论 常用的发动机缸内燃烧数值模拟软件有 g t p o w e r s t a r c d s c r y u k i v a f i r e 和f l u e n t 等 本文所使用的模拟仿真软件是 a v l f i r e 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 本文的主要研究内容 本文根据进气道增湿对改善柴油机排放性能和燃油经济性有比较显著的作用 并且 不需要对发动机做较大的改动 在云内4 1 0 0 q b z l 增压柴油机上进行了进气道喷水的试 验研究 利用发动机测控系统 智能油耗仪和尾气排放分析仪等对进气道喷水对柴油机 性能的影响进行深入的研究 本文的主要研究内容如下 1 利用f i r e 软件建立柴油机燃烧模型 进行柴油掺水燃烧仿真试验 分析柴油掺 水对缸内压力 缸内温度和排放的影响 2 设计进气道喷水装置 根据柴油机燃油供给系统设计一套喷水系统 同时为了 对研究不同喷水量对柴油机性能的影响 需要对喷水量能够实现计量和改变 因此需要 设计控制单元 通过控制喷水器的喷射周期和脉宽来调节喷水量 3 对设计的进气道喷水系统进行标定 确定最大喷水量和试验时采用的三种不同 的喷水量 在原柴油机上进行燃烧柴油不喷水 喷水0 7 2 k g h 喷水1 4 4 k g h 和喷水 2 5 k g h 的速度特性试验和部分负荷特性试验 分析进气道喷入水对柴油机动力性 经济 性和排放性的影响 4 利用加速度传感器测量进气道喷水时柴油机缸体和缸盖的振动信号 通过对信 号的处理分析进气道喷水对柴油机振动的影响 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章柴油乳化掺水燃烧的仿真研究 本文为了研究柴油乳化掺水对柴油机燃烧和排放性能的影响 建立了柴油机燃烧室 模型 并利用试验验证模型的可靠性 通过仿真研究分析柴油乳化掺水对柴油机燃烧和 排放特性的影响 本章主要内容包括建立验证燃烧室模型并进行网格划分 选取边界条 件 对初始条件进行设置 选择合适的燃油喷射模型 雾化蒸发模型 碰撞破碎模型 燃烧模型以及排放物生成模型 利用试验验证了模型的可信性 通过计算得到数据并分 析柴油掺水对柴油机燃烧和排放的影响 2 1 燃烧室模型的建立与网格的划分 2 1 1 计算对象 本文主要对4 1 0 0 q b z l 四冲程增压柴油发动机在最大扭矩转速 发动机转速为 2 2 0 0 r m i n 5 0 负荷下分别对柴油不掺水和柴油中掺不同比例水的乳化油进行模拟计 算 并通过试验验证建立的模型 表2 1 为4 1 0 0 q b z l 型车用柴油机主要结构参数和运 行参数 表2 14 1 0 0 q b z l 型车用柴油机结构参数和运行参数表 t a b l e2 1s i m u l a t i o np a r a m e t e r so fd i e s e le n g i n e 发动机结构参数运行参数 气缸直径 m m 1 0 0 计算工况 2 2 0 0 r r a i n 5 0 负荷 活塞行程 m m 1 0 5 燃料类型 c 1 3 h 2 3 连杆长度 m m 1 7 5 最大气阀升程 m m 1 0 7 2 单个喷孔每循环喷 排量 l3 2 9 84 4 4 7 6 e 一6 油量 k g 压缩比 1 7 5 燃油喷射温度 k 3 5 3 长型闭式 喷嘴器类型喷油开始时刻 8 c ab t d c p 型 喷油器开启压力 m p a 2 4 5 士0 4 9 喷油结束时刻上止点 喷孔数 孔径 m m 6 x 0 2 4 初始缸内温度 k 3 4 0 喷油泵柱塞直径 m m 9 初始缸内压力 k p a 1 6 油束夹角 1 5 4 0 涡流比1 6 喷嘴伸出垂直高度 m m 2 5 进气门关闭时刻 4 8 0 c aa t d c 增压比 2 2 排气门开启时刻 6 5 3 0 c ab t d c 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 2 燃烧室模型的建立 计算模型的可靠性与燃烧室几何模型建立的精确程度有着重要的关系 本文选取的 燃烧室为云内4 1 0 0 q b z l 柴油机燃烧室模型 燃烧室形状为直喷半开式f d 型结构 本文 通过切割燃烧室对燃烧室界面进行7 t j 绘 在不改变燃烧室主要尺寸的前提下对模型进 行了简化 如图2 1 所示为燃烧室实际测绘图 图2 1 燃烧室实际尺寸图2 2 燃烧室最终模型 f i g 2 1c h a m b e rs h a p ef i g 2 2t h ef i n a ls h a p eo fc h a m b e r 本文利用f i r e 软件自带的e s e 模块对4 1 0 0 q b z l 柴油机燃烧室进行建模 通过选 择合适的燃烧室模型 设置燃烧室纵向截面参数 使燃烧室模型更接近实际燃烧室模型 如图2 2 所示为燃烧室模型的形状 2 1 3 网格的划分 f i r e 软件中自带动网格划分技术 能够通过增加 减少网格数目或拉伸 压缩网 格以及改变网格形状来适应计算区域的不断变化 本文将燃烧室简化为喷孔位置在活塞 正中央处对称分布 因此燃烧室的计算网格只取整个燃烧室的六分之一即可 利用e s e 一 模块在活塞和气缸顶之间生成随活塞和气缸相对运动的动网格 而燃烧室内部的网格基 本不变 如图2 3 所示为六分之一燃烧室网格划分模型 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 3 燃烧室网格模型 f i g 2 3g r i dm o d e lo fc o m b u s t i o nc h a m b e r 2 2 初始条件和边界条件的确定 2 2 1 求解器参数设置 本文主要针对柴油机喷雾燃烧过程进行仿真计算 因此只把进气门关闭到排气门打 开之间的过程作为研究对象 设柴油机处于压缩上止点时对应的曲轴转角为7 2 0 c a 根据表2 1 可得 进气门关闭时刻对应的曲轴转角为5 8 8 c a 排气门打开时曲轴转角 为8 3 4 c a 在保证计算精度的前提下 合理的设置计算时间步长可以节省计算时间 在计算初 期计算收敛性较差 在燃烧阶段缸内变化剧烈 这两个阶段计算时间步长应该较小 其 余期间 计算步长可以较大 计算时间步长的设置如表2 2 所示 表2 2 时间步长设置表 t a b l e 2 2t i m ed i s c r e t i z a t i o nt a b l e l 曲轴转角区间 c a 5 8 8 5 9 25 9 2 6 0 06 0 0 6 8 06 8 0 7 0 0 7 0 0 7 3 07 3 0 7 6 07 6 0 8 3 4 l 时间步长 c a s t e p o 20 5210 212 2 2 2 边界条件的设置 本文计算模型的边界条件对燃烧过程中与气缸盖 气缸壁和活塞顶面的传热系数有 重要的影响 在计算速度场时 边界条件分为固体壁面边界和周期边界 柴油机模拟一 般采用固体壁面边界 固体壁面边界条件的设置依赖于速度和温度边界条件的设置 4 6 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 速度边界条件包括有滑移边界条件 无滑移边界条件和壁面函数规律边界条件三 种 对于粘性流体 速度边界条件 般采用无滑移边界条件 即壁面处流体的速度与壁 面的速度相同 本文中为粘性流体 因此速度边界选择无滑移边界 温度边界条件包括 绝热壁面边界条件和固定温度壁面边界条件 本文假设温度边界为恒温边界 根据经验 分别取气缸盖 气缸壁和活塞顶面的温度为5 5 0 k 4 7 5 k 5 7 5 k 2 2 3 缸内初始条件的设置 缸内计算所需参数湍动能 t u r b k i n e n e r g y n 称t k e 和湍流长度尺度根据f i r e 自带帮助文件给出的公式计算 气 刀晒 二 u 2 2 1 2 巴 2 h 丽n 2 2 n u u 0 5xg 2 3 儿s 风 2 2 4 公式中 材 湍流脉动速度 m s 玎 发动机转速 r m i n h 发动机冲程 m 巴 活塞的平均速度 州s 丸 最大气阀升程 m 本文计算的工况为2 2 0 0 f f m i n 负荷5 0 表2 3 是湍动能和湍流长度尺度的计算 结果 表2 3 计算 r l t 湍动能值和湍流长度尺度 t a b l e 2 3t h ev a l u eo ft k ea n dt l si nc a l c u l a t e dc o n d i t i o n s t k e 参数 冲程 最大气阀升程 ut l s i 况 m m i l u l l c m s m 2 s 2 m m 2 2 0 0 r m i n5 0 负 1 0 51 0 7 24 73 8 52 2 2 35 3 6 荷 涡流比q 用来表示进气涡流的强度 是气流绕气缸轴线旋转的转速聆g 与发动机转速 刀之比 q n g n 2 5 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 涡流比的选取与具体的机型 一定的缸径 标定转速 喷油系统以及燃烧室有关 本文所选机型涡流比为1 6 本文废气残余系数选取经验值0 0 7 废气组成由排放分析仪测得的过量空气系数五 确定 规定e g r c o m p o s i t i o n 1 2 计算模型中单个喷孔每循环的喷油量是利用智能油耗仪测出稳态工况下的油耗量 计算得来的 计算公式如下 b 星 2 6 6 0 一n i r 式中 b 为单个喷孔每循环喷油量 b 为智能油耗仪实测油耗量 行为发动机转速 为发动机喷油器数目 f 为每个喷油器的喷孔数目 r 2 在2 2 0 0 r m i n 负荷5 0 i 况下利用智能油耗仪测得油耗量为7 0 4 5 k g h 利用公式计 算单个喷孔每循环喷油量为4 4 4 7 6 e 0 6 k g 2 3 计算模型的选取 燃烧的数值模拟中能否正确描述整个燃烧实际过程的物理现象对模拟结果的影响 很大 不同的模型所描述的物理现象不同 因此 要根据柴油机的实际结构和参数 来 选取合适的物理模型 主要包括缸内气体流动模型 燃油喷射和雾化模型 燃烧模型和 排放模型 2 3 1 缸内气体流动模型 内燃机缸内气体流动的多维数值模拟的实质是对可压缩粘性流体的n s n a v i e s s t o k e s 方程进行数值求解 一般所应用的守恒方程有质量守恒方程 动量守 恒方程 能量守恒方程 湍流模型和理想气体状态方程 4 7 其中湍流模型的加入是为了 使方程组封闭 目前还没有完全对湍流现象有清楚的认识 因此不同的湍流模型对缸内 湍流的描述不同 本文选用f i r e 软件提供的k f f 模型 具有计算精度高 计算稳 定和运算速度快的优点 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 2 燃油喷射和雾化模型 柴油机燃油的喷射和雾化是一个十分复杂的过程 主要体现在 喷射过程是动态过 程 喷雾过程与喷嘴结构 缸内的温度 压力 气体流动有关 描述油滴的动态试验数 据较少 因此 燃油喷射和雾化的模型也在不断完善当中 燃油喷射和雾化模型主要包 括燃油雾化模型 油滴蒸发模型和碰壁模型等 本文燃油雾化模型选择的是w a v e 模型 该模型假设油滴直径和喷孔直径相同 油滴蒸发模型选择的是d u k o w i c z 模型 多组分 混合燃料时 考虑到不同燃料的气相变化不同采用m u l t i c o m p o n e n t 模型 碰壁模型选 择了w a l l j e t l 模型 此模型包含了碰壁反射和黏附双重作用 4 9 1 2 3 3 燃烧模型 柴油机的燃烧过程属于湍流燃烧 对燃烧过程中的传质和传热有重要影响 化学反 应的发生和反应速度受化学反应机理的影响 因此 燃烧模型的选择主要考虑湍流和化 学反应之间的相互作用 本文的燃烧模型选择相关火焰模型 c o h e r e n t f l a m e l e t m o d e l 采用火焰密度的方法描述火焰的发展过程 e c f m 3 z 模型考虑了柴油机燃烧过程主要 是预混合燃烧和扩散燃烧 并以扩散燃烧为主 该模型利用一个湍流混合模型描述蒸汽 和空气的混合 2 3 4 排放模型 柴油机排放的氮氧化物 n o x 主要是n o f i r e 软件模