（動力機械及工程專業(yè)論文）增壓柴油機摻水試驗與仿真研究.pdf

太原理工大學碩士研究生學位論文 增壓柴油機摻水試驗與仿真研宇刪 摘要 一一 石油緊缺和環(huán)境污染是內(nèi)燃機發(fā)展面臨的兩大難題 目前應(yīng)對的主要 措施是尋找清潔替代能源 改善燃燒過程和進行相應(yīng)的后處理措施 柴油 摻水燃燒能夠改善燃燒過程 降低n o x 的排放 提高燃油經(jīng)濟性 本文主 要進行了柴油摻水乳化的仿真研究和進氣道噴水的臺架試驗研究 分析柴 油摻水燃燒對發(fā)動機動力性 經(jīng)濟性 排放性和振動特性的影響 本文借助于f i r e 軟件 建立了4 1 0 0 q b z l 增壓柴油機仿真模型 并且 通過對比仿真結(jié)果和試驗結(jié)果驗證了模型的正確性 進行了柴油乳化摻水 的計算模擬 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 當乳化摻水比例達到3 0 時 n o x 排放降低 不明顯 碳煙升高 燃燒過程劇烈 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)計開發(fā)了一套進氣道噴 水系統(tǒng) 直接將噴嘴固定在進氣道上 并設(shè)計了電控單元 可以精確控制 進氣道噴水量 通過在4 1 0 0 q b z l 增壓柴油機上進行不同噴水量的臺架試 驗 得出結(jié)論 進氣道噴水增加了壓縮負功 延長了滯燃期 增加了預混 合燃燒的比例 降低了預混合燃燒過程發(fā)動機的缸內(nèi)溫度 n o x 排放降低 1 0 3 0 c o 在低速低負荷時升高 碳煙和h c 的排放基本保持不變 柴 油機動力性和燃油經(jīng)濟性稍有改善 本文同時對試驗測量的振動信號進行了分析 分別測試了柴油機缸體 太原理工大學碩士研究生學位論文 和缸蓋的振動信號 并對信號進行了傅立葉變換得到幅頻特性 同時結(jié)合 缸內(nèi)壓力升高率的變化分析進氣道噴水對柴油機振動的影響 研究結(jié)果表 明 隨著進氣道噴水量的增多 增壓柴油機壓力升高率 缸體和缸蓋的振 動增大 不同進氣道噴水量對缸體和缸蓋振動的影響與柴油機壓力升高率 的變化趨勢相同 可以利用缸體和缸蓋的振動信號初步分析進氣道噴水對 柴油機燃燒過程的影響 關(guān)鍵詞 增壓柴油機 進氣道噴水 燃燒 排放 振動 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 太原理工大學碩士研究生學位論文 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 大學碩士研究生學位論文 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 太原理工大學碩士研究生學位論文 v i 太原理工大學碩士研究生學位論文 1 1 引言 第一章緒論 柴油機自1 8 9 7 年問世以來已經(jīng)發(fā)展了1 1 0 多年 在內(nèi)燃機中 柴油機具有諸多優(yōu) 點 首先 柴油機壓縮比高 功率大 動力性能好 其次 柴油機熱效率高 通?？蛇_ 3 0 4 0 汽油機只有2 0 3 0 經(jīng)濟性好 燃油消耗比汽油機平均低3 0 以質(zhì)量 0 8 1 5 t 的轎車每一百公里油耗比較 汽油機車的油耗平均為5 8 2 l 非直噴式柴油機 車的油耗平均為4 6 8 l 直噴式柴油機車的油耗平均為5 6 l 第三 柴油機尾氣排放 總體較低 柴油機排放造成的溫室效應(yīng)要比汽油機低大約4 5 左右 一氧化碳 c 0 和碳氫 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 不足之處是有害顆粒物 p m 排放高 另外 柴油機還具有壽命長 耐久性好 的優(yōu)點 1 2 由于柴油機具有以上所述的動力強勁 熱效率高 經(jīng)濟性能較好 可靠性高等特點 因而獲得了廣泛的使用 國內(nèi)主要應(yīng)用于輕型 中型 重型貨車 船舶 農(nóng)業(yè)機械 鐵 路機車和國防等領(lǐng)域 柴油機的轎車在國外也有較快的發(fā)展 石油資源屬于不可再生資源 我國是貧油國家 對石油的進口依賴較大 2 0 1 1 年 我國石油的對外依存度高達5 6 3 3 1 而我國石油消耗主要集中在汽車行業(yè) 目前我國 汽車行業(yè)對石油的消耗量已經(jīng)高達總消耗量的1 3 以上 4 1 因此 降低內(nèi)燃機的燃油消 耗是十分重要的 隨著汽車保有量的持續(xù)增加 汽車尾氣對環(huán)境的污染也越嚴重 對人 們的身體健康構(gòu)成了威脅 世界各國制定了嚴格的排放法規(guī) 我國的排放法規(guī)相對美國 歐洲 日本起步較晚 1 9 9 9 年1 月在北京 7 月在上海實施類似于歐i 的排放法規(guī) 2 0 1 0 年起實施相當于歐 的排放法規(guī) 基本與國際水平接軌 表1 1 給出了歐洲對重型車排 放標準的限制 太原理工大學碩士研究生學位論文 表1 1 歐洲重型車排放標準限值對比 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) 為歐洲負荷響應(yīng) 針對能源危機和排放標準限制的雙重壓力 內(nèi)燃機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 其中在我國最受重視的是醇醚燃料和天然氣 國內(nèi)外對代用燃料的研究比較 多 國內(nèi)太原理工大學 西安交通大學 上海交通大學 天津大學等對醇醚燃料在發(fā)動 機上的應(yīng)用進行了研究 并取得了預期的效果 試驗表明 利用二甲醚或甲醇作為柴油 機的代用燃料 可以大幅度的降低發(fā)動機的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 又能溶解機油 直接應(yīng)用會 對供油系統(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 5 1 天然氣因為辛烷值高 抗爆性好 燃燒完全 無碳煙排放 己在內(nèi)燃機上得到了廣泛的 應(yīng)用 但是制約天然氣在柴油機上應(yīng)用的主要因素是 儲氣罐較重 運輸成本高及安全 性等 我國是缺油 少氣 富煤的國家 因此 推廣甲醇燃料對解決我國的能源危機有很 大幫助 乙醇燃料主要來源是農(nóng)作物 我國人i 3 眾多 大面積推廣不太現(xiàn)實 而甲醇來 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 太原理工大學碩士研究生學位論文 值較汽油高 并且影響甲醇應(yīng)用的冷啟動困難 腐蝕性 排放甲醛等問題已經(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掉 這些資源都可以用 來生產(chǎn)甲醇 變廢為寶 6 7 目前在山西 陜西和上海已開展了m 8 5 等高比例甲醇汽油的試點推廣 開展甲醇 燃料是根據(jù)我國能源結(jié)構(gòu)提出來的重要戰(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 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入發(fā)動機燃燒室前 對其進行凈化的處理 機內(nèi)凈 化措施主要是針對柴油機排放污染物的生成機理而控制有害排放物的生成反應(yīng) 后處理 技術(shù)是對廢氣進行再處理的措施 8 表1 2 列出了一些技術(shù)的基本原理以及各自的缺點 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)機理 柴油機摻水燃燒技術(shù)主要有乳化柴油 進氣空氣增濕和缸內(nèi)直接噴水技術(shù) 摻水燃 燒的機理主要包括以下幾個方面 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 同時由于隨著溫度的升高 水先蒸發(fā) 使得油滴粒度減小 加強霧化效果 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 水的沸點比 柴油低 于是水先從柴油中蒸發(fā)出來 將周圍的柴油爆成更細小的微粒 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 活塞做功 提高發(fā)動機熱效率 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氫化合物會和高溫下水蒸發(fā)產(chǎn)生的 水蒸汽進行如下的反應(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 太原理工大學碩士研究生學位論文 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 柴油機排放控制措施的基本原理及缺點 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 并會稀 燃油摻水燒過程中降低最高燃燒溫度 從 釋潤滑油使?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 利用代用燃料相對柴油的物化特代用燃料的物化特性 性優(yōu)點 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發(fā)動機進行 局部的改動 引回一部分廢氣到進氣管 可以e g r 率控制不當 會 降低0 2 的濃度 同時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)濟性惡化 高 以降低最高燃燒溫度 降低n o x負荷動力性不足 排放 通過降低進氣溫度 降低缸內(nèi)最 增壓中冷 高燃燒溫度 減少n o x 排放 機內(nèi)凈化 分割式燃 通過組織混合氣的濃度和燃燒的 燒室 時刻 降低發(fā)動機最高燃燒溫度 措施降低n o x 排放 可以通過組織適當?shù)倪M氣渦流強設(shè)計匹配較復雜 改善進氣度 改變氣門重疊角 改變進氣 系統(tǒng)狀態(tài)和多氣門技術(shù) 適當降低排 放 噴油定時降低燃燒峰值溫度和高溫持續(xù)時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n o x 的排放不起作 器放用 微粒捕集利用n 0 2 與過濾下來的顆粒反應(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 太原理工大學碩士研究生學位論文 以上反應(yīng)不僅有自凈碳煙的作用 而且生成氫氣 對燃燒的改善有很大的作用 上述前兩點屬于乳化柴油在氣缸內(nèi)燃燒的反應(yīng)機理 進氣道噴水 空氣加濕 和缸 內(nèi)直接噴水因為沒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 乳化柴油在柴油機上的應(yīng)用 乳化柴油在柴油機上的應(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 和機械攪拌等 動態(tài)乳化也稱在線乳化 即在發(fā)動機上安裝乳化器 將水和柴油以不同 的比例加入乳化器 乳化器在柴油機的帶動下將油水混合 直接用于燃燒 2 2 2 4 1 國內(nèi)外對乳化柴油技術(shù)的研究早就開始 并且一直不斷探索乳化油的燃燒機理以及 對柴油機性能的影響 2 0 0 3 年西班牙卡斯蒂利亞拉曼查大學的o a r m a s 在低負荷柴油 機上進行摻水乳化的試驗研究 結(jié)果表明 摻水1 0 的乳化油可以提高發(fā)動機有效熱效 率 熱n o p m t h c 的排放明顯降低1 2 5 1 2 0 1 1 年法國南特中央理工學院內(nèi)燃機隊的 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 柴油機上進行了柴油摻水乳化的試驗 水和油 的摻混比例為2 5 6 并結(jié)合e g r 進行了試驗 研究表明 柴油摻水乳化導致滯燃期 增加2 9 在保持原機噴射壓力下 n o x 排放下降3 0 5 0 p m 在低負荷時下降不明 顯 但在高負荷時反而上升很大 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 可以達到同時降低n o x 和p m 的目的 使柴油機排放處于較低的水平 2 6 1 國內(nèi)對乳化柴油在柴油機上應(yīng)用的研究也在不斷進行 2 0 0 7 年上海理工大學的周 萍 孫躍東等在單缸柴油機上進行了摻水8 和1 5 的乳化柴油試驗 研究表明 在單 缸柴油機燃用乳化油 會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 年大連理工大學內(nèi)燃機研究所 的史德勝和許鋒等在單缸柴油機上進行了柴油摻水乳化和在線乳化的試驗研究 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 高負荷能同時降低n o x 和碳煙的排放 2 8 杭州 桐廬洪風公司創(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)通過了國家以及省 部級的科學論證 2 0 1 0 年3 月 該公司與山西省長治市簽約合作 在長治市建立了一個 年產(chǎn)1 5 萬噸的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 太原理工大學碩士研究生學位論文 o 柴油相比較 h f 乳化柴油具有動力強勁 碳煙排放降低 發(fā)動機噪聲減小 節(jié)油率 達到1 8 以上的優(yōu)點 柴油乳化技術(shù)的優(yōu)點是可以同時降低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 由于乳化劑價格昂貴 并 且乳化油放置時間過長會導致分層 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存的問題 但是在線乳化技術(shù)需要發(fā)動機進行改造 增加乳化器以及控制單元 增加了開發(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)計第二套噴射系統(tǒng) 將水高壓噴射進入氣缸 2 9 3 0 由于缸內(nèi)直接噴水技術(shù)復雜 所以國內(nèi)外研究相對較少 威斯康星大學麥迪遜分校 發(fā)動機研究中心的f b e d f o r d 和c r u t l a n d 通過對噴油器進行改造 使得噴油器既可以噴 油 又可以進行噴水 但水和柴油不能同時噴 并利用k i v a 建立模型 進行仿真 研 究表明能同時降低p m 和n o x 排放 但實現(xiàn)起來很困難 成本較高 3 1 國內(nèi)船用發(fā)動 機有的采用缸內(nèi)直接噴水技術(shù) 對n o x 排放的降低有明顯的效果 缸內(nèi)直接噴水的優(yōu)點是 1 摻水率可以達到較高的水平 能大幅度降低n o x 排放 降低可以達到5 0 6 0 3 2 2 可以實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速低負荷時不噴水 保證發(fā)動機運轉(zhuǎn)的穩(wěn) 定性 缺點是 1 發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要進行較大改動 2 噴水嘴壽命有限 3 柴油 機成本較高 1 2 4 進氣空氣增濕的應(yīng)用 進氣空氣增濕是指霧狀水或水蒸汽隨空氣一起進入氣缸參與燃燒 進氣空氣增濕分 為兩種方法 一是濕空氣發(fā)動機系統(tǒng) h a m 一種是向進氣道噴水 h a m 系統(tǒng)是用 加濕器將液態(tài)水加熱成水蒸汽 然后隨著進氣道中的空氣一起進入氣缸參與燃燒 3 3 3 孫 國內(nèi)外對進氣空氣增濕的研究較多 2 0 1 1 年哈斯菲爾德大學的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上進行燃用生物柴油 進氣道噴水的試 驗 研究結(jié)果表明進氣道噴射3 k g h 水時 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 預混合 燃燒溫度降低 是導致n o x 降低的原因 c o 排放增加4 0 3 9 6 太原理工大學碩士研究生學位論文 國內(nèi)2 0 0 4 年武漢理工大學采用氣一霧噴嘴進行了進氣道噴水的試驗 氣一霧噴嘴 有兩個入口 分別進入空氣和水 通過調(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)濟性也有所改善 4 0 2 0 0 3 年大連海事大學采用掃氣箱噴水霧加濕進氣空氣的方法在船用柴油機上進行了柴油摻 水的試驗 研究結(jié)果表明 在標定工況下n o x 降低至少13 柴油機工作性能指標不 受影響f 4 1 2 0 0 7 年七一一研究所在一臺直列立式六缸增壓柴油機上進行了進氣支管噴 水加濕的試驗 研究結(jié)果表明 進氣空氣加濕的方法降低n o x 排放明顯 高負荷油耗 有所下降 熱效率提升 進氣道噴水的優(yōu)點是 1 進氣道可以噴入大量的水 通過大幅度降低氣缸內(nèi)燃燒 的溫度 降低n o x 排放 當水量為燃油的3 倍時 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)動機系統(tǒng)機構(gòu)改變不大 4 可以降低燃油消耗率1 4 2 進氣道噴水的缺點是 1 噴水量過大 會使液態(tài)水進入氣缸 對氣缸壁造成腐蝕 2 對p m 的排放沒有效果 只能保證p m 排放不惡化 1 3c f d 在柴油機上的應(yīng)用 計算流體力學 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 數(shù)值計算 方法和計算機技術(shù)建立起來的新型學科 c f d 是將需要分析的流體對象簡化成能描述其 流場運動的數(shù)學方程 主要包括質(zhì)量守恒方程 動量守恒方程 能量守恒方程 物質(zhì)守 恒方程以及湍流運動方程等 在選取合適的邊界條件后用數(shù)值計算方法對封閉的方程組 進行數(shù)值求解的方法 4 3 4 5 1 隨后隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和發(fā)動機燃燒理論的日趨成熟 使得c f d 在發(fā)動機領(lǐng) 域得到了更廣泛的應(yīng)用 在發(fā)動機的研發(fā)中采用c f d 技術(shù)較傳統(tǒng)發(fā)動機設(shè)計方法縮短 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)用于汽油機和柴油機的進 氣流場 噴霧形成及擴散 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動的求解 目前 對湍流運動的描述還在不斷的完善當中 沒有形成較完整的理論 常用的發(fā)動機缸內(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 太原理工大學碩士研究生學位論文 1 4 本文的主要研究內(nèi)容 本文根據(jù)進氣道增濕對改善柴油機排放性能和燃油經(jīng)濟性有比較顯著的作用 并且 不需要對發(fā)動機做較大的改動 在云內(nèi)4 1 0 0 q b z l 增壓柴油機上進行了進氣道噴水的試 驗研究 利用發(fā)動機測控系統(tǒng) 智能油耗儀和尾氣排放分析儀等對進氣道噴水對柴油機 性能的影響進行深入的研究 本文的主要研究內(nèi)容如下 1 利用f i r e 軟件建立柴油機燃燒模型 進行柴油摻水燃燒仿真試驗 分析柴油摻 水對缸內(nèi)壓力 缸內(nèi)溫度和排放的影響 2 設(shè)計進氣道噴水裝置 根據(jù)柴油機燃油供給系統(tǒng)設(shè)計一套噴水系統(tǒng) 同時為了 對研究不同噴水量對柴油機性能的影響 需要對噴水量能夠?qū)崿F(xiàn)計量和改變 因此需要 設(shè)計控制單元 通過控制噴水器的噴射周期和脈寬來調(diào)節(jié)噴水量 3 對設(shè)計的進氣道噴水系統(tǒng)進行標定 確定最大噴水量和試驗時采用的三種不同 的噴水量 在原柴油機上進行燃燒柴油不噴水 噴水0 7 2 k g h 噴水1 4 4 k g h 和噴水 2 5 k g h 的速度特性試驗和部分負荷特性試驗 分析進氣道噴入水對柴油機動力性 經(jīng)濟 性和排放性的影響 4 利用加速度傳感器測量進氣道噴水時柴油機缸體和缸蓋的振動信號 通過對信 號的處理分析進氣道噴水對柴油機振動的影響 8 太原理工大學碩士研究生學位論文 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柴油機燃燒和排放性能的影響 建立了柴油機燃燒室 模型 并利用試驗驗證模型的可靠性 通過仿真研究分析柴油乳化摻水對柴油機燃燒和 排放特性的影響 本章主要內(nèi)容包括建立驗證燃燒室模型并進行網(wǎng)格劃分 選取邊界條 件 對初始條件進行設(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 利用試驗驗證了模型的可信性 通過計算得到數(shù)據(jù)并分 析柴油摻水對柴油機燃燒和排放的影響 2 1 燃燒室模型的建立與網(wǎng)格的劃分 2 1 1 計算對象 本文主要對4 1 0 0 q b z l 四沖程增壓柴油發(fā)動機在最大扭矩轉(zhuǎn)速 發(fā)動機轉(zhuǎn)速為 2 2 0 0 r m i n 5 0 負荷下分別對柴油不摻水和柴油中摻不同比例水的乳化油進行模擬計 算 并通過試驗驗證建立的模型 表2 1 為4 1 0 0 q b z l 型車用柴油機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和運 行參數(shù) 表2 14 1 0 0 q b z l 型車用柴油機結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(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)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)運行參數(shù) 氣缸直徑 m m 1 0 0 計算工況 2 2 0 0 r r a i n 5 0 負荷 活塞行程 m m 1 0 5 燃料類型 c 1 3 h 2 3 連桿長度 m m 1 7 5 最大氣閥升程 m m 1 0 7 2 單個噴孔每循環(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 長型閉式 噴嘴器類型噴油開始時刻 8 c ab t d c p 型 噴油器開啟壓力 m p a 2 4 5 士0 4 9 噴油結(jié)束時刻上止點 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 進氣門關(guān)閉時刻 4 8 0 c aa t d c 增壓比 2 2 排氣門開啟時刻 6 5 3 0 c ab t d c 9 太原理工大學碩士研究生學位論文 2 1 2 燃燒室模型的建立 計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 柴油機燃燒室模型 燃燒室形狀為直噴半開式f d 型結(jié)構(gòu) 本文 通過切割燃燒室對燃燒室界面進行7 t j 繪 在不改變?nèi)紵抑饕叽绲那疤嵯聦δＰ瓦M 行了簡化 如圖2 1 所示為燃燒室實際測繪圖 圖2 1 燃燒室實際尺寸圖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4 1 0 0 q b z l 柴油機燃燒室進行建模 通過選 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 軟件中自帶動網(wǎng)格劃分技術(shù) 能夠通過增加 減少網(wǎng)格數(shù)目或拉伸 壓縮網(wǎng) 格以及改變網(wǎng)格形狀來適應(yīng)計算區(qū)域的不斷變化 本文將燃燒室簡化為噴孔位置在活塞 正中央處對稱分布 因此燃燒室的計算網(wǎng)格只取整個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運動的動網(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 太原理工大學碩士研究生學位論文 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 本文主要針對柴油機噴霧燃燒過程進行仿真計算 因此只把進氣門關(guān)閉到排氣門打 開之間的過程作為研究對象 設(shè)柴油機處于壓縮上止點時對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為7 2 0 c a 根據(jù)表2 1 可得 進氣門關(guān)閉時刻對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為5 8 8 c a 排氣門打開時曲軸轉(zhuǎn)角 為8 3 4 c a 在保證計算精度的前提下 合理的設(shè)置計算時間步長可以節(jié)省計算時間 在計算初 期計算收斂性較差 在燃燒階段缸內(nèi)變化劇烈 這兩個階段計算時間步長應(yīng)該較小 其 余期間 計算步長可以較大 計算時間步長的設(shè)置如表2 2 所示 表2 2 時間步長設(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 時間步長 c a s t e p o 20 5210 212 2 2 2 邊界條件的設(shè)置 本文計算模型的邊界條件對燃燒過程中與氣缸蓋 氣缸壁和活塞頂面的傳熱系數(shù)有 重要的影響 在計算速度場時 邊界條件分為固體壁面邊界和周期邊界 柴油機模擬一 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 太原理工大學碩士研究生學位論文 速度邊界條件包括有滑移邊界條件 無滑移邊界條件和壁面函數(shù)規(guī)律邊界條件三 種 對于粘性流體 速度邊界條件 般采用無滑移邊界條件 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 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)計算所需參數(shù)湍動能 t u r b k i n e n e r g y n 稱t k e 和湍流長度尺度根據(jù)f i r e 自帶幫助文件給出的公式計算 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 2 2 4 公式中 材 湍流脈動速度 m s 玎 發(fā)動機轉(zhuǎn)速 r m i n h 發(fā)動機沖程 m 巴 活塞的平均速度 州s 丸 最大氣閥升程 m 本文計算的工況為2 2 0 0 f f m i n 負荷5 0 表2 3 是湍動能和湍流長度尺度的計算 結(jié)果 表2 3 計算 r l t 湍動能值和湍流長度尺度 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 1 0 51 0 7 24 73 8 52 2 2 35 3 6 荷 渦流比q 用來表示進氣渦流的強度 是氣流繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速聆g 與發(fā)動機轉(zhuǎn)速 刀之比 q n g n 2 5 1 2 太原理工大學碩士研究生學位論文 渦流比的選取與具體的機型 一定的缸徑 標定轉(zhuǎn)速 噴油系統(tǒng)以及燃燒室有關(guān) 本文所選機型渦流比為1 6 本文廢氣殘余系數(shù)選取經(jīng)驗值0 0 7 廢氣組成由排放分析儀測得的過量空氣系數(shù)五 確定 規(guī)定e g r c o m p o s i t i o n 1 2 計算模型中單個噴孔每循環(huán)的噴油量是利用智能油耗儀測出穩(wěn)態(tài)工況下的油耗量 計算得來的 計算公式如下 b 星 2 6 6 0 一n i r 式中 b 為單個噴孔每循環(huán)噴油量 b 為智能油耗儀實測油耗量 行為發(fā)動機轉(zhuǎn)速 為發(fā)動機噴油器數(shù)目 f 為每個噴油器的噴孔數(shù)目 r 2 在2 2 0 0 r m i n 負荷5 0 i 況下利用智能油耗儀測得油耗量為7 0 4 5 k g h 利用公式計 算單個噴孔每循環(huán)噴油量為4 4 4 7 6 e 0 6 k g 2 3 計算模型的選取 燃燒的數(shù)值模擬中能否正確描述整個燃燒實際過程的物理現(xiàn)象對模擬結(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)柴油機的實際結(jié)構(gòu)和參數(shù) 來 選取合適的物理模型 主要包括缸內(nèi)氣體流動模型 燃油噴射和霧化模型 燃燒模型和 排放模型 2 3 1 缸內(nèi)氣體流動模型 內(nèi)燃機缸內(nèi)氣體流動的多維數(shù)值模擬的實質(zhì)是對可壓縮粘性流體的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 目前還沒有完全對湍流現(xiàn)象有清楚的認識 因此不同的湍流模型對缸內(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 具有計算精度高 計算穩(wěn) 定和運算速度快的優(yōu)點 1 3 太原理工大學碩士研究生學位論文 2 3 2 燃油噴射和霧化模型 柴油機燃油的噴射和霧化是一個十分復雜的過程 主要體現(xiàn)在 噴射過程是動態(tài)過 程 噴霧過程與噴嘴結(jié)構(gòu) 缸內(nèi)的溫度 壓力 氣體流動有關(guān) 描述油滴的動態(tài)試驗數(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 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 柴油機的燃燒過程屬于湍流燃燒 對燃燒過程中的傳質(zhì)和傳熱有重要影響 化學反 應(yīng)的發(fā)生和反應(yīng)速度受化學反應(yīng)機理的影響 因此 燃燒模型的選擇主要考慮湍流和化 學反應(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)展過程 e c f m 3 z 模型考慮了柴油機燃燒過程主要 是預混合燃燒和擴散燃燒 并以擴散燃燒為主 該模型利用一個湍流混合模型描述蒸汽 和空氣的混合 2 3 4 排放模型 柴油機排放的氮氧化物 n o x 主要是n o f i r e 軟件模