（动力机械及工程专业论文）ty3100ez增压柴油机试验与整机性能循环模拟研究.pdf

摘要 随着世界经济的发展，人们的环保意识也越来越强。由于非道路用机械的进 一步推广，非道路用柴油机的污染物排放问题正日益受到人们的关注。国际社会 以及相关组织均制定了相应的非道路用柴油机的排放法规，以减少主要有害排放 物对人类和自然环境的危害。对于中小型非道路用柴油机而言，对燃油供给、进 气、燃烧室三者间的优化匹配是降低有害捧放物的重要方法。本文以t y 3 1 0 0 e z 非道路用增压柴油机为研究样机，采用试验的方法，探讨了非道路用增压柴油机 达到美国环保署第四阶段( e p at i e r 4 ) 标准的排放物控制方法与途径。同时运用软 件模拟计算发动机性能并预测排放。 本文首先进行了t y 3 1 0 0 e z 增压柴油机排放控制试验研究。通过对原机进行 性能和排放的摸底试验，分析了原机排放物排放量的特点，采取调整供油提前角、 出油阀减压容积、高压油管内径等燃油系统参数以及重新设计燃烧室的技术措施， 获得了t y 3 1 0 0 e z 增压柴油机排放达到e p at i e r 4 标准的技术方案。 其次，详细描述了柴油机循环模拟的数学物理模型，尤其分析了柴油机燃烧 模拟模型、n o x 和s o o t 排放物的生成机理及模型：基于准维燃烧模型、扩展的 z e l d o v i c hn o x 生成机理和n a g l e & s t r i e k l a n d c o m t a b l es o o t 生成模型，利用 g t - p o w e r 软件建立了能够预测n o x 和s o o t 捧放的t y 3 1 0 0 e z 柴油机整机系统仿 真模型；采用所建仿真模型，对所研究柴油机的外特性进行了模拟计算，预测了 几个工况的n o x 和s o o t 排放，结果表明，模拟计算结果与试验结果吻合良好。 本文同时重点分析了建模过程中涡流系数对发动机性能的影响，当在建模过 程中考虑这一系数时，发动机动力性及经济性指标变化不大，而对于排放物( n o x 和s o o t ) 的预测影响较大，大幅度降低。 然后利用所建仿真模型，分析了压缩比变化、喷油提前角变化和增压度变化 对柴油机性能及n o x 和s o o t 排放特性的影响。计算结果表明，在循环喷油量一 定的情况下，压缩比的变化对排放物的生成影响很大；喷油定时对排放物的生成 也是影响很大：而增压度对排放物生成的影响并不是呈单调性，达到一定值时， 继续增大增压度，排放物的生成变化很小。 关键词：非道路用柴油机，增压，循环模拟，排放 a b s t r a c t w 证ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew o r l de c o n o m y , p e o p l e ss e l 塔ef o re n v k o n m e n t a l p r o t e c t i o n i s i m p r o v i n gd r a r m t i c a l l y d u e t ot h ef i a r t h e rp r o m o t i o no fn o n - r o a d m a c h i n e r y , s u c hp r o b l e m sa sd i e s e le n g i n ee m i s s i o n si nt h i sr e g a r da r ei n c r e a s i n g l y f o c u s i n ge y e b a l l so ft h ep e o p l ew o r k l w i d e t l l ei n t e r n a t i o n a lc o m m u n i t ya n di t s r e l e v a n to r g a n i z a t i o mh a v ef o r m u l a t e de m i s s i o nr e g u h t i o n sf o rt h en o n - r o a dd i e s e l e n g i n e 幻r e d u c et h eb a de f f e c tc a u s e db yh a r m f u le m i s s i o n so nh u m a nb e i n g sa n d m t u r a le n v i r o n n 篙n t f o rs m a l la n dm e d i u m - s i z e dn o n - r o a dd i e s e le n g i n e ，t h eo p t i m a l m a t c hb a s e do nf u e ls u p p l y , i r 吐a k ea n dc o m b u s t i o nc h a m b e ri sa l li m p o r t a r aa p p r o a c h t or e d u c eh a r m f u le m i s s i o n s t h i st h e s i ss a n p l e dw i t ht y 310 0 e z , an o n - m a d t u r b o c h a r g e dd i es e le n g i l ，a n dr e s e a r c h e dt h ep a t h st o c o n t r o le m i s s i o mo ft h e n o n - r o a dd i e s e lt om e e tt h es t a n d a r do fu s e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na d m i n i s t r a t i o n t i e r 4 ( e p at i e r 4 ) 谵e x p e r i m e n t s s i m u l a t e de n g i n e sp e r f o r m a n c ea n dp r e d i c t e d e m i s s i o 璐u s e dg p o w e rs o f t w a r e f i r s t l y , e m i s s i o nc o n t r o le x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u to nt y 31 0 0 e z t u r b o e h a r g e dd i e s e le n g i n e b yt e s t i n gi t sp e r f o n m m ea n de m i s s i o n , t h ee m i s s i o n s c h a r a c t e r i s t i c sw e r ea m l y z e da n dt h ef i n a lt e c h n i c a ls o l u t i o n sw e r eo b t a i n e dt om e e t t h es t a n d a r do fe p at i e r 4 t l 薯m e a s u r e m e n t si n c l u d e da d j u s t i n gs u c hf u e l i n gs y s t e m p a r a m e t e r sa st h ef u e ls u p p l ) ra d v a n c ea n g l e ，p r e s s u r er e d u c i n gv o l u m eo ft h ev a l v e ， h i g hp r e s s u r ep i p e l i n ed i a m e t e r , a n da p p l y i n gt e c h n i c a lm g a s u r e ss u c ha sr e d e s i g n i n g c o m b u s t i o nc h a l l 由e l s e c o n d 取m a t h e m a t i c a lp h y s i c sm o d e lo fc y c l es i m u l a t i o no ft h ed i e s e le n g i n e w e 砖i n t r o d u c e d ，e s p e c i a u yt h e m o d e lo fi t sc o m b u s t i o ns i m u l a t i o n , f o r r m t i o n m e c h a n i s mo fn o xa n ds o o te m i s s i o n sa n dt h e i rr e v e r e n tm o d e l s b a s e do n q u a s i = d i m e n s i o m lc o m b u s t i o nm o d e l , e x t e n d e dz e l d o v i e hn o xf o r m a t i o nm e c h a n i s m a n dn a g l e & s t r i c k l a n d c o n s t a b l es o o tf o r m a t i o nm e d e tt h es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l o f t y 3 1 0 0 e zt u r b o c h a r g e dd i e s e l e n g i n et h a t c a n p r e d i e t n o x a n ds o o t e m i s s i o n sw a s b u i l tw i t hg t - p o w e rs o f t w a r e w i t ht h em o d e lt h a tc r e a t e d ，w ea l s os i m u h t e dt h e e x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c so fd i e s e le n g i n ea n dp r e d i c t e dn o xa n ds o o te m i s s i o n su n d e r s e v e r a lc o n d i t i o n s t h ec o n c l u s i o r as u g g e s tt h a tr e s u l t sf r o ms i m u l a t i o nc o n f o r mw e l l t ot h a tf i = o me x p e r i m e n t a lp r o c e s s c o n c u r r e n t l y , t h i st h e s i se m p h a s i z e st h ei n f l u e n c eo fs w i r lc o e f f i c i e n e yo ne n g i n e p e r f o r m a n c e sd u r i n gt h ep e r i o do f c r e a t i n gm o d e l s w h e nc o m i d e r i n gt h i sc o e f f i c i e n c y u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n , t h e r ei sal i t t l ec h a n g ev o l u m ef o rt h ec o n e l a t i v ei n d e x e so f e n g i n ep o w e ra n de c o n o m y , b u tf o rt h ep r e d i c t i o nf o re m i s s i o n s ( n o xa n ds o o t ) ，g r e a t h e f f e c t sh a v es h o w nw i t hd r a m a t i cd e c r e a s i n gv o l u m e t h e n , b ya d o p t i n gs i m u l a t i o nm o d e l st h a th a v ec r e a t e d ，w es t u d i e dt h ei n f l u e n c e s e m i n a t i n gf i o mt h ec h a n g e so fc o m p r e s s i o nr a t i o ，i n j e c t i o na d v a m e dt i m i n ga n d s u p e r c h a r g i n gl e v e lo nd i e s e le n g i n e 、sp e r f o r m a n c e sa n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f n o xa n ds o o t t h er e s u l t ss u g g e s tt h a t , w h e nt h ef u e li n j e c t i o nv a l u eo ft h ec y c l e r e t r a i n sc o m t a n t , c h a n g e so fc o m p r e s s i o nr a t i oh a sg r e a ti m p a c to ne m i s s i o m g e n e r a t i o n , a n ds od o e si n j e c t i o nt i m i n g h o w e v e r , t h ei m p a c tc a u s e db yp r e s s u r i z e d d e g r e e i sn o tam o n o t o n i co n e ，i tw i l ls h o wl i t t l e c h a n g e si fp r e s s u r i z e dd e g r e e i n c r e a s e dc o m i n u o u s l yw h e na c t u a l l yh a sr e a c h e da tad e a dl e v e l k e yw o r d s ：n o n - r o a dd i e s e le n g i n e ，t u r b o e h a r g e d ，c y c l es i m u l a t i o n ，e m i s s i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注祀致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：生理日期：幽! ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权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武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：酆矗踌l j 币签名：罗豸芳日挈：胡口， 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 本文研究的目的及意义 第1 章绪论 非道路用柴油机相对于道路用柴油机而言，一般指拖拉机、工程机械、农业 机械、林业机械、船舶柴油机等非道路用机械所配备的发动机。与道路用柴油 机不同，非道路用柴油机具有非常宽广的功率范围和众多的结构形式，应用范 围广。近几年来，随着我国内燃机技术的快速发展，非道路用柴油机除了满足 国内需求外，还广泛出口到欧美发达国家及许多发展中国家，具有非常广泛的 国内外市场。尤其现今全球爆发的金融危机，更是为我国内燃机技术的发展提 供了可喜的机遇。但这类柴油机排放状况相对恶劣，严重危害人类的身体健康， 影响人类的生存环境，所以我们在面临可喜机遇的同时也同样面临着严峻的挑 战。随着人们对环境保护的深入认识，世界各国政府都对其已经制定并实施严 格的排放标准。目前的非道路排放法规是美国环保署非道路用发动机排放控制 第四阶段标准( 以下简称e p at i e r 4 ) 占主导地位；我国也于2 0 0 7 年发布了非道路 柴油机有害排放强制性国家标准【1 1 ，第一阶段排放标准执行日期为2 0 0 7 年1 0 月 1 日，第二阶段排放标准执行日期为2 0 0 9 年1 0 月1 日。本文所研究的柴油机是 出口到美国市场，为了适应美国于2 0 0 8 年便开始实施的更为严格的e p a t i e r 4 ， 必须改善排放。 为使柴油机有害排放物排放量满足日益严格的排放法规的要求，人们采取了 机内和机外净化技术措施，并进行了大量的试验研究，对道路用柴油机的排放 控制技术有了比较深入的研究，但是针对非道路柴油机的排放控制技术研究 相对较少。虽然用于道路用柴油机排放控制技术可用于非道路用柴油机，但 因其高成本，限制了在非道路用柴油机上的应用。因此对柴油机工作过程进 行模拟和性能优化就显得尤为重要。 自上世纪六十年代以来，计算机技术的发展给柴油机工作过程模拟的研究 增添了活力，使柴油机复杂的燃烧过程预测成为了可能，为柴油机的设计提供 了便捷和准确的途径。 因此在理论指导下，通过对非道路用柴油机进行整机性能循环模拟研究， 可以建立起非道路用柴油机的各种结构参数与性能指标间的数量关系，从而在 研发改进过程中可以预测柴油机的各项性能，然后根据预测结果改进设计方案， 武汉理工大学硕士学位论文 这样会节省研发过程中大量的中间试验环节，降低成本，达到优化设计的目的。 1 2 非道路用柴油机的技术发展现状 本文所研究的发动机功率属于1 9 - 3 7 k w 功率段。在全球市场上，大部分 大于等于7 5 k w 非道路车辆柴油机，主要是从道路车辆柴油衍生出来的，或 者与道路车辆柴油机享有相同技术，其中包括相似的排量、进气系统、燃油 系统和电子控制系统：而小于7 5 k w 的柴油机，其技术呈现多样性【2 1 。表1 1 为2 0 0 4 - - 2 0 0 7 年1 9 - 3 7 k w 功率段通过e p a 认证且在北美市场销售的柴油机的 主要技术参数统计资料。 表1 12 0 0 4 - - - 2 0 0 7 年北美市场销售的1 9 - 3 7 k w 功率段柴油机 主要技术参数统计表( 单位：) 【3 】 柴油机参数2 0 0 4 年2 0 0 5 年2 0 0 6 年2 0 0 7 年 i d i 非直喷5 6 65 9 85 6 65 8 9 d i 直喷 4 3 44 0 24 3 44 1 1 t c ( t c a ) 增压 1 3 9 1 7 9 ( 4 8 ) 1 7 9 2 1 1 ( 5 - 2 ) 电控系统00 9o0 4 e g rooo2 5 c a t a l y s t 00o0 4 d o cooo0 4 d p foo0o 。4 从表1 1 可以看到，近年来，采用增压技术所占的比例从2 0 0 4 年的1 3 9 上升到2 0 0 7 年的2 1 1 ；2 0 0 7 年，由于柴油机需要满足2 0 0 8 年实施的代r 4 标准，开始使用电控系统、e g r 、c a t a l y s t 、d o c 、d p f 等先进技术，尽管采 用这些技术的机型不多，但反映了技术发展的趋势。 图1 1 为2 0 0 3 2 0 0 8 年1 9 - 3 7 k w 功率段柴油机排放分布情况，从中可以 看到，近几年达到e p at i e r 4 排放标准的柴油机逐年增加，并且h c + n o x 排 放值集中在4 5 - 7 5g ( k w h ) ，p m 排放值集中在0 1 5 0 3 趴k w h ) 。如图1 1 ( 9 所示，排放量较低的企业及所采用的技术分别如下：2 0 0 8 年，i h is h i b a u r a m a c h i n e r yc o r p o r a t i o n 采用非直喷增压技术使柴油机p m 排放达到0 1 1 g ( k w h ) ，气体排放为4 7 6g ( k w h ) ：i s u z um o t o r sl i m i t e d 则采用自然进气非 直喷技术使柴油机p m 排放达到0 1 0 lg ( 1 ( w h ) ，气体排放为6 1 3 5g ( k w h ) ： 而v o l k s w a g e n 公司的柴油机采用自然进气电控直喷技术使p m 排放达到0 1 2 武汉理t 大学硕十学位论文 g ( k wh 诹低水平，此时气体排放为6 , 5e c ( k w 吣 0 ) 2 0 0 3 年 ： 噩堡型”下b j l ! 型 i r 嚣 3 1l 8 ：三髫= 2 r 1 - 十，r 、r ，- t - 一 r 。：! 蘩 。：b n - “ ；i 。2 竺：竺j 忙1 2 0 0 7 年 图1 12 0 0 3 2 0 0 8 年 ( o2 0 0 8 年 9 - 3 7 k w 柴油机排放分布 一一ci；ixoz+ohi 一一口!oz+oz 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 0 7 2 0 0 8 年我国通过e p at i e r 4 认证的1 9 3 7 k w 非道路用柴油机所采用 的各种技术措施情况见表1 2 。 表1 2 我国1 9 - 3 7 k w 非道路用柴油机技术措施统计 年份满足标准非直喷 直喷( d i )增压( t c ) 自然吸气有后处理 ( i d i )( n a ) 2 0 0 7t i e r 27 3 7 2 6 3 l o 5 8 9 5 5 7 9 t 刚8 7 5 1 2 5 2 5 7 5 7 5 2 0 0 8t i e r 46 8 8 3 1 2 1 8 8 8 1 2 3 1 8 从表1 2 可以看出，满足t i e r 2 的1 9 - 3 7 k w 非道路用柴油机中，非直喷 式占了大部分，直喷式只占了所有发动机的2 6 3 ；自然吸气占了接近9 0 ， 增压或者增压中冷仅仅占了1 0 5 ；所有通过e p a t k l 2 的非道路用柴油机中 带有尾气后处理的占了5 7 9 。满足t i e r 4 的1 9 - 3 7 k w 非道路用柴油机中， 非直喷式所占的比例更大，上升了1 3 8 个百分点，也就是说直喷式所占的比 例更小；增压或者增压中冷技术采用的比例有所增大；值得注意的是e p a t i e r 4 的非道路用柴油机中带有尾气后处理的占了7 5 。这些数据说明，国内小功 率段的非道路用柴油机达到美国t i e r 4 标准，主要还是依靠尾气后处理技术、 非直喷的喷油系统和自然吸气的进气系统，直喷加增压中冷技术采用的并不 多。 1 3 发动机工作过程数值计算方法的发展 发动机数值模拟包括迸排气、缸内燃烧、传热及气体交换等过程的模拟。 发动机的结构非常复杂，各个子系统的边界不稳定条件难以完全确定，在模 拟过程中为了求解方程，就需要建立各种简化的数学和物理模型，继而将试 验数据或发动机各个子系统循环模拟的结果作为模型的边界条件，然后进行 模拟计算。一般发动机循环模拟研究包括数学和物理模型的建立、模拟计算 求解、试验验证等几个方面。 在循环模拟模型研究中，最为关键的就是对其一阶拟线性偏微分控制方 程进行求解，如今发展应用比较广泛的主要计算方法有：特征线法、有限差 分法和有限容积法。特征线法有l a t t i c ep o s k i o n 和m e s hm e t h o d 两种方法， 后一种方法更便于在计算机上应用。2 0 世纪6 0 年代以来，rs b e n s o n 教授 及其工作组长期致力于特征线法模拟计算工作，在计算气道内的气体流动方 面获得成功【4 1 。1 9 7 8 年b e n s o n 去世后，他的同事以b e n s o n 的名义，整理 4 武汉理工大学硕士学位论文 出版了专著内燃机热力学与空气动力学( 卷1 ) ( t h et h e r m o d y n a m i c so f c o m b u s t i o ne n g i n e s ，v o l i ) 【5 】系统的总结了此前以特征线法为基础的循环模 拟领域的研究和计算成果。前后3 0 年( 2 0 世纪6 0 9 0 年代初) ，特征线法一 直在发动机循环模拟领域处于主流支配地位。 近年来，由于特征线法的方便程度不如直接求解偏微分方程组，而且所 需计算时间也比较长，因此已逐渐采用精度更高、速度更快的直接求解偏微 分方程组的有限差分法和有限容积法替代这一方法1 6 ，7 1 。 1 4 非道路用柴油机排放物 1 4 1 非道路用柴油机有害排放物的种类 非道路用柴油机的有害排放物主要是n o x 和p m ，除低负荷工况外，一氧 化碳和碳氢化合物排放均较小，这是因为柴油机在过量空气系数大于1 时，一 氧化碳生成后也可获得进一步氧化，此外，作为汽油机碳氢化合物排放生成源 的狭缝效应，对于柴油机来说却不是碳氢化合物的生成源，因为进入气缸内的 气体只是空气，所以狭缝处的气体也只能是空气。但非道路用柴油机处于部分 负荷运转时，由于每循环喷入气缸内的燃油量少，并且喷油器的喷油压力低， 将导致燃油的雾化不良，从而与空气混合不均匀，另一方面由于排气温度低， 这些都最终导致部分燃料不能够燃烧遗留在废气中，形成燃料颗粒烟雾，称为 白烟，这种情况在柴油机起动阶段以及怠速过程中是经常遇到的。对于柴油机 来说，只要能快速起动，未燃碳氢化合物排放就不成问题。当柴油机的负荷突 然增大时，排气出现黑烟，黑烟中的主要成分是碳粒，而微粒p m 是指包括碳粒、 凝聚在碳粒上的重碳氢化合物以及硫酸盐三部分组成。 非道路用柴油机排放物的生成与燃油的雾化，也就是说与燃油和空气的混 合气的情况密切有关。n o x 的生成区域主要是在高温已燃区，但由于已燃区的 温度和燃空比分布不均匀的原因，n o x 最大生成率应出现在燃空比接近化学计 量值的区域。s o o t 是在浓混合气区以及接近油束核心区处生成，然后当遇到空 气时再氧化出现黄焰。未燃碳氢和醛类出现在火焰遇燃气缸壁淬冷时，或者在 特别稀混合气处，火焰无法传入，此外在燃烧即将结束时，由喷油器高压油腔 内汽化之柴油或由于存在不正常的二次喷油进入气缸的柴油，也是未燃碳氢重 要的生成源【蚓。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 2 非道路用柴油机主要排放物的危害 ( 1 ) 氮氧化物n o x 非道路用柴油机排气中的氮氧化物( n o x ) 是柴油机燃烧过程中产生的氮的 各种氧化物的总称，它包括n o 、n 0 2 、n 2 0 、n 2 0 2 、n 2 0 3 和n 2 0 5 等。其中主 要成分是n o ，约占9 0 9 缸9 5 ，n 0 2 约占4 5 ，其他可忽略不计。n o 是无 色气体，本身毒性不大，进入大气环境后缓慢氧化成n 0 2 。n 0 2 是褐色气体，具 有强烈的刺激气味，它与血红蛋白的亲和力是氧气的2 0 0 0 0 0 倍，被吸入人体后 于人体血液中的血红球结合，在血液中被氧化生成血红抗，使人感觉到缺氧， 造成中枢神经障碍，引起咳嗽、气喘，甚至肺气肿和心肌损伤直至死亡。此外， n o x 和h c 在阳光中的紫外线作用下，如果条件适宜则会产生一系列光化学反 应而生成光化学过氧化物等有害物质，形成一种毒性较大的浅蓝色烟雾，引起 人体血液循环紊乱，最终导致肺癌等。 ( 2 ) 微粒p m 柴油机排放的p m ，主要成分是碳，其粒度一般小于0 3 微米，可长期悬浮 在大气中而不沉降，会深入人体肺深部造成机械性超负荷，损伤肺内各种通道 的自净机制，促进其他污染物的毒害作用。碳粒上面吸附有硫酸盐及多种有机 物质，其中包含p a h ，具有不同程度的诱变和致癌作用。 1 5 柴油机工作过程数值计算的国内外应用现状 近年来，随着计算机技术的高速发展，计算机模拟仿真技术在汽车企业 对整车及发动机的研发过程中应用十分广泛。如计算流体力学 ( c o m p u t a t i o m l f l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 软件s t a r - c d 、f i r e 、f l u e n t 、 w a v e 、f l o w m a s t e r 等；发动机性能仿真软件g t - p o w e r 、b o o s t 等；发 动机与整车匹配软件c r u i s e 、g t - d r i v e 等；有限元分析软件a n s y s ；机械 系统动力学仿真软件a d a m s 等。随着我国汽车制造技术不断发展，模拟仿 真软件在产品设计中应用越来越广泛：应用g t - p o w e r 、b o o s t 软件对发动机 进行重新设计进气系统f 坶】；c f d 对气道流场计算与气道稳压实验的对比分析； s t a r o c d 模拟四气门柴油机进气特性的数值分析；c a d 造型c f d 优化 c a m 快速成型技术应用于进气道设计；与m a t l a b s i m u l i n k 耦合计算 实现发动机特性实时处理和计算系统的开发等1 。总之，计算机模拟软件已 经成为现代汽车企业必不可少的研发手段。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 1 国外现状 从内燃机工作过程循环模拟计算的发展来看，发动机工作过程循环模拟 的发展可以追溯到早期用计算机模拟发动机的放热规律。世界上最早开展发 动机工作过程模拟计算研究的是英国的d u g a l dc l e r k ，但使柴油机复杂的工作 过程预测成为可能也是开始于上世纪6 0 年代，燃烧学与数值方法的结合由于 高速计算机的出现得到了深入研究，柴油机工作过程的研究也由于计算机技 术的发展而得到了进一步发剧1 2 l 。随后，发动机缸内燃烧模型不断完善，进 排气系统的数值求解方法也得到比较大的发展。近些年，随着一系列模拟发 动机工作过程的计算机软件的开发，标志着在发动机研发过程中，发动机工 作过程模拟已经达到了高度实用化的程度【1 3 】，其中技术成熟、运用也比较广 泛的软件主要有奥地利a v l 公司的b o o s t 、美国g d i 公司的g t - s u i t ，美 国西南研究所的v i p r e 等。 在国外，发动机循环模拟的研究和应用是由各大学和研究机构开始进行 的，其中比较著名的有英国的u m i s t 大学【1 4 】、b a t h 大学【1 5 1 ，德国的r u h r 大 学【1 6 】、美国的g d i 公司和奥地利的a v l 公司。它们相继开发出高质量的循环 模拟软件，并用于各种不同的研究工作。其中值得一提的是美国g d l 公司开 发的g t - s u i t e 系列软件，除了循环模拟功能以外，它还能够对内燃机各个 组成系统( 例如：冷却系统、曲柄连杆机构、配气机构等) 的工作进行模拟研究。 g t - p o w e r 是专门用于发动机性能仿真分析的软件，广泛应用于发动机的设计、 开发等工作。世界著名的汽车和发动机厂商( 如g m 、p s a 、f i a t 、n i s s a n 、 d a i m l e r c h r y s l e r 、c u m m i n s 、f e v 等) 都应用该软件进行发动机性能模拟分 析【1 7 ，l 引。 1 5 2 国内现状 同国外相比，我国内燃机循环模拟的研究和应用起步并不晚。七十年代， 铁科院、北大、中科院计算所等单位开始进行这方面的研究工作，到八十年 代，天津大学、北京理工大学、西安交大、上海交大、大连理工大学、华中 科技大学和哈尔滨船舶工程学院等高校和研究单位相继开展这项工作【”】，内 燃机循环模拟研究发展比较迅速。相继开发了一些模拟计算程序，并在一些 科研项目中发挥了应有的作用。特别是近些年来，随着国内企业与欧美及日 本企业交流的加深，国内汽车行业应用仿真软件对发动机进行工作过程模拟 7 武汉理工大学硕士学位论文 计算的速度十分迅速。如清华大学应用g t - p o w e r 建立e q 4 9 1 电喷发动机工 作过程计算模拟，并对软件的模拟精度和可靠性进行了验证【1 9 】。东风汽车工 程研究院发动机部利用g t - p o w e r 模拟软件建立了发动机工作工程数学计算模 拟【2 0 1 。优化排气歧管长度减少压力波对扫气的干扰【2 1 , 2 2 】。一汽技术中心也曾 利用g t - p o w e r 软件对某型发动机进行循环模拟计算，对进、排气系统结构尺 寸进行了优化计算，并进行了与增压器的匹配计算【2 3 。中国北方发动机研究 所利用a v l - b o o s t 对增压柴油机性能进行模拟计算【2 4 1 ，对影响柴油机性能指 标的主要参数进行对比分析，进而提出改进措施。江苏大学采用g t - p o w e r 研 究废气再循环对柴油机性能和排放的影响【2 5 】。大连交通大学应用g t - p o w e r 软件建立起机车用增压柴油可预测排放的模型，分析了不同喷油提前角、喷 孔数和喷孔直径等参数对排放的影响，进行了排放预测【2 6 1 。大连海事大学应 用g t - p o w e r 软件建立起船用柴油机可预测排放的模型，分析压缩比、喷油提 前角对柴油机排放特性的影响 2 7 , 2 8 】。重庆大学运用预测计算程序s c o p e 建立 预测模型，进行n o x 和p m 的预测【2 9 1 。天津大学运用s t a r - c d 软件建立排 放模型，分析各种参数对发动机排放的影响【3 0 l 。天津大学通过调整导气屏气 阀位置产生大范围变化的缸内气流运动形式，分析汽油机缸内气流运动对发 动机性能的影响【3 l j 。山东大学利用三维数值模拟技术研究缸内气流运动对天 然气燃烧过程的影响，模拟了带有不同进气道的2 种燃烧系统【3 2 l 。经实验验 证，使用g t - p o w e r 软件建立的模型能够准确预测柴油机性能和排放。此外， 应用g t - p o w e r 软件对发动机的气门升程曲线和正时的优化、涡轮增压器，废 气旁通阀的匹配、气缸部件的热分析、燃烧分析、排放分析，增压器的响应 分析、瞬态空燃比分析以及与s t a r - c d 耦合进行流动三维模拟的研究在国内 发展也越来越成熟。 虽然发动机工作过程数值计算在柴油机设计和研究中有着重要地位和作 用，但仍存在一些不足之处【3 3 , 3 4 , 3 5 ： 首先，物理模型在数值计算过程中是必不可少的，因为建立及验证数学 模型都要借助于物理模型或相似模型，一些边界条件和相关参数也需要通过 试验来确定，因而它不能作为一种独立的研究手段进行应用。 其次，由于柴油机工作过程的复杂性，因此柴油机实际工作过程中各个 阶段的所发生的物理现象和化学反应得不到准确、详尽地描述。由于对某些 复杂问题还不够了解，在建立数学模型之前都会做出一些假设，不考虑次要 因素只突出主要的工作过程。在模拟计算中很多情况下还须借助于经验或半 8 武汉理工大学硕士学位论文 经验公式，以使计算得以进行( 例如，流量系数、传热系数、放热规律模型等) ， 这些因素都将使模拟计算结果与试验结果有偏差，从而在进一步研究过程中 的计算结果也会出现误差。 最后，有些计算所采用的经验公式( 如滞燃期、传热系数等的计算) 都 是通过许多试验条件不同和发动机类型也不同的试验结果推导得出的，还不 能通用，使用时要恰当选择。 总之，尽管柴油机工作过程数值计算目前仍存在某些不足，但是由于它 在柴油机研究中的优势非常明显，在柴油机的设计及改型过程中仍然作为 种有力的工具。 1 6 本文研究的主要内容 本文结合企业的实际需要，采用试验和计算机模拟相结合的方法，研究开 发非道路用直喷式柴油机达到美国e p a 他r 4 标准的排放控制技术。通过学习发 动机仿真分析软件g t - p o w e r 建模思路与方法，建立起非道路用t y 31 0 0 e z 增压 柴油机整机系统模型，分析了解增压工况下影响柴油机性能指标的主要参数， 进行t y 3 1 0 0 e z 增压柴油机排放分析，同时了解缸内气体流动对发动机性能的 影响，为降低排放提供理论依据。本文研究的具体内容有以下几个： ( 1 ) 对t 1 仍1 0 0 e z 柴油机采用增压中冷、直喷技术达到e p at i e r 4 标准 的排放控制方案进行系统的试验研究与分析。 、 ( 2 ) t 1 n1 0 0 e z 增压柴油机整机系统循环模拟计算 应用g t - p o w e r 建立t y 3 1 0 0 e z 增压柴油机的整机系统模型，模型中暂不 考虑缸内气流运动对柴油机性能预测结果的影响，利用试验数据对模型进行 校正，通过模拟计算，分析影响增压柴油机性能指标的主要参数。 ( 3 ) 柴油机排放模型的建立及排放预测分析 建立可预测排放的燃烧模型，分析影响t 奶1 0 0 e z 增压柴油机排放的主 要参数，为采用机内净化措施降低发动机排放提供理论依据。 ( 4 ) 缸内气流运动对发动机性能影响的模拟与预测 建立考虑缸内气流运动的柴油机整机循环模拟模型，改变缸内气流运动 的强烈程度，分析气流运动对发动机性能的影响，为燃烧室、气道等的设计 提供相关理论依据。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章t y 3 i o o e z 柴油机排放控制试验研究 2 1 试验技术措施 柴油机进气系统无论是对发动机的动力性、经济性还是对排放性的影响都 是非常显著的，进气道作为迸气系统中最主要的部件，既要为进入发动机缸内 气流提供合适的涡流，又要保证尽可能高的进气能力，而涡流比与流量系数具 有折衷的关系，即一个增大另一个减小。由于对进气道改进设计非常困难，通 过配气机构的改进增大进气量又非常有限，为了提高进气量，可采用涡轮增压 技术来提高进气量。 废气涡轮增压器布置在发动机的排气管上，利用发动机排出废气的能量来 推动涡轮机叶轮的转动，再带动与涡轮机同轴的压气机叶轮转动，将吸入的新 鲜空气加压后充入气缸中，因进气量增加而提高了空燃比和过量空气系数，使 发动机的动力性能、经济性能以及排放性能都能得到改善。但是，在空气经过 压缩机压缩后进入气缸的过程中，由于增压器对空气做功而使进气温度升高， 从而发动机的缸内工质的燃烧温度随进气温度的升高而升高。发动机缸内高温 是烃类燃油裂解成碳烟的必要条件之一，同时也是导致氮氧化物排放迅速增加 的重要原因。另一方面，进气温度升高也会影响气缸中充入的空气质量和密度， 一定程度上影响空燃比和过量空气系数。为了降低发动机的进气温度，可采用 中冷技术，即将增压后的空气在充入气缸前，经过压气机与发动机的进气歧管 之间的中冷器冷却后再进入气缸。因此，采用增压中冷技术，将增压后温度升 高的压缩空气经过冷却后，再进入气缸中，这样缸内的空燃比将会改变，有利 于油气的混合，燃烧更加完善，如此发动机缸内的最高燃烧温度可得到降低， 由于温度的降低，n o x 的生成将对收到抑制，同时p m 的排放量也会降低，经 济性也更良好，所以中冷措施是使排放要求与经济性要求二者统一的行之有效 途径。 涡轮增压中冷具体的技术措施如下： ( 1 ) 对于进气系统，应该将进气充量提高，迸气涡流能够得到迸一步的优 化，从而促进燃油和空气混合均匀，利于燃烧。在考虑增压器与柴油机的匹配 时，要充分考虑到增压后排放物排放量的变化，采用进气中冷，增大进气密度， 对于本文所研究的柴油机来说，要使第一点标定工况和第五点最大转矩工况能 达到最佳效率，必须有充足的进气量。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 对燃烧系统，为了进一步加强缸内燃油与空气的混合，使燃烧完善，对 燃烧室重新进行优化设计和匹配。 ( 3 ) 优化燃油供给系统，调整喷油正降低p m 的排放，同时控制n o x 排放不 太高。同时选用合适的高压油管内径、减压阀容积以提高喷油压力。结合涡流 强度和燃烧室结构的特点，优化喷油嘴结构参数，包括喷嘴孔径、孔数、启喷 压力，改善混合气形成质量，促进燃烧。 为了降低t y 3 1 0 0 e z 柴油机的排放，使之达到美国e p a t i e r 4 排放标准，本 文将在燃烧室结构、喷油正时、减压阀容积以及高压油管内径等参数选取方面 研究对柴油机排放的影响因素。 2 2 试验条件、设备和方法 2 2 1 柴油机的主要参数 t y 3 1 0 0 e z 增压柴油机的技术规格参数见表2 1 。 表2 1 柴油机主要参数 型号t y 3 1 0 0 e z 型式立式、直列水冷、四行程 缸径行程1 0 0 1 0 5 m m 标定功率转速3 3 1 k w 2 3 0 0r m 证1 最大转矩转速15 8 n m l7 0 0r m k i 。1 捧量2 4 7 4 l 2 2 2 试验设备和台架布置 为了测取柴油机的相关排放物的排放量，在本文的试验研究中，排放中的 n o x 、c o 、h c 是采用m a 7 1 0 0 d e g r 排放