（動(dòng)力機(jī)械及工程專業(yè)論文）增壓柴油機(jī)摻水試驗(yàn)與仿真研究.pdf

太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 增壓柴油機(jī)摻水試驗(yàn)與仿真研宇刪 摘要 一一 石油緊缺和環(huán)境污染是內(nèi)燃機(jī)發(fā)展面臨的兩大難題 目前應(yīng)對(duì)的主要 措施是尋找清潔替代能源 改善燃燒過(guò)程和進(jìn)行相應(yīng)的后處理措施 柴油 摻水燃燒能夠改善燃燒過(guò)程 降低n o x 的排放 提高燃油經(jīng)濟(jì)性 本文主 要進(jìn)行了柴油摻水乳化的仿真研究和進(jìn)氣道噴水的臺(tái)架試驗(yàn)研究 分析柴 油摻水燃燒對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性 經(jīng)濟(jì)性 排放性和振動(dòng)特性的影響 本文借助于f i r e 軟件 建立了4 1 0 0 q b z l 增壓柴油機(jī)仿真模型 并且 通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性 進(jìn)行了柴油乳化摻水 的計(jì)算模擬 研究結(jié)果表明 柴油乳化摻水燃燒后n o x 排放降低1 0 2 5 碳煙的排放也有改善 但是 當(dāng)乳化摻水比例達(dá)到3 0 時(shí) n o x 排放降低 不明顯 碳煙升高 燃燒過(guò)程劇烈 因此 柴油乳化摻水比例以2 0 l i 二較 合適 本文在分析柴油摻水燃燒的理論的基礎(chǔ)上 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套進(jìn)氣道噴 水系統(tǒng) 直接將噴嘴固定在進(jìn)氣道上 并設(shè)計(jì)了電控單元 可以精確控制 進(jìn)氣道噴水量 通過(guò)在4 1 0 0 q b z l 增壓柴油機(jī)上進(jìn)行不同噴水量的臺(tái)架試 驗(yàn) 得出結(jié)論 進(jìn)氣道噴水增加了壓縮負(fù)功 延長(zhǎng)了滯燃期 增加了預(yù)混 合燃燒的比例 降低了預(yù)混合燃燒過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)溫度 n o x 排放降低 1 0 3 0 c o 在低速低負(fù)荷時(shí)升高 碳煙和h c 的排放基本保持不變 柴 油機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性稍有改善 本文同時(shí)對(duì)試驗(yàn)測(cè)量的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析 分別測(cè)試了柴油機(jī)缸體 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 和缸蓋的振動(dòng)信號(hào) 并對(duì)信號(hào)進(jìn)行了傅立葉變換得到幅頻特性 同時(shí)結(jié)合 缸內(nèi)壓力升高率的變化分析進(jìn)氣道噴水對(duì)柴油機(jī)振動(dòng)的影響 研究結(jié)果表 明 隨著進(jìn)氣道噴水量的增多 增壓柴油機(jī)壓力升高率 缸體和缸蓋的振 動(dòng)增大 不同進(jìn)氣道噴水量對(duì)缸體和缸蓋振動(dòng)的影響與柴油機(jī)壓力升高率 的變化趨勢(shì)相同 可以利用缸體和缸蓋的振動(dòng)信號(hào)初步分析進(jìn)氣道噴水對(duì) 柴油機(jī)燃燒過(guò)程的影響 關(guān)鍵詞 增壓柴油機(jī) 進(jìn)氣道噴水 燃燒 排放 振動(dòng) r es e a r c ho ne x p e r i n ta n ds i n 眥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 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 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 大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 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 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 v i 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 1 1 引言 第一章緒論 柴油機(jī)自1 8 9 7 年問(wèn)世以來(lái)已經(jīng)發(fā)展了1 1 0 多年 在內(nèi)燃機(jī)中 柴油機(jī)具有諸多優(yōu) 點(diǎn) 首先 柴油機(jī)壓縮比高 功率大 動(dòng)力性能好 其次 柴油機(jī)熱效率高 通?？蛇_(dá) 3 0 4 0 汽油機(jī)只有2 0 3 0 經(jīng)濟(jì)性好 燃油消耗比汽油機(jī)平均低3 0 以質(zhì)量 0 8 1 5 t 的轎車每一百公里油耗比較 汽油機(jī)車的油耗平均為5 8 2 l 非直噴式柴油機(jī) 車的油耗平均為4 6 8 l 直噴式柴油機(jī)車的油耗平均為5 6 l 第三 柴油機(jī)尾氣排放 總體較低 柴油機(jī)排放造成的溫室效應(yīng)要比汽油機(jī)低大約4 5 左右 一氧化碳 c 0 和碳?xì)?h c 的排放也低 氮氧化合物 n o x 的排放在整車的壽命期周期稍大于汽 油機(jī) 不足之處是有害顆粒物 p m 排放高 另外 柴油機(jī)還具有壽命長(zhǎng) 耐久性好 的優(yōu)點(diǎn) 1 2 由于柴油機(jī)具有以上所述的動(dòng)力強(qiáng)勁 熱效率高 經(jīng)濟(jì)性能較好 可靠性高等特點(diǎn) 因而獲得了廣泛的使用 國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用于輕型 中型 重型貨車 船舶 農(nóng)業(yè)機(jī)械 鐵 路機(jī)車和國(guó)防等領(lǐng)域 柴油機(jī)的轎車在國(guó)外也有較快的發(fā)展 石油資源屬于不可再生資源 我國(guó)是貧油國(guó)家 對(duì)石油的進(jìn)口依賴較大 2 0 1 1 年 我國(guó)石油的對(duì)外依存度高達(dá)5 6 3 3 1 而我國(guó)石油消耗主要集中在汽車行業(yè) 目前我國(guó) 汽車行業(yè)對(duì)石油的消耗量已經(jīng)高達(dá)總消耗量的1 3 以上 4 1 因此 降低內(nèi)燃機(jī)的燃油消 耗是十分重要的 隨著汽車保有量的持續(xù)增加 汽車尾氣對(duì)環(huán)境的污染也越嚴(yán)重 對(duì)人 們的身體健康構(gòu)成了威脅 世界各國(guó)制定了嚴(yán)格的排放法規(guī) 我國(guó)的排放法規(guī)相對(duì)美國(guó) 歐洲 日本起步較晚 1 9 9 9 年1 月在北京 7 月在上海實(shí)施類似于歐i 的排放法規(guī) 2 0 1 0 年起實(shí)施相當(dāng)于歐 的排放法規(guī) 基本與國(guó)際水平接軌 表1 1 給出了歐洲對(duì)重型車排 放標(biāo)準(zhǔn)的限制 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 表1 1 歐洲重型車排放標(biāo)準(zhǔn)限值對(duì)比 c o h cn o xp m 排放法規(guī)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 歐 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 歐 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 歐 e l r v h 3 0 0 0 r m i n 歐 2 0 0 5 1 01 50 4 63 5o 0 2 歐 v 2 0 0 8 1 01 50 4 62 o0 0 2 歐 2 0 1 20 5 1 oo 0 0 2 o 0 1 注 為歐洲固定循環(huán) 為歐洲負(fù)荷響應(yīng) 針對(duì)能源危機(jī)和排放標(biāo)準(zhǔn)限制的雙重壓力 內(nèi)燃機(jī)工作者在不斷尋找解決的途徑 目前比較有效的手段主要有清潔代用燃料 前處理凈化 機(jī)內(nèi)凈化措施和后處理技術(shù) 目前主要的代用燃料主要有醇醚類燃料 生物柴油 天然氣 液化石油氣 氫氣 煤制油等 其中在我國(guó)最受重視的是醇醚燃料和天然氣 國(guó)內(nèi)外對(duì)代用燃料的研究比較 多 國(guó)內(nèi)太原理工大學(xué) 西安交通大學(xué) 上海交通大學(xué) 天津大學(xué)等對(duì)醇醚燃料在發(fā)動(dòng) 機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行了研究 并取得了預(yù)期的效果 試驗(yàn)表明 利用二甲醚或甲醇作為柴油 機(jī)的代用燃料 可以大幅度的降低發(fā)動(dòng)機(jī)的n o x 和煙度排放 改變n o x 和p m 的t r a d e o f f 關(guān)系 c o 和h c 基本保持不變 但是由于二甲醚粘度低 又能溶解機(jī)油 直接應(yīng)用會(huì) 對(duì)供油系統(tǒng)產(chǎn)生影響 甲醇具有腐蝕性 熱值低 不易與柴油混合 粘度低等缺點(diǎn) 5 1 天然氣因?yàn)樾镣橹蹈?抗爆性好 燃燒完全 無(wú)碳煙排放 己在內(nèi)燃機(jī)上得到了廣泛的 應(yīng)用 但是制約天然氣在柴油機(jī)上應(yīng)用的主要因素是 儲(chǔ)氣罐較重 運(yùn)輸成本高及安全 性等 我國(guó)是缺油 少氣 富煤的國(guó)家 因此 推廣甲醇燃料對(duì)解決我國(guó)的能源危機(jī)有很 大幫助 乙醇燃料主要來(lái)源是農(nóng)作物 我國(guó)人i 3 眾多 大面積推廣不太現(xiàn)實(shí) 而甲醇來(lái) 源廣泛 可以由煤 生物質(zhì) 天然氣 城市垃圾制取 生產(chǎn)甲醇的原料是c o 和h 2 凡 是能得到c o 和h 2 的原料 都可以用來(lái)生產(chǎn)甲醇 并且利用c 0 2 和h 2 生產(chǎn)甲醇技術(shù)成 熟 能夠?qū)崿F(xiàn)c 0 2 循環(huán) 有利于降低溫室效應(yīng) 甲醇具有與汽油相近的物化特性 辛烷 2 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 值較汽油高 并且影響甲醇應(yīng)用的冷啟動(dòng)困難 腐蝕性 排放甲醛等問(wèn)題已經(jīng)得到了技 術(shù)解決 山西作為煤炭大省 每年有大量的高硫煤和煤層氣浪費(fèi)掉 這些資源都可以用 來(lái)生產(chǎn)甲醇 變廢為寶 6 7 目前在山西 陜西和上海已開(kāi)展了m 8 5 等高比例甲醇汽油的試點(diǎn)推廣 開(kāi)展甲醇 燃料是根據(jù)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)提出來(lái)的重要戰(zhàn)略措施 相比天然氣 甲醇燃料具有不必額外 建立加注站 安全可靠等重大優(yōu)點(diǎn) 甲醇汽油 甚至純甲醇燃料已具備大范圍推廣條件 但甲醇在柴油機(jī)上的應(yīng)用有較大的困難 甲醇十六烷值低 在柴油上應(yīng)用需添加大量添 加劑 成本較高 因此甲醇在柴油機(jī)上的應(yīng)用仍需繼續(xù)努力 并尋找更優(yōu)的辦法 前處理凈化就是在燃料和空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室前 對(duì)其進(jìn)行凈化的處理 機(jī)內(nèi)凈 化措施主要是針對(duì)柴油機(jī)排放污染物的生成機(jī)理而控制有害排放物的生成反應(yīng) 后處理 技術(shù)是對(duì)廢氣進(jìn)行再處理的措施 8 表1 2 列出了一些技術(shù)的基本原理以及各自的缺點(diǎn) 9 13 1 1 2 摻水燃燒技術(shù)的現(xiàn)狀 1 2 1 摻水燃燒反應(yīng)機(jī)理 柴油機(jī)摻水燃燒技術(shù)主要有乳化柴油 進(jìn)氣空氣增濕和缸內(nèi)直接噴水技術(shù) 摻水燃 燒的機(jī)理主要包括以下幾個(gè)方面 1 乳化柴油中水粒均勻分布柴油中 起到阻隔作用 使得燃油噴射霧化效果好 1 4 同時(shí)由于隨著溫度的升高 水先蒸發(fā) 使得油滴粒度減小 加強(qiáng)霧化效果 1 5 18 2 乳化柴油的燃燒存在著微暴效應(yīng) 由于乳化油是油包水或水包油 水的沸點(diǎn)比 柴油低 于是水先從柴油中蒸發(fā)出來(lái) 將周圍的柴油爆成更細(xì)小的微粒 1 9 2 0 3 由于水的蒸發(fā)吸收燃燒室和缸壁的熱量 能降低缸內(nèi)的溫度 水蒸氣參與推動(dòng) 活塞做功 提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率 并且水具有較大的比熱容 升高同樣的溫度需要吸收的 熱量較多 使得缸內(nèi)溫度較低 可以降低n 0 x 排放 2 1 4 水煤氣反應(yīng) 燃料中大量存在的碳原子和碳?xì)浠衔飼?huì)和高溫下水蒸發(fā)產(chǎn)生的 水蒸汽進(jìn)行如下的反應(yīng) c h 2 0 寸c o h 2 1 2 5 7 k j 1 1 c 2 h 2 0 專c o 2 h 2 7 5 1 9 u 1 2 3 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 c o h 2 0 專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 柴油機(jī)排放控制措施的基本原理及缺點(diǎn) 1 3 1 4 類別技術(shù)基本原理 缺陷 利用水的吸熱和稀釋作用 在燃腐蝕氣缸壁 并會(huì)稀 燃油摻水燒過(guò)程中降低最高燃燒溫度 從 釋潤(rùn)滑油使?jié)櫥妥?而降低n o x 排放質(zhì) 前處理措燃油改質(zhì) 加入活性劑 加速n o x 的熱分解加入活性劑 提高燃 施 油的成本 利用代用燃料相對(duì)柴油的物化特代用燃料的物化特性 性優(yōu)點(diǎn) 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對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行 局部的改動(dòng) 引回一部分廢氣到進(jìn)氣管 可以e g r 率控制不當(dāng) 會(huì) 降低0 2 的濃度 同時(shí)h 2 0 c 0 2造成h c 和c o 排放升 e g r等惰性氣體具有較高的比熱 可高 經(jīng)濟(jì)性惡化 高 以降低最高燃燒溫度 降低n o x負(fù)荷動(dòng)力性不足 排放 通過(guò)降低進(jìn)氣溫度 降低缸內(nèi)最 增壓中冷 高燃燒溫度 減少n o x 排放 機(jī)內(nèi)凈化 分割式燃 通過(guò)組織混合氣的濃度和燃燒的 燒室 時(shí)刻 降低發(fā)動(dòng)機(jī)最高燃燒溫度 措施降低n o x 排放 可以通過(guò)組織適當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣渦流強(qiáng)設(shè)計(jì)匹配較復(fù)雜 改善進(jìn)氣度 改變氣門重疊角 改變進(jìn)氣 系統(tǒng)狀態(tài)和多氣門技術(shù) 適當(dāng)降低排 放 噴油定時(shí)降低燃燒峰值溫度和高溫持續(xù)時(shí)造成微粒和油耗增加 延遲間 利用高噴射壓力形成良好的混合 高壓共軌 氣 降低n o x 和微粒的排放 將催化劑噴入排氣管 在催化器不能滿足歐v 要求的 n s c r 的作用下與n o x 反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和耐久性 利用n h 3 對(duì)n o x 的還原功能將采用n h 3 作為還原劑 n o x 還原為n 2 和水排到大氣中 在轎車上應(yīng)用體積 后處理技 s c r 與n s c r 的區(qū)別是有選擇的還原大 成本高 實(shí)現(xiàn)困 術(shù) n o x 難 氧化催化氧化c o 和h c 間接降低微粒排對(duì)n o x 的排放不起作 器放用 微粒捕集利用n 0 2 與過(guò)濾下來(lái)的顆粒反應(yīng)捕集器再生是最大技 器 d p f 生成n o 和c 0 2 降低微粒排放術(shù)難題 4 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 以上反應(yīng)不僅有自凈碳煙的作用 而且生成氫氣 對(duì)燃燒的改善有很大的作用 上述前兩點(diǎn)屬于乳化柴油在氣缸內(nèi)燃燒的反應(yīng)機(jī)理 進(jìn)氣道噴水 空氣加濕 和缸 內(nèi)直接噴水因?yàn)闆](méi)有形成油包水的形式 所以不存在微暴效應(yīng) 或者是很小的微暴效應(yīng) 1 2 2 乳化柴油在柴油機(jī)上的應(yīng)用 乳化柴油在柴油機(jī)上的應(yīng)用是最早的摻水燃燒方式 柴油摻水乳化技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在 可以分為靜態(tài)乳化和動(dòng)態(tài)乳化兩種方式 靜態(tài)乳化是指柴油在加入油箱前 通過(guò)一定的 外力措施 利用乳化劑的親和作用將柴油和水混合 外力措施主要包括超聲波 膠體磨 和機(jī)械攪拌等 動(dòng)態(tài)乳化也稱在線乳化 即在發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝乳化器 將水和柴油以不同 的比例加入乳化器 乳化器在柴油機(jī)的帶動(dòng)下將油水混合 直接用于燃燒 2 2 2 4 1 國(guó)內(nèi)外對(duì)乳化柴油技術(shù)的研究早就開(kāi)始 并且一直不斷探索乳化油的燃燒機(jī)理以及 對(duì)柴油機(jī)性能的影響 2 0 0 3 年西班牙卡斯蒂利亞拉曼查大學(xué)的o a r m a s 在低負(fù)荷柴油 機(jī)上進(jìn)行摻水乳化的試驗(yàn)研究 結(jié)果表明 摻水1 0 的乳化油可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效 率 熱n o p m t h c 的排放明顯降低1 2 5 1 2 0 1 1 年法國(guó)南特中央理工學(xué)院內(nèi)燃機(jī)隊(duì)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 柴油機(jī)上進(jìn)行了柴油摻水乳化的試驗(yàn) 水和油 的摻混比例為2 5 6 并結(jié)合e g r 進(jìn)行了試驗(yàn) 研究表明 柴油摻水乳化導(dǎo)致滯燃期 增加2 9 在保持原機(jī)噴射壓力下 n o x 排放下降3 0 5 0 p m 在低負(fù)荷時(shí)下降不明 顯 但在高負(fù)荷時(shí)反而上升很大 提高噴射壓力后 n o x 排放上升2 4 p m 下降9 4 結(jié)合e g r 可以達(dá)到同時(shí)降低n o x 和p m 的目的 使柴油機(jī)排放處于較低的水平 2 6 1 國(guó)內(nèi)對(duì)乳化柴油在柴油機(jī)上應(yīng)用的研究也在不斷進(jìn)行 2 0 0 7 年上海理工大學(xué)的周 萍 孫躍東等在單缸柴油機(jī)上進(jìn)行了摻水8 和1 5 的乳化柴油試驗(yàn) 研究表明 在單 缸柴油機(jī)燃用乳化油 會(huì)造成燃油消耗率下降 熱效率有所升高 節(jié)油效果顯著 n o x 和碳煙的排放均顯著下降 c o 和h c 有所升高 2 7 1 2 0 0 4 年大連理工大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所 的史德勝和許鋒等在單缸柴油機(jī)上進(jìn)行了柴油摻水乳化和在線乳化的試驗(yàn)研究 結(jié)果表 明 在線乳化技術(shù)能根據(jù)不同的工況改變柴油摻水的比例 保證低負(fù)荷的穩(wěn)定性 在線 乳化技術(shù)和乳化油燃燒特性基本一致 高負(fù)荷能同時(shí)降低n o x 和碳煙的排放 2 8 杭州 桐廬洪風(fēng)公司創(chuàng)始人俞正良研究出了i i f 燃油乳化技術(shù) 該技術(shù)已經(jīng)通過(guò)了國(guó)家以及省 部級(jí)的科學(xué)論證 2 0 1 0 年3 月 該公司與山西省長(zhǎng)治市簽約合作 在長(zhǎng)治市建立了一個(gè) 年產(chǎn)1 5 萬(wàn)噸的i i f 燃油乳化生產(chǎn)示范基地 i i f 乳化燃油是在普通重油 普通柴油內(nèi)摻 入1 5 2 0 的軟水和o 8 5 的添加劑 用專用設(shè)備調(diào)和反應(yīng)而成的一種新燃料油 與 s 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 o 柴油相比較 h f 乳化柴油具有動(dòng)力強(qiáng)勁 碳煙排放降低 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲減小 節(jié)油率 達(dá)到1 8 以上的優(yōu)點(diǎn) 柴油乳化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)降低n o x 和碳煙的排放 改變n o x 和碳煙的 t r a d e o f f 關(guān)系 但是乳化技術(shù)的推廣也受到不利因素的限制 由于乳化劑價(jià)格昂貴 并 且乳化油放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致分層 這些因素都不利于乳化柴油的大面積推廣 在線乳 化技術(shù)較乳化油不存在乳化劑和儲(chǔ)存的問(wèn)題 但是在線乳化技術(shù)需要發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造 增加乳化器以及控制單元 增加了開(kāi)發(fā)成本 1 2 3 缸內(nèi)直接噴水技術(shù)的應(yīng)用 缸內(nèi)直接噴水d w i d i r e c tw a t e ri n j e c t i o n 是在原有噴油系統(tǒng)上增加噴水裝置或者 設(shè)計(jì)第二套噴射系統(tǒng) 將水高壓噴射進(jìn)入氣缸 2 9 3 0 由于缸內(nèi)直接噴水技術(shù)復(fù)雜 所以國(guó)內(nèi)外研究相對(duì)較少 威斯康星大學(xué)麥迪遜分校 發(fā)動(dòng)機(jī)研究中心的f b e d f o r d 和c r u t l a n d 通過(guò)對(duì)噴油器進(jìn)行改造 使得噴油器既可以噴 油 又可以進(jìn)行噴水 但水和柴油不能同時(shí)噴 并利用k i v a 建立模型 進(jìn)行仿真 研 究表明能同時(shí)降低p m 和n o x 排放 但實(shí)現(xiàn)起來(lái)很困難 成本較高 3 1 國(guó)內(nèi)船用發(fā)動(dòng) 機(jī)有的采用缸內(nèi)直接噴水技術(shù) 對(duì)n o x 排放的降低有明顯的效果 缸內(nèi)直接噴水的優(yōu)點(diǎn)是 1 摻水率可以達(dá)到較高的水平 能大幅度降低n o x 排放 降低可以達(dá)到5 0 6 0 3 2 2 可以實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷時(shí)不噴水 保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn) 定性 缺點(diǎn)是 1 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行較大改動(dòng) 2 噴水嘴壽命有限 3 柴油 機(jī)成本較高 1 2 4 進(jìn)氣空氣增濕的應(yīng)用 進(jìn)氣空氣增濕是指霧狀水或水蒸汽隨空氣一起進(jìn)入氣缸參與燃燒 進(jìn)氣空氣增濕分 為兩種方法 一是濕空氣發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng) h a m 一種是向進(jìn)氣道噴水 h a m 系統(tǒng)是用 加濕器將液態(tài)水加熱成水蒸汽 然后隨著進(jìn)氣道中的空氣一起進(jìn)入氣缸參與燃燒 3 3 3 孫 國(guó)內(nèi)外對(duì)進(jìn)氣空氣增濕的研究較多 2 0 1 1 年哈斯菲爾德大學(xué)的b t e s f a r m i s h r a 和e g u 等在四缸渦輪增壓水冷直噴壓燃柴油機(jī)上進(jìn)行燃用生物柴油 進(jìn)氣道噴水的試 驗(yàn) 研究結(jié)果表明進(jìn)氣道噴射3 k g h 水時(shí) n o x 排放降低5 0 燃油消耗基本不發(fā)生變 化 在不同工況下 對(duì)缸內(nèi)壓力和放熱率的影響不同 缸內(nèi)最高溫度變化不大 預(yù)混合 燃燒溫度降低 是導(dǎo)致n o x 降低的原因 c o 排放增加4 0 3 9 6 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 國(guó)內(nèi)2 0 0 4 年武漢理工大學(xué)采用氣一霧噴嘴進(jìn)行了進(jìn)氣道噴水的試驗(yàn) 氣一霧噴嘴 有兩個(gè)入口 分別進(jìn)入空氣和水 通過(guò)調(diào)節(jié)水壓和氣壓改變噴水量 空氣是作為霧化水 的載體 研究結(jié)果表明 n o x 排放能大幅度的下降 燃油經(jīng)濟(jì)性也有所改善 4 0 2 0 0 3 年大連海事大學(xué)采用掃氣箱噴水霧加濕進(jìn)氣空氣的方法在船用柴油機(jī)上進(jìn)行了柴油摻 水的試驗(yàn) 研究結(jié)果表明 在標(biāo)定工況下n o x 降低至少13 柴油機(jī)工作性能指標(biāo)不 受影響f 4 1 2 0 0 7 年七一一研究所在一臺(tái)直列立式六缸增壓柴油機(jī)上進(jìn)行了進(jìn)氣支管噴 水加濕的試驗(yàn) 研究結(jié)果表明 進(jìn)氣空氣加濕的方法降低n o x 排放明顯 高負(fù)荷油耗 有所下降 熱效率提升 進(jìn)氣道噴水的優(yōu)點(diǎn)是 1 進(jìn)氣道可以噴入大量的水 通過(guò)大幅度降低氣缸內(nèi)燃燒 的溫度 降低n o x 排放 當(dāng)水量為燃油的3 倍時(shí) n o x 排放可以降低7 0 2 和缸內(nèi) 直接噴水一樣 可以在不同工況下噴入不同量的水 3 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)改變不大 4 可以降低燃油消耗率1 4 2 進(jìn)氣道噴水的缺點(diǎn)是 1 噴水量過(guò)大 會(huì)使液態(tài)水進(jìn)入氣缸 對(duì)氣缸壁造成腐蝕 2 對(duì)p m 的排放沒(méi)有效果 只能保證p m 排放不惡化 1 3c f d 在柴油機(jī)上的應(yīng)用 計(jì)算流體力學(xué) 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 是綜合流體力學(xué) 數(shù)值計(jì)算 方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)建立起來(lái)的新型學(xué)科 c f d 是將需要分析的流體對(duì)象簡(jiǎn)化成能描述其 流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)方程 主要包括質(zhì)量守恒方程 動(dòng)量守恒方程 能量守恒方程 物質(zhì)守 恒方程以及湍流運(yùn)動(dòng)方程等 在選取合適的邊界條件后用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)封閉的方程組 進(jìn)行數(shù)值求解的方法 4 3 4 5 1 隨后隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒理論的日趨成熟 使得c f d 在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng) 域得到了更廣泛的應(yīng)用 在發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)中采用c f d 技術(shù)較傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方法縮短 了研發(fā)周期 減少了研發(fā)成本 目前 c f d 技術(shù)己被廣泛地應(yīng)用于汽油機(jī)和柴油機(jī)的進(jìn) 氣流場(chǎng) 噴霧形成及擴(kuò)散 燃燒以及排放物的形成分析和優(yōu)化的工作中 c f d 軟件的核心是湍流運(yùn)動(dòng)的求解 目前 對(duì)湍流運(yùn)動(dòng)的描述還在不斷的完善當(dāng)中 沒(méi)有形成較完整的理論 常用的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒數(shù)值模擬軟件有 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 本文所使用的模擬仿真軟件是 a v l f i r e 7 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 1 4 本文的主要研究?jī)?nèi)容 本文根據(jù)進(jìn)氣道增濕對(duì)改善柴油機(jī)排放性能和燃油經(jīng)濟(jì)性有比較顯著的作用 并且 不需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)做較大的改動(dòng) 在云內(nèi)4 1 0 0 q b z l 增壓柴油機(jī)上進(jìn)行了進(jìn)氣道噴水的試 驗(yàn)研究 利用發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng) 智能油耗儀和尾氣排放分析儀等對(duì)進(jìn)氣道噴水對(duì)柴油機(jī) 性能的影響進(jìn)行深入的研究 本文的主要研究?jī)?nèi)容如下 1 利用f i r e 軟件建立柴油機(jī)燃燒模型 進(jìn)行柴油摻水燃燒仿真試驗(yàn) 分析柴油摻 水對(duì)缸內(nèi)壓力 缸內(nèi)溫度和排放的影響 2 設(shè)計(jì)進(jìn)氣道噴水裝置 根據(jù)柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)一套噴水系統(tǒng) 同時(shí)為了 對(duì)研究不同噴水量對(duì)柴油機(jī)性能的影響 需要對(duì)噴水量能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)量和改變 因此需要 設(shè)計(jì)控制單元 通過(guò)控制噴水器的噴射周期和脈寬來(lái)調(diào)節(jié)噴水量 3 對(duì)設(shè)計(jì)的進(jìn)氣道噴水系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定 確定最大噴水量和試驗(yàn)時(shí)采用的三種不同 的噴水量 在原柴油機(jī)上進(jìn)行燃燒柴油不噴水 噴水0 7 2 k g h 噴水1 4 4 k g h 和噴水 2 5 k g h 的速度特性試驗(yàn)和部分負(fù)荷特性試驗(yàn) 分析進(jìn)氣道噴入水對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性 經(jīng)濟(jì) 性和排放性的影響 4 利用加速度傳感器測(cè)量進(jìn)氣道噴水時(shí)柴油機(jī)缸體和缸蓋的振動(dòng)信號(hào) 通過(guò)對(duì)信 號(hào)的處理分析進(jìn)氣道噴水對(duì)柴油機(jī)振動(dòng)的影響 8 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章柴油乳化摻水燃燒的仿真研究 本文為了研究柴油乳化摻水對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放性能的影響 建立了柴油機(jī)燃燒室 模型 并利用試驗(yàn)驗(yàn)證模型的可靠性 通過(guò)仿真研究分析柴油乳化摻水對(duì)柴油機(jī)燃燒和 排放特性的影響 本章主要內(nèi)容包括建立驗(yàn)證燃燒室模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分 選取邊界條 件 對(duì)初始條件進(jìn)行設(shè)置 選擇合適的燃油噴射模型 霧化蒸發(fā)模型 碰撞破碎模型 燃燒模型以及排放物生成模型 利用試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可信性 通過(guò)計(jì)算得到數(shù)據(jù)并分 析柴油摻水對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放的影響 2 1 燃燒室模型的建立與網(wǎng)格的劃分 2 1 1 計(jì)算對(duì)象 本文主要對(duì)4 1 0 0 q b z l 四沖程增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在最大扭矩轉(zhuǎn)速 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 2 2 0 0 r m i n 5 0 負(fù)荷下分別對(duì)柴油不摻水和柴油中摻不同比例水的乳化油進(jìn)行模擬計(jì) 算 并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證建立的模型 表2 1 為4 1 0 0 q b z l 型車用柴油機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn) 行參數(shù) 表2 14 1 0 0 q b z l 型車用柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)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 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)運(yùn)行參數(shù) 氣缸直徑 m m 1 0 0 計(jì)算工況 2 2 0 0 r r a i n 5 0 負(fù)荷 活塞行程 m m 1 0 5 燃料類型 c 1 3 h 2 3 連桿長(zhǎng)度 m m 1 7 5 最大氣閥升程 m m 1 0 7 2 單個(gè)噴孔每循環(huán)噴 排量 l3 2 9 84 4 4 7 6 e 一6 油量 k g 壓縮比 1 7 5 燃油噴射溫度 k 3 5 3 長(zhǎng)型閉式 噴嘴器類型噴油開(kāi)始時(shí)刻 8 c ab t d c p 型 噴油器開(kāi)啟壓力 m p a 2 4 5 士0 4 9 噴油結(jié)束時(shí)刻上止點(diǎn) 噴孔數(shù) 孔徑 m m 6 x 0 2 4 初始缸內(nèi)溫度 k 3 4 0 噴油泵柱塞直徑 m m 9 初始缸內(nèi)壓力 k p a 1 6 油束夾角 1 5 4 0 渦流比1 6 噴嘴伸出垂直高度 m m 2 5 進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻 4 8 0 c aa t d c 增壓比 2 2 排氣門開(kāi)啟時(shí)刻 6 5 3 0 c ab t d c 9 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 2 1 2 燃燒室模型的建立 計(jì)算模型的可靠性與燃燒室?guī)缀文Ｐ徒⒌木_程度有著重要的關(guān)系 本文選取的 燃燒室為云內(nèi)4 1 0 0 q b z l 柴油機(jī)燃燒室模型 燃燒室形狀為直噴半開(kāi)式f d 型結(jié)構(gòu) 本文 通過(guò)切割燃燒室對(duì)燃燒室界面進(jìn)行7 t j 繪 在不改變?nèi)紵抑饕叽绲那疤嵯聦?duì)模型進(jìn) 行了簡(jiǎn)化 如圖2 1 所示為燃燒室實(shí)際測(cè)繪圖 圖2 1 燃燒室實(shí)際尺寸圖2 2 燃燒室最終模型 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 軟件自帶的e s e 模塊對(duì)4 1 0 0 q b z l 柴油機(jī)燃燒室進(jìn)行建模 通過(guò)選 擇合適的燃燒室模型 設(shè)置燃燒室縱向截面參數(shù) 使燃燒室模型更接近實(shí)際燃燒室模型 如圖2 2 所示為燃燒室模型的形狀 2 1 3 網(wǎng)格的劃分 f i r e 軟件中自帶動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù) 能夠通過(guò)增加 減少網(wǎng)格數(shù)目或拉伸 壓縮網(wǎng) 格以及改變網(wǎng)格形狀來(lái)適應(yīng)計(jì)算區(qū)域的不斷變化 本文將燃燒室簡(jiǎn)化為噴孔位置在活塞 正中央處對(duì)稱分布 因此燃燒室的計(jì)算網(wǎng)格只取整個(gè)燃燒室的六分之一即可 利用e s e 一 模塊在活塞和氣缸頂之間生成隨活塞和氣缸相對(duì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)網(wǎng)格 而燃燒室內(nèi)部的網(wǎng)格基 本不變 如圖2 3 所示為六分之一燃燒室網(wǎng)格劃分模型 1 0 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 圖2 3 燃燒室網(wǎng)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 初始條件和邊界條件的確定 2 2 1 求解器參數(shù)設(shè)置 本文主要針對(duì)柴油機(jī)噴霧燃燒過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算 因此只把進(jìn)氣門關(guān)閉到排氣門打 開(kāi)之間的過(guò)程作為研究對(duì)象 設(shè)柴油機(jī)處于壓縮上止點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為7 2 0 c a 根據(jù)表2 1 可得 進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為5 8 8 c a 排氣門打開(kāi)時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角 為8 3 4 c a 在保證計(jì)算精度的前提下 合理的設(shè)置計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)可以節(jié)省計(jì)算時(shí)間 在計(jì)算初 期計(jì)算收斂性較差 在燃燒階段缸內(nèi)變化劇烈 這兩個(gè)階段計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)應(yīng)該較小 其 余期間 計(jì)算步長(zhǎng)可以較大 計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)的設(shè)置如表2 2 所示 表2 2 時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)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 曲軸轉(zhuǎn)角區(qū)間 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 時(shí)間步長(zhǎng) c a s t e p o 20 5210 212 2 2 2 邊界條件的設(shè)置 本文計(jì)算模型的邊界條件對(duì)燃燒過(guò)程中與氣缸蓋 氣缸壁和活塞頂面的傳熱系數(shù)有 重要的影響 在計(jì)算速度場(chǎng)時(shí) 邊界條件分為固體壁面邊界和周期邊界 柴油機(jī)模擬一 般采用固體壁面邊界 固體壁面邊界條件的設(shè)置依賴于速度和溫度邊界條件的設(shè)置 4 6 1 1 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 速度邊界條件包括有滑移邊界條件 無(wú)滑移邊界條件和壁面函數(shù)規(guī)律邊界條件三 種 對(duì)于粘性流體 速度邊界條件 般采用無(wú)滑移邊界條件 即壁面處流體的速度與壁 面的速度相同 本文中為粘性流體 因此速度邊界選擇無(wú)滑移邊界 溫度邊界條件包括 絕熱壁面邊界條件和固定溫度壁面邊界條件 本文假設(shè)溫度邊界為恒溫邊界 根據(jù)經(jīng)驗(yàn) 分別取氣缸蓋 氣缸壁和活塞頂面的溫度為5 5 0 k 4 7 5 k 5 7 5 k 2 2 3 缸內(nèi)初始條件的設(shè)置 缸內(nèi)計(jì)算所需參數(shù)湍動(dòng)能 t u r b k i n e n e r g y n 稱t k e 和湍流長(zhǎng)度尺度根據(jù)f i r e 自帶幫助文件給出的公式計(jì)算 氣 刀曬 二 u 2 2 1 2 巴 2 h 麗n 2 2 n u u 0 5xg 2 3 兒s 風(fēng) 2 2 4 公式中 材 湍流脈動(dòng)速度 m s 玎 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 r m i n h 發(fā)動(dòng)機(jī)沖程 m 巴 活塞的平均速度 州s 丸 最大氣閥升程 m 本文計(jì)算的工況為2 2 0 0 f f m i n 負(fù)荷5 0 表2 3 是湍動(dòng)能和湍流長(zhǎng)度尺度的計(jì)算 結(jié)果 表2 3 計(jì)算 r l t 湍動(dòng)能值和湍流長(zhǎng)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 參數(shù) 沖程 最大氣閥升程 ut l s i 況 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 負(fù) 1 0 51 0 7 24 73 8 52 2 2 35 3 6 荷 渦流比q 用來(lái)表示進(jìn)氣渦流的強(qiáng)度 是氣流繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速聆g 與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 刀之比 q n g n 2 5 1 2 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 渦流比的選取與具體的機(jī)型 一定的缸徑 標(biāo)定轉(zhuǎn)速 噴油系統(tǒng)以及燃燒室有關(guān) 本文所選機(jī)型渦流比為1 6 本文廢氣殘余系數(shù)選取經(jīng)驗(yàn)值0 0 7 廢氣組成由排放分析儀測(cè)得的過(guò)量空氣系數(shù)五 確定 規(guī)定e g r c o m p o s i t i o n 1 2 計(jì)算模型中單個(gè)噴孔每循環(huán)的噴油量是利用智能油耗儀測(cè)出穩(wěn)態(tài)工況下的油耗量 計(jì)算得來(lái)的 計(jì)算公式如下 b 星 2 6 6 0 一n i r 式中 b 為單個(gè)噴孔每循環(huán)噴油量 b 為智能油耗儀實(shí)測(cè)油耗量 行為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 為發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器數(shù)目 f 為每個(gè)噴油器的噴孔數(shù)目 r 2 在2 2 0 0 r m i n 負(fù)荷5 0 i 況下利用智能油耗儀測(cè)得油耗量為7 0 4 5 k g h 利用公式計(jì) 算單個(gè)噴孔每循環(huán)噴油量為4 4 4 7 6 e 0 6 k g 2 3 計(jì)算模型的選取 燃燒的數(shù)值模擬中能否正確描述整個(gè)燃燒實(shí)際過(guò)程的物理現(xiàn)象對(duì)模擬結(jié)果的影響 很大 不同的模型所描述的物理現(xiàn)象不同 因此 要根據(jù)柴油機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)和參數(shù) 來(lái) 選取合適的物理模型 主要包括缸內(nèi)氣體流動(dòng)模型 燃油噴射和霧化模型 燃燒模型和 排放模型 2 3 1 缸內(nèi)氣體流動(dòng)模型 內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)氣體流動(dòng)的多維數(shù)值模擬的實(shí)質(zhì)是對(duì)可壓縮粘性流體的n s n a v i e s s t o k e s 方程進(jìn)行數(shù)值求解 一般所應(yīng)用的守恒方程有質(zhì)量守恒方程 動(dòng)量守 恒方程 能量守恒方程 湍流模型和理想氣體狀態(tài)方程 4 7 其中湍流模型的加入是為了 使方程組封閉 目前還沒(méi)有完全對(duì)湍流現(xiàn)象有清楚的認(rèn)識(shí) 因此不同的湍流模型對(duì)缸內(nèi) 湍流的描述不同 本文選用f i r e 軟件提供的k f f 模型 具有計(jì)算精度高 計(jì)算穩(wěn) 定和運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn) 1 3 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 2 3 2 燃油噴射和霧化模型 柴油機(jī)燃油的噴射和霧化是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程 主要體現(xiàn)在 噴射過(guò)程是動(dòng)態(tài)過(guò) 程 噴霧過(guò)程與噴嘴結(jié)構(gòu) 缸內(nèi)的溫度 壓力 氣體流動(dòng)有關(guān) 描述油滴的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù) 據(jù)較少 因此 燃油噴射和霧化的模型也在不斷完善當(dāng)中 燃油噴射和霧化模型主要包 括燃油霧化模型 油滴蒸發(fā)模型和碰壁模型等 本文燃油霧化模型選擇的是w a v e 模型 該模型假設(shè)油滴直徑和噴孔直徑相同 油滴蒸發(fā)模型選擇的是d u k o w i c z 模型 多組分 混合燃料時(shí) 考慮到不同燃料的氣相變化不同采用m u l t i c o m p o n e n t 模型 碰壁模型選 擇了w a l l j e t l 模型 此模型包含了碰壁反射和黏附雙重作用 4 9 1 2 3 3 燃燒模型 柴油機(jī)的燃燒過(guò)程屬于湍流燃燒 對(duì)燃燒過(guò)程中的傳質(zhì)和傳熱有重要影響 化學(xué)反 應(yīng)的發(fā)生和反應(yīng)速度受化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的影響 因此 燃燒模型的選擇主要考慮湍流和化 學(xué)反應(yīng)之間的相互作用 本文的燃燒模型選擇相關(guān)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發(fā)展過(guò)程 e c f m 3 z 模型考慮了柴油機(jī)燃燒過(guò)程主要 是預(yù)混合燃燒和擴(kuò)散燃燒 并以擴(kuò)散燃燒為主 該模型利用一個(gè)湍流混合模型描述蒸汽 和空氣的混合 2 3 4 排放模型 柴油機(jī)排放的氮氧化物 n o x 主要是n o f i r e 軟件模