（动力机械及工程专业论文）乙醇柴油发动机性能优化的模拟分析.pdf

- 、 - r 原创性声明 渊1 7 3 删t y 了 使用授权说明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得 的成果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其 他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内 容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均己在论文中明确说 明并致谢。 论文作者签名：书面 加口年歹月阳日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； ， 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文： 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 函即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：车7 为导师签名：葛务乏撕乡月乙蝈 乙醇柴油发动机性能优化的模拟分析 摘要 近年来，我国交通运输业快速发展，对石油的需求迅速增加。乙醇作 为一种可再生资源，在发动机上使用柴油掺烧乙醇具有重要意义。本文在 对现有z s l 9 5 型单缸直喷柴油机结构不做任何改变的前提下，首先通过试 验确定使发动机获得较好性能的最佳乙醇柴油混合比例，其次采用s t a r - c d 软件进行了发动机燃用混合燃料时不同e g r 率、压缩比、涡流比和循环方 式的模拟研究，分析比较其燃烧状态和排放历程的宏、微观场，为优化乙 醇柴油发动机性能提供理论指导。研究结果如下： ( 1 ) 台架试验结果表明，在最大扭矩和标定工况转速下，发动机燃用 e o 、e i o 、e 2 0 、e 3 0 四种燃料时，随着乙醇掺混比例增加油耗率增加，小负 荷时增加量较多，中高负荷时增加量较少，其中e 2 0 当量燃油消耗率低于 其它三种燃料，热效率最高。排放测试结果表明，只有当乙醇的比例合适， 才能明显减少n o x 排放，以e 2 0 为最佳；在中高负荷运行工况范围内，混 合燃料的s o o t 排放均比纯柴油的s o o t 排放有大幅降低，随着乙醇比例增 加，s o o t 逐级下降。 ( 2 ) 对发动机标定转速2 0 0 0 r m i n 和标定功率8 8 k w 运行工况下进行 发动机燃用四种燃料的动力性、经济性及排放性能的模拟值与试验值比较， 模拟和试验结果基本一致，验证了模拟平台的可行性。模拟结果表明，随 着柴油掺烧乙醇量的增加，n 0 和s o o t 的生成量均明显下降，但如果乙醇掺 混比例过高( 如e 3 0 ) ，n o 生成量反而接近纯柴油的n o 排放水平。综合分 析认为，可选择e 2 0 作为分析乙醇柴油发动机性能优化的适用燃料。 ( 3 ) 在标定工况下进行了发动机燃用e 2 0 混合燃料时不同e g r 率、压 缩比、涡流比和循环方式的性能影响模拟研究。结果表明，随着e g r 率的 变大，缸内压力下降，最高燃烧温度增加，n o 和s o o t 可同时减少，其中 n o 排放减少明显；随着压缩比的降低，缸内最高压力和最高燃烧温度明显 降低，n o 排放明显减少，但s o o t 排放增加；随着涡流比的变大，缸内最高 压力和最高燃烧温度依次变大，但n o 排放和s o o t 排放同时降低；对于进 气门晚关的米勒循环，随着进气行程的缩短缸内压力和燃烧温度均降低， 当进气行程合适( 如i r = - o 8 5 ) ，n o 和s o o t 排放同时减少，其中n o 排放 减少更为明显，当进气行程过小时，s o o t 的生成没有进一步改善；进气门 早关的米勒循环与进气门晚关的米勒循环相比，由于进气门早关多一个膨 胀冷却的过程，这使得在相同的进气行程下( 如- 0 8 5 和+ o 8 5 ) ，采用进气 门早关的米勒循环的缸内最高压力和最高燃烧温度更低，n 0 和t o o t 排放也 一 略低。几种措施的同一曲轴转角下温度和浓度场的微观分析表明，发动机 燃用纯柴油时n o 的生成与温度场分布密切相关，但掺烧乙醇后，n o 生成区 域与燃油浓度场区域的相关性更为明显；而发动机燃用纯柴油与乙醇柴油 混合燃料对s o o t 生成区域影响一致，都与燃油浓度场分布区域紧密相关。 ( 4 ) 在发动机性能影响模拟研究的基础上进行了优化模拟研究q 结果 表明，发动机同时采用进气门晚关( i r = - o 8 5 ) 的米勒循环、初始涡流比 为2 2 和较小的e g r ( e g r 率为5 ) 的措施时，在基本保持原有发动机动力 水平的基础上，排气温度略有下降，n o 和s o o t 排放有不同程度的降低，生 成量相对于e 2 0 分别减少了3 7 和1 5 5 。 关键词：乙醇柴油发动机模拟分析米勒循环性能优化 l i 、 、， t h e v e r y im e a n i n gf o rd i e s e f u e l e dw i t he t h a n 0 1 d i e s e lb l e n d s i nt h i spmportantm e a n lrd i e s e lt u e l e dw l t l ae t l l a n o lo l e s e ld l e n a s i nt h i sp 即e l i， 。 a p 吼。 f i r s to fa l l ，i nt h ep r e m i s eo fw i t h o u ta n yc h a n g i n gt h es t r u c t u r eo ft h ee x i s t i n g z s19 5s i n g l e c y l i n d e rd i r e c ti n je c t i o nd i e s e le n g i n e ，t h eb e s tb l e n d i n go f e t h a n 0 1 d i e s e ls h o u l db eo b t a i n e db ye x p e r i m e n t sf o rb e t t e re n g i n ep e r f o r m a n c e s e c o n d l y , i n o r d e rt o p r o v i d e t h e o r e t i c a l g u i d a n c e o ft h e o p t i m i z i n g e t h a n 0 1 d i e s e le n g i n ep e r f o r m a n c e ，t h es t a r - c ds o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t e t h ee t h a n 0 1 d i e s e le n g i n ew i t hv a r i o u se g rr a t i o s ，c o m p r e s s i o nr a t i o s ，s w i r l r a t i o sa n dt h ec y c l es i m u l a t i o nm e t h o d s ，t h e nt h em a c r o m i c r of i e l do ft h e c o m b u s t i o np r o c e s sa n de m i s s i o np r o c e s sw i l lb ec o n t r a s t e d t h er e s e a r c h r e s u l t sa lea sf o l l o w s ： 。 ( 1 ) t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a t ，o nt h ec o n d i t i o n so ft h em a x i m u mt o r q u e s p e e da n ds t a n d a r ds p e e d ，t h ee n g i n ef u e l e dw i t he 0 ，e l0 ，e 2 0 ，e 30f o u rk i n d s o ff u e l s ，c o n s u m p t i o nr a t ei si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s ei nt h ep r o p o r t i o no f b l e n d e de t h a n 0 1 i ti sm o r ei n c r e a s e do nt h es m a l ll o a da n dl i t t l ei n c r e a s e d o nt h e h i g hl o a d t h ee q u i v a l e n tf u e lc o n s u m p t i o nr a t eo f e 2 0i sl o w e rt h a nt h eo t h e r t h r e ef u e l s ，s oe 2 0h a st h em a x i m u mt h e r m a le f f i c i e n c y t h er e s u l to ft e s t e d e m i s s i o ns h o w st h a to n l yt h ea p p r o p r i a t ep r o p o r t i o no fe t h a n o lc a ns i g n i f i c a n t l y r e d u c et h en o xe m i s s i o n s h e r e ，e 2 0i st h eb e s t o nt h eh i g hl o a do p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，t h es o o t e m i s s i o n so fm i x e df u e la r es i g n i f i c a n t l yl o w e rt h a np u r e l i i v o b v i o u s l y h o w e v e r , i ft h ep r o p o r t i o no f e t h a n o lb l e n d i n gi st o oh i g h ( s u c ha s e 3 0 ) ， n of o r m a t i o ni sc l o s et ot h ep u r ed i e s e le n g i n e n of o r m a t i o n c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i ss h o w st h a t ，c h o o s i n gt h ee 2 0 a st h ea p p r o p r i a t ef u e lo f e t h a n o ld i e s e le n g i n ei sf e a s i b l e ( 3 ) o nt h es t a n d a r dc o n d i t i o n s ，t h es i m u l a t i o no f e 2 0e t h a n o ld i e s e le n g i n e w i t hv a r i o u se g rr a t i o s ，c o m p r e s s i o nr a t i o s ，s w i r l r a t i o sa n dt h e c y c l e s i m u l a t i o nm e t h o d sh a sb e e nd o n e t h er e s u l t ss h o wt h a t ，a sl a r g e rt h ee g r r a t i ob e c o m e s ，t h ec y l i n d e rp r e s s u r ew i l ld r o p ，b u tt h em a x i m u mc o m b u s t i o n t e m p e r a t u r e w i l li n c r e a s e ，n oe m i s s i o n sa n ds o o t e m i s s i o n sa r er e d u c e da tt h e s 锄et i m e b u tt h en oe m i s s i o n sa r er e d u c e ds i g n i f i c a n t l y a sl o w e rt h e c o m p r e s s i o nr a t i ob e c o m e s ，t h em a x i m u mp r e s s u r ea n dm a x i m u m c o m b u s t i o n t e m p e r a t u r ea r eb o t hd e c r e a s e d ，n oe m i s s i o n sa r ed e c r e a s e d ，b u tt h es o o t e m i s s i o n sa r ei n c r e a s e d a sl a r g e rt h es w i r lr a t i ob e c o m e s ，t h em a x i m u m p r e s s u r ea n dm a x i m u m c o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea r ef o l l o w e db yb i g g e r , n oa n d s o o te m i s s i o n sa r er e d u c e da tt h es a m et i m e r e l a t et ol a t ec l o s i n go ft h e i n t a k ev a l v e a ss h o r t e ro ft h ei n t a k es t r o k eb e c o m e s ，t h ec y l i n d e rp r e s s u r ea n d c o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea r er e d u c e d i ft h ei n t a k es t r o k ei sf e a s i b l e ( s u c ha si r = o 8 5 ) n oa n ds o o t e m i s s i o n sw i l lb er e d u c e d ，n oe m i s s i o n sa r er e d u c e d s i g n i f i c a n t l y i ft h ei n t a k es t r o k ei s t o os m a l l ，t h es o o tf o r m a t i o nw i l lb en o f u r t h e ri m p r o v e m e n t r e l a t et ot h ee a r l yc l o s i n go f t h ei n t a k ev a l v e ，t h e r ei sa n a d d i t i o n a le x p a n s i o no fc o o l i n gp r o c e s s ，s oi nt h es a m eo fc l o s i n gd e g r e eo f t h e i v l 。 ，： i n t a k es t r o k e ( s u c ha s o 8 5a n d + o 8 5 ) t h em a x i m u mc y l i n d e rp r e s s u r ea n dt h e m a x i m u mc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r eb e c o m el o w e r , n oa n ds o o te m i s s i o n sa r e s l i g h t l yl o w e r t h em i c r o a n a l y s i so ft e m p e r a t u r ef i e l da n dc o n c e n t r a t i o nf i e l d a l s os h o w st h a t ，d i e s e le n g i n ef u e l e dw i t hp u r ed i e s e l ，n of o r m a t i o ni sc l o s e l y r e l a t e dt ot h et e m p e r a t u r ef i e l d ，i fb l e n d i n ge t h a n o l ，n of o r m a t i o nr e g i o na n d r u e lc o n c e n t r a t i o nf i e l da rem o r er e l e v a n c ee a c ho t h e r t h ea f f e c to fs o o t f o r m a t i o nr e g i o ni sc o n s i s t e n c yf o re n g i n ef u e l e dt h ee t h a n o l - d i e s e lm i x t u r e i ti s c l o s e l yr e l a t e dt ot h ef u e lc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o nr e g i o n ( 4 ) t h er e s u l to fo p t i m i z a t i o ns i m u l a t i o ns h o w st h a t , w h e nu s i n gt h e m e a s u r e so fl a t ec l o s i n go fi n t a k ev a l v e ( i r 一0 8 5 ) o ft h em i l l e rc y c l ea n dt h e i n i t i a ls w i r lr a t i oo f2 2a n das m a l le g r ( e g r r a t ei s5 ) ，i nt h eo r i g i n a lb a s i s o ft h el e v e lo fe n g i n ep o w e r , t h ee n g i n ee x h a u s tt e m p e r a t u r ei sd e c r e a s e d s l i g h t l y , n oe m i s s i o n sa n ds o o te m i s s i o n sb e c o m el o w e rs i g n i f i c a n t l y , t h e f o r m a t i o no ft h e mr e l a t i v et ot h ep u r ed i e s e lf u e la led e c r e a s e db y3 7 a n d 15 2 r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：e t h a n o ld i e s e l e n g i n e ；s i m u l a t i o nr e s e a r c h ；m i l l e rc y c l e ； p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n v j 商要i a b s t r a c t il i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 1 1 替代燃料可以有效缓解能源危机一l 1 1 2 替代燃料可以满足日益严格的排放法规要求1 1 2 内燃机替代燃料的研究与发展3 1 2 1 替代燃料的要求与分类3 1 2 2 醇类燃料在柴油机上应用的特点和研究现状3 1 3 内燃机燃烧过程数值模拟研究5 1 3 1 内燃机燃烧过程数值模拟概述。5 1 3 2 内燃机燃烧模型5 1 4 论文研究目的和意义。8 第二章内燃机工作过程模拟的基本方程和主要数学模型1 0 2 1 基本守恒方程1o 2 1 1 离散相( 液相燃油) 基本守恒方程1 0 2 1 2 连续相基本方程( 气缸内气相工质) 11 2 2 柴油机液体燃油喷雾模拟的构成和相应模型1 2 2 2 1 空化的喷嘴模型。13 2 2 2 液滴的湍流扩散模型1 5 2 2 3 初次雾化模型：1 5 2 2 4 二次雾化模型1 7 2 3 燃烧、湍流及反应物模型18 2 3 1s h e l l 自燃模型：18 2 3 2 高温燃烧模型l8 2 3 3 湍流模型2 0 2 。3 4s o o t 模型2 0 v i ：! ( ) 2 2 第三章乙醇柴油发动机模拟平台的建立与试验验证2 3 3 1 试验平台的搭建2 3 3 1 1 试验装置及仪器2 3 3 1 2 试验方案的拟定2 4 3 2 模拟平台的建立2 6 3 2 1 多维数值模拟软件s t a r - c d 的介绍2 6 3 2 2 网格划分2 6 3 2 3 模型设定：2 9 3 3 乙醇柴油适当混合比例试验与模型验证3 1 3 3 1 乙醇柴油适当混合比例的试验研究31 3 3 2 模型的验证与分析“3 3 3 4 本章小结3 8 第四章乙醇柴油发动机性能优化的模拟分析3 9 4 1 废气再循环对发动机性能的影响3 9 4 2 结构参数对发动机性能的影响4 2 4 2 1 压缩比对发动机性能的影响4 2 4 2 3 涡流比对发动机性能的影响4 5 4 3 循环方式对发动机性能的影响4 7 4 3 1 米勒循环的理论分析4 7 4 3 2 米勒循环对发动机性能的影响4 9 4 4 综合优化方案的选择与分析5 4 4 4 1 综合优化方案对缸内压力和温度的影响5 5 4 4 2 综合优化方案对n o 和s o o t 的影响5 5 4 5 本章小结5 7 第五章全文工作总结5 9 5 1 全文工作总结5 9 v l i v 1 i i 1 1 引言 在世界范围内，石油资源的短缺及环境污染问题的日益严重，使得人们对内燃机替 代燃料研究的重要性及紧迫性的认识更为深入f i j 。尤其是在我国，因为人们生活水平进 一步改善，汽车的普及已成为现实，此外经济建设的突飞猛进，各类工程机械及农用机 械的大量应用刚。为了实现经济的长期可持续发展，如何妥善解决能源紧缺问题及环 境污染问题已成为当务之急，因此，我国妥善解决内燃机替代燃料的问题有着重大的社 会经济意义及国家能源安全的战略意义 5 , 6 1 。 1 1 1 替代燃料可以有效缓解能源危机 能源是人类生存与发展的最重要的物质基础之一【4 们。化石能源( 主要是煤、石油、 天然气) 依旧是当今世界的能源支柱，我国是一个贫油、贫气却富煤的国家，根据有关 资料的统计，我国已经探明石油的可开采储量仅占世界总储量的2 3 ，天然气的可开 采储量仅占世界总储量的o 9 ，煤炭可开采储量却占到世界总储量的1 1 6 ，如果按 人均储量来计算，则均在世界的人均值之下。我国是一个以煤为主( 约占7 5 以上) 的 国家，此外我国有着十分丰富的水利资源，再加上核能发电，因此我国的电力供应是有 基本保证的。当前的问题是石油产量和储量不足，因此车用燃料的替代成为研究开发的 重点。在我国的石油消耗中，除部分是作为化工原料应用外，交通运输的消耗约占5 0 。 。为了有效缓解能源紧缺及环境污染带来的压力，有着很大开发潜力的替代燃料成为 了节能减排的研究重点，从我国能源多元化与能源安全的角度来看，发展替代燃料有着 重大的战略意义 4 , 6 1 。 1 1 2 替代燃料可以满足日益严格的排放法规要求 柴油机由于具有较高的热效率，已大量运用于工程机械( 如农用柴油机、装载机、 挖掘机和推土机) 等非道路行走的机械。虽然相对于汽车而言使用规模较小，但是工程 机械的作业条件相对较差、作业工况比较恶劣，尾气排放量相对较大，对环境污染同样 比较严重。在人们越来越重视自身生存环境的情况下，各国相继出台了许多相应的标准、 法规，来对柴油机尾气排放进行有效的控制i _ 7 1 。 国际上，在非道路发动机排的放控制方面基本上保持一致。世界两大排放治理法规 制定的国家( 地区) 美国与欧盟，先后都系统的发布了关于非道路机动设备用柴油机 乙醇柴油发动机性能优化的模拟分析 的排放法规。这里重点关注我国的法规： 2 0 0 7 年的l o 月1 日起，我国开始正式实施的g b 2 0 8 9 1 2 0 0 7 非道路移动机械用 柴油机排气污染物排放限值及测量方法( 中国i 、i i 阶段) ，对欧盟标准进行了参考。按 照标准规定：第1 i 阶段柴油机型的认证时间是2 0 0 9 年的1 0 月1 日，执行的时间是2 0 1 0 年的l o 月1 日。而第i 阶段的未来实施要求尚不明朗。非道路移动机械装用柴油机排 气污染物限值( 第1 i 阶段) 见表1 1 。 表卜1 非道路移动机械装用柴油机排气污染物限值( 笫i i 阶段) 1 7 1 t a b l e1 - 1t h ee m i s s i o n sl i m i to f d i e s e le n g i n ef i x e do nn o n p u b l i cr o a d w a y sm a c h i n e ( s t a g e1 1 1 针对国家日益严格的排放法规，降低内燃机污染物排放的措施主要有：( 1 ) 内燃机 低排放优化设计，包括改进燃油喷射系统、燃烧方式改进，燃烧室改进、气流组织和多 气门技术、排气再循环和增压中冷。( 2 ) 排气后处理技术，包括三效催化转化器、氧化 催化转化器、富氧降n o x 催化转化器和排气微粒捕捉器。( 3 ) 替代燃料降低排放，包 括二甲醚、醇类( 甲醇和乙醇) 、氢气等【6 ，。 国内外的研究表明，替代燃料降低排放是行之有效的：( 1 ) 自上世纪的9 0 年代中 期以来，在工业发达的国家及我国均开展了二甲醚作为车用发动机( 柴油机) 的替代燃 料研究，研究发现二甲醚是一种性能相当优异的超清洁燃料，它可由煤、天然气中大规 模低成本的生成1 6 , 7 1 。二甲醚的十六烷值较大，而蒸发潜热是柴油的1 6 4 倍，这使得燃 烧的滞燃期短、气缸内的最高燃烧温度降低，这均有利于减少n o x 的排放并明显降低 燃烧噪声。( 2 ) 甲醇和乙醇均是重要的醇类燃料。醇类燃料是含氧量高的含氧燃料，有 利于燃烧更完全，因而c o 与h c 的排放可以显著降低，燃烧效率也得到提高。( 3 ) 氢 2 乙醇柴油裳动机性能优化的模拟分析 气在内燃机中燃烧的产物只有水，而有害排放物只有n o x ，因此，作为新能源而言前景 十分诱人【札1 0 1 。 1 2 内燃机替代燃料的研究与发展 1 2 1 替代燃料的要求与分类 能够成为内燃机替代燃料的物质很多，在进行研究对象的选择时，主要是考虑以下 几个方面：( 1 ) 替代燃料来源是否丰富、稳定，能够可再生为最好；( 2 ) 生产工艺相对 简单，初始投资不会过大，使得燃料的生产成本低廉；( 3 ) 为了与现有的车辆技术体系 与基础设施能良好兼容，最好是液体的燃料：( 4 ) 替代燃料生产过程对环境良好，最好 替代燃料本身就是清洁燃料；( 5 ) 在汽车应用替代燃料之后，汽车的动力性与经济性受 到的影响不大，能有所改善的更好【4 ，1 0 1 。 据当前替代燃料的应用情况，可把它们大致分成三类：( 1 ) 含氧燃料( 醇醚酯) 。 主要是指甲醇( c h 3 0 h ) 、乙醇( c 2 h 5 0 h ) 、二甲醚( c h 3 o c h 3 ) 和生物柴油：( 2 ) 合成油。主要是指由煤、天然气或生物质生产得到的液体燃油；( 3 ) 气体燃料。主要是 指压缩天然气( c n g ) 、液化天然气( l n g ) 、液化石油气( l p g ) 、氢气、煤层气和沼 气等。 1 2 2 醇类燃料在柴油机上应用的特点和研究现状 醇( 包括乙醇和甲醇) 作为替代燃料有以下几个方面的特点：( 1 ) 资源丰富。既可 从玉米、小麦等植物作物为原料，通过发醇和蒸馏而制成，将醇脱水后获得燃料醇，又 可以从我国总储量很大的煤炭和天然气中进行提炼，生产工艺已经比较成熟；( 2 ) 醇有 着极好的抗爆性能，调和后的辛烷值通常都在1 0 0 1 2 0 之间，它作为汽油高辛烷值组成 成份，可以有效的提高汽油的抗爆性；( 3 ) 排放比较洁净，在燃用甲醇燃料的发动机的 排气中，不含碳烟与微粒物，用氧化催化剂就可以把c o 与h c 排放降到很低水平；( 4 ) 储存和运输比较方便，基本可以利用现有的方式，且与传统内燃机技术有较好的继承性， 不需对发动机做较大结构变化；( 5 ) 醇作为太阳能的一种表现形式，在整个自然界中， 乙醇的整个生产与消费过程中可形成没有污染、洁净的闭路循环过程，永远不会枯竭 【p 。乙醇和甲醇的理化参数的比较见表1 2 。 乙醇柴油发动机性能优化的模拟分析 表卜2 甲醇、乙醇和柴油主要物化参数1 1 0 1 t a b l e1 - 2t h em a j o rp h y s i c o - c h e m i c a lp a r a m e t e ro fm e t h a n o l ，e t h a n o la n dd i e s e l 不足的地方：( 1 ) 醇热值比较低，因而在燃烧中要达到和汽柴油相同的输出功率， 需要加大燃油的喷射量；( 2 ) 十六烷值比较低，无法压缩着火，作为柴油机的燃料需要 十六烷值的增加剂或辅助点火方式才能正常运行；( 3 ) 在醇类燃料中甲醛的含量比较高， 燃料容易挥发且有毒，安全性差【4 1 ；( 4 ) 乙醇和柴油无法相容，亲水性极强，使用时 需要添加助溶剂；( 5 ) 对有色金属和橡胶有比较强烈的腐蚀作用，要在结构上与材料上 对供油系统采取相应的措施【1 1 引。 因而，在柴油机上燃用醇类燃料需要采用相应的辅助措施，主要有：( 1 ) 复合的燃料 供给方式：采用助燃剂( 例如轻柴油或植物油等) 来引燃醇类燃料；( 2 ) 混合燃料的供给方式： 为了提高混合燃料的着火性能，将其与高十六烷值的燃料混合：( 3 ) 使用强制点火的方式； ( 4 ) 进行醇类的改质，甲醇改质后的燃烧特点与氢气接近 1 8 - 2 0 。 作为一种环保的可再生含氧燃料，醇类燃料中的乙醇有着广泛的来源与大规模生产 的潜力。我国是个农业大国，充分利用生物霉解技术与农作物发酵技术可经济而高效地 获得工业乙醇。而乙醇在内燃机上的大量应用，对于有效解决我国的能源问题，对于明 显降低大气环境污染，均有着十分重要的意义1 2 0 2 4 1 。 4 醇柴油发动机性能优化的模拟分析 1 3 1 内燃机燃烧过程数值模拟概述 内燃机的经济性与动力性是由内燃机燃烧过程决定的，燃烧的过程对燃烧噪声和尾 气排放都有着很大影响，所以燃烧过程的研究意义重大【2 6 1 。然而内燃机的实际燃烧过程 是一个十分复杂的过程，它受到传热学、热力学、流体力学与化学反应动力学等规律的控 制。研究的困难重重【2 5 ，2 让8 j 。直到几十年，随着高速摄影与取样、激光技术等先进测试技 术以及计算机的应用，对燃烧过程的研究发展迅速。因为计算机的大量应用，对燃烧过程 的模拟计算逐渐得到实现。通过模拟，应用数学模型来预测内燃机的特性f 2 9 1 。模型变化 各异，通过不断的发展，描述燃烧过程的各种模型迅速发展，当中某些模型逐渐完善。 内燃机燃烧过程的模拟是全部工作循环模拟的核心。燃烧过程产生在随时间改变而 变化的三维的紊流中，几百种有机化合物组成的燃料，它的燃烧化学特性知之甚少，此外形 成燃烧的空间其几何形状随时间不断变化，它的移动壁面影响很大。对于柴油机，因为燃 油在燃烧室中的分布不均匀，并且燃油和空气混合过程的影响，内燃机的燃烧过程尤为 复杂【3 3 1 。 1 3 2 内燃机燃烧模型 内燃机的燃烧模型，就是表述流体力学与热力学行为的一组化学与物理的方程式，这 些方程式描述了气缸内部流动工质的传热、传质等。基于内燃机相关工作循环的物理化 学模型，用微分方程数学描述相关的工作循环，进而使用数值计算法联立解算这些微分方 程，得到众参数与时间的变化关系，以认识相关参数与内燃机性能的关系。研究人员在研 究中对不同的研究对象和问题选用相应的处理方式，形成不同的燃烧模型。燃烧模型一般 划分为零维模型、准维模型及多维模型1 3 4 j 。 ( 1 ) 零维模型 零维模型就是假设系统内部温度、压力、密度等各个参数仅随时间变化，亦称单区 模型。该模型把燃烧的模拟认为是瞬态均匀的。经过对大量的统计研究，发现燃烧过程 的规律，通过曲线拟合或经验公式来构建起一种描述燃烧中各个参数之间的关系式，通过 不多的特征参数之间的关系近似表达实际燃烧变化。例如b n b e 函数，w h i t e h o u s e 单区 模型等等。通过测试的数据，采用恰当的函数去近似模拟燃烧的变化，来获得关于内燃机 燃烧变化的大体情况，对燃烧放热率进行预测，进而深入认识内燃机的燃烧变化和相关参 数同时问的变化特点。 和能量守恒方程等。 第二、假设模型边界内各个参数仅与时间有关，各个点的化学成分与热力状态全部 _ 致。 第三、假设燃料充分进行燃烧，采用多个半经验或经验公式来表达燃烧放热变化的规 律，经过相应的参数修正使得模型和实际的放热曲线大体一致，尤为关键的是模型的一些 性能参数，包括最高燃烧压力、燃油消耗率等等需要同实际燃烧变化一致。 零维模型可选取示功图来求解放热率，也可以先假设放热率按照b e 或双v i b e 函数 进行变化，求解得到示功图和其他发动机性能参数，例如油耗、功率等等。而针对n o x ， c o ，h c 和碳烟微粒等的生成，零维模型无法预测。此外，求解的准确性取决于经验参 数的选择是否准确，同内燃机型号和工况都有密切联系。 因为零维模型将任一瞬态当成是均质的，简化掉了燃烧的物理一化学反应的变化，只 是将它当成是向模型注入热量的过程，因此，它虽能预测燃烧变化中的基本性能参数，却 不能深入到机理层面上来解释燃烧变化中物理变化同化学反应过程的实质，不能表述喷 雾、燃料的蒸发、可燃空气的混合等关键物理变化过程和非均匀温度场对最终排放物的 作用，无法进行最终排放物的预估。 ( 2 ) 准维模型 准维模型通常是为了研究和预测柴油机的排放特点并寻求其控制措施而不断发展 起来的。柴油机的燃烧基本上受控于燃料与空气之间的相互混合，就是喷雾区内部的物 化过程。喷雾中燃料与空气的相互混合效果决定了气缸内的化学成分场与温度场，进而 在不同的区内生成各类反应产物。根据该特点，准维燃烧模型把整个燃烧变化的过程化 简成喷雾、燃烧、传热及化学反应等子过程，逐一建立模型，然后通过燃烧室内的总质 量、容积和能量守恒等限制条件确定各子模型之间的关系，来表述整个燃烧变化过程， 求解排放产物的生成。 如今准维模型主要可划分成两类：一种是忽略燃料雾化和蒸发过程的气态射流模 型；另一种是用燃料油滴的蒸发速率控制燃烧的油滴模型。两类模型出发点与重点各不 相同，不过它的主要处理方法和假设有下面几点相同的地方：( 1 ) 使用近代的测试方式， 例如激光全息摄影与高速纹影摄影等深入、详细的研究柴油机喷雾的主要规律与现象。 ( 2 ) 通过实验分析，构建表述喷雾过程的主要方程，例如锥角、喷雾贯穿长度、油滴 6 广西大掌硕士掌位。沦文乙醇柴油发动机性冀皂优化的模拟分析 分布和燃料浓度场及喷雾截面在涡流情况下的变化等。方程式主要是建立在燃烧的定容 器的试验基础上。公式的使用前提条件是假定燃烧不影响上砸的方程，各个喷雾间相互 独立，无互相作用( 3 ) 表述的喷雾分区将各个子分区当成有化学反应的开口热力学系 统来建立各子分区的能量和化学反应的方程式。( 4 ) 因为压力的传播速度非常快，所以 假设燃烧室内部的压力是均匀的。( 5 ) 建立各子分区的传热与排放子模型。 这两种模型的各自特点是：( 1 ) 气态射流模型。美国的林慰梓于1 9 7 5 年提出，就是 将喷雾化简成气态射流，它的浓度场沿径向无涡流时是正态分布，沿轴向是双曲线，把处于 着火浓限与稀限间的预混可燃物划分为多个分区，使用质量守恒定律求解散布于各子区 的空气量，得到相应空燃比，并且假设一经混合立刻着火，同时实现热力学与化学的平衡， 进而采用容积限制方程与能量守恒方程计算出各子区的容积、压力与温度。( 2 ) 油滴模 型。日本的广安博之等人于1 9 7 6 年提出并修正。该模型认为控制燃烧变化过程的关键 是油滴的蒸发，可以忽略燃油蒸汽同空气的混合。所以将喷注根据时间微分为多个子单元， 然后沿径向划分为多个锥环子单元，任一个子单元内又有多个相同直径的液滴，而且温度 均匀分布，将单一液滴的蒸发理论扩展至单元之中，求解液滴的蒸发与着火延迟，而不相同 的单元之间不发生互相掺混与火焰传播。 ( 3 ) 多维模型 内燃机的多维燃烧模型通常由三个方面的内容组成，即基本方程与子过程理论模型 的建立；对控制微分方程进行离散化；选定计算速度快、经济性好且灵活可靠的求解方 法和对应软件。 内燃机的多维燃烧模型是一个相当复杂的热力学模型，它包括气相运动、质量传递、 能量转换、湍流、多相流、燃油的喷射、雾化和蒸发、可燃混合气的形成、可燃混合气 的燃烧反应、反应产物的生成等。经过解算控制燃烧变化的物理、化学过程的主要微分 方程组，来获得工质的流动特性，还有相关化学反应产物的组成和浓度场。内燃机、外燃 机等实际工程中的燃烧变化过程基本上是湍流燃烧过程，湍流模型主要有三种：第一种 是湍流输运系数模型，该模型给出求解湍流粘性系数u 的方法，按建立模型需要的微分 方程数，划分成零方程模型、单方程模型、双方程模型等。彤一g 模型就是该模型中典 型的双方程模型。第二种模型是湍流应力输运方程模型，这类模型不选用湍流粘性系数， 而是直接建立湍流应力自身的输运方程，也就是直接模拟时均化方程中的各个脉动关联 子项。第三种模型是亚网格尺度模型，该模型对湍流谱在尺度上截断，仅仅对尺度小于 7 广西大掌硕士掌位论文 乙醇柴油发动机性能优化的模拟分析 网格步长的小尺度湍流进行模拟，使得模型具有不错的通用性。建立多维模型时，还要 对在燃烧过程中关联到的其它子过程建立比较精确的理论模型，包括柴油机喷雾中的多 相流动与蒸发、柴油机的自燃着火与汽油机的点火、燃烧室中的对流和辐射传热，还有 燃烧过程中排放物的产生机理等理论子模型。 求解燃烧过程的守恒方程组有方程数目多、强耦合、非线性等特点，所以要求对方 程组进行离散化，进而