（动力机械及工程专业论文）柴油机进气道喷水技术的试验研究和仿真分析.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 柴油机进气道喷水技术的试验研究和仿真分析 摘要 l h i iw g l u m m y 2 15 6 7 0 9 在经济大循环条件下，中国汽车产销及保有量持续快速增长，与此同 时出现的能源与环境问题越趋严峻。柴油机以其高性能受到青睐，而作为 主要污染物的n o x 和碳烟的排放控制日趋严格。研究表明利用进气道喷水 技术可以大幅度降低n o x 排放，同时不引起碳烟排放的严重恶化。本文主 要研究了在车用增压柴油机上应用进气道喷水技术对燃烧过程、n o x 排放 以及振动噪声的影响，为后续研究奠定基础。 本文对比分析了柴油机掺水燃烧方式的优缺点，并以4 1 0 0 q b 车用增压 柴油机为研究对象，设计开发了一套进气道喷水系统，能够方便快捷地通 过改变喷射脉宽和喷射周期来实现不同的喷水量。在此基础上本文通过台 架试验深入地分析进气道不同喷水量对柴油机燃烧特性、动力性、经济性、 排放特性以及振动和噪声的影响。试验表明柴油机随着掺水量的增加( 原 机掺水量为0 ) ，燃烧的定容度和热效率得到提高，压力升高率峰值增大， 扭矩升高，油耗率略有下降，n o x 排放下降，且比较明显，最大降幅为3 5 5 ， 碳烟排放升高但升幅不大，c o 排放稍有降低，h c 排放基本保持不变，缸 盖、缸体和泵的振动加速度幅值增大，高负荷不喷水时，零部件共振引起 总声压级较大，随着喷水量的增加共振现象消除，但总声压级增大。 由于本次台架试验的喷水量有限，为了尽可能多地降低n o x 排放，本 文利用g t - p o w e r 软件建立了原柴油机以及增加进气道喷水模块的柴油机 整机模型。研究分析了高喷水量对柴油机主要性能指标的影响，结果表明： t 太原理工大学硕士研究生学位论文 当喷水量增加至4 5 k 跏时，柴油机扭矩下降明显，且碳烟排放明显升高而 n o x 排放降低不明显。因此要选择适当的喷水量，否则会引起柴油机动力 不足和排放的恶化。 关键词：柴油机，喷水，试验研究，g t - p o w e r 软件 太原理工大学硕士研究生学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o ft h ei n t 衄p o r t ，a t e ri n j e c t i o nt e c h n o l o g y b a s e do nad i e s e le n g i n e a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m i c s ，- t h eq u a n t i t yo fv e h i c l e sh a s i n c r e a s e dg r e a t l yi nl a s tt w o d e c a d e s t h i sl e a d st of u r t h e rc o n e e m so fe n e r g y c r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n d i e s e le n g i n e sa r ef a v o r e d 埘t l l h i 曲 p e r f o r m a n c e s h o w e v e r , m a j o rp o l l u t a n t sn 0 xa n d s o o ta r e i n c r e a s i n g l y s t r i n g e n t c o n t r o l l e d i n t e r n a t i o n a l l y p r e v i o u s r e s e a r c hi n d i c a t e dt h a tt h e t e c h n o l o g yo f i n t a k ep o r tw a t e ri n j e c t i o nc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c en o xe m i s s i o n a tt h es a m et i m ed o e sn o tc a u s es e r i o u sd e t e r i o r a t i o no fs o o te m i s s i o n t ov e r i f y t h i st e c h n o l o g y , t h i sr e s e a r c hf o r c e so nas y m m e t r i cs t u d yo fd i f f e r e n ti s s u e s s u c ha sc o m b u s t i o np r o c e s s ，n o xr e d u c t i o n ，v i b r a t i o na n dn o i s eg e n e r a t i o n u s i n gt h ew a t e ri n j e c t i o nt e c h n o l o g yi nd i e s e le n g i n e s ，w h i c hl a yt h ef o u n d a t i o n f o rt h ef o l l o w - u ps t u d y t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd i e s e le n g i n ec o m b u s t i o nm i x e dw i t h w a t e ra r ec o m p a r e da n da n a l y z e di nt h i sr e s e a r c h t h ee x p e r i m e n t a le v a l u a t i o n i sb a s e do n410 0 q bt u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e a ni n t a k ep o r tw a t e ri n je c t i o n s y s t e mi sd e s i g n e dt o a c h i e v ed i f f e r e n tw a t e ra m o u n t c o n v e n i e n t l y a n d a c c u r a t e l yb yc h a n g i n gt h ei n j e c t i o np u l s ew i d t ha n di n j e c t i o nc y c l e t h e r i i m p a c t so fd i f f e r e n tw a t e ri n j e c t i o na m o u n to nc o m b u s t i o np r o c e s s ，p o w e r p e r f o r m a n c e ，e c o n o m y , e m i s s i o n s ，a sw e l la sv i b r a t i o na n dn o i s ea r ee x a m i n e d u s i n gb o t he x p e r i m e n t a ls t u d ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t w i t ht h ei n c r e a s ei nw a t e ra m o u n t ，t h ec o m b u s t i o nc o n s t a n tv o l u m ed e g r e ea n d t h e r m a le f f i c i e n c ya r ei m p r o v e d ，t h ep e a ko f p r e s s u r er i s er a t ea n dh e a tr e l e a s e r a t ei n c r e a s e si n c r e a s e ，t h et o r q u ei n c r e a s e s ，t h ef u e lc o n s u m p t i o nr a t eh a sa s l i g h td e c l i n e ，n o xe m i s s i o nd e c r e a s e sa p p a r e n t l ya n dt h e b i g g e s td r o p a m p l i t u d ei s3 5 5 ，s o o te m i s s i o ni n c r e a s e ss o m e w h a t ，c oe m i s s i o nd e c r e a s e s s l i g h t l y , h ce m i s s i o nr e m a i n sb a s i c a l l yu n c h a n g e d ，t h ev i b r a t i o na c c e l e r a t i o n a m p l i t u d eo fc y l i n d e rh e a d ，c y l i n d e rb o d ya n dp u m pi n c r e a s e s w h e nt h e r ei sn o w a t e ri n je c t i o na th i g hl o a d ，t h et o t a ls o u n dp r e s s u r el e v e li n c r e a s e sc a u s e db y c e r t a i np a r t sr e s o n a n to s c i l l a t i o n ，b u tw i mt h ew a t e ri n je c t i o na m o u n ti n c r e a s e s ， t h er e s o n a n c ep h e n o m e n o ni se l i m i n a t e d d u et ot h el i m i t a t i o no ft h ew a t e ri n j e c t i o ns y s t e m ，t h ea m o u n to fw a t e r i n je c t e dd u r i n gt e s t si sn o ts u f f i c i e n tt og i v eaf u l lu n d e r s t a n d i n go fi n f l u e n c e s o nc o m b u s t i o np r o c e s sa n dt oa c h i e v et h em a x i m u mn o xe m i s s i o nr e d u c t i o n ， t h em o d e lo fo r i g i n a ld i e s e la n dt h ee n g i n ew i t hi n t a k ep o r tw a t e ri n j e c t i o n m o d u l ea r ee s t a b l i s h e db yg t - p o w e rs o f t w a r e t h em o d e l sa r ev e r i f i e db y c o m p a r i s o nb e t w e e ns i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lt o r q u ea n dc y l i n d e rp r e s s u r e d a t a t h ep e r f o r m a n c e so fe n g i n ea r ea n a l y z e dw i t hh i g ha m o u n to fw a t e r 蝎e c t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ew a t e ri n j e c t i o na m o u n tr e s e a r c h 4 5 k g 1 1 , t h et o r q u e d e c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y , s o o t e m i s s i o ni n c r e a s e s i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 、 c o n s p i c u o u s l yb u tn o xe m i s s i o n i sr e d u c e du n c l e a r t h e r e f o r e ，a p p r o p r i a t e a m o u n to fw a t e ri n je c t i o ni sv e r yi m p o r t a n t ，o t h e r w i s et h ep o w e rp e r f o r m a n c e a n de m i s s i o no f e n g i n ew o u l d b ed e t e r i o r a t e d k e yw o r d s ：d i e s e l ，w a t e ri n j e c t i o n ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，g t - p o w e r v 一 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 能源是人类社会进步和发展的重要物质基础和条件，能源的供应对经济的高速健康 可持续发展具有重要的作用。石油是一种不可再生资源，按照目前的消耗率，地球上的 石油燃料在今后几十年内可能会消耗殆尽，使得全球的能源危机问题日益突出。发动机 的燃油消耗占世界石油消耗的4 0 以上，我国汽车行业对燃油的依赖更为严重，因此降 低发动机燃油消耗一直是发动机研究者关注的重点。2 0 1 2 年2 月9 日，中国石油经济技 术研究院在京发布( 2 0 1 1 年国内外油气行业发展报告，估计石油与原油净进口量分别 为2 6 3 亿吨、2 5 亿吨，对外依存度达5 6 3 和5 5 1 ，双破5 5 ：成品油消费与经济 增长同步放缓，供需形势总体平衡，但仍存在局部性柴油供应紧张的现剩1 1 。目前中国 9 5 以上的车用能源消耗来自石油基燃料，车用能源增长是推动中国石油对外依存度不 断攀升的最主要的力量。可持续的车用能源体系应该具备有效应对国际能源市场风险的 能力。从这一方面看，车用能源供应应该是多元化的，在经济可行的条件下尽量减少对 国外能源的依赖【2 】。随着各类能源的大量消耗，能源的短缺和环境污染日益严重，节能 减排已经提上日程。 山东重工集团董事长谭旭光在参加讨论2 0 1 2 年政府工作报告时提到，2 0 11 年 中国内燃机行业协会统计数据显示，全国共生产7 7 0 0 万台内燃机，使用汽柴油和燃油 成品油2 7 7 亿吨，占我国2 0 11 年石油消耗量的5 9 2 7 。他还表示，如果内燃机行业用 于生产的油耗量能够每年降低5 ，就是1 3 8 0 万吨。因此，只要做好技术创新，实现产 品升级，内燃机企业将会在节能减排做出更大贡献网。 近几年，全球汽车行业都在致力于寻求节能以及能源替代的方案，即“三步走 ： 近期，推广柴油以及石油产品的附属品天燃气、甲醇、乙醇等；中期，油电混合动力； 远期，氢动力燃料电池，- 其污染几乎为零【4 】。在欧洲柴油机已经受nt 高度重视，市场 份额超过5 0 ，而在中国人们对轿车上搭载新型柴油机知之甚少，但柴油机经过几十年 的飞速发展，特别是最近十几年，众多先进技术使柴油机的排放和噪声水平接近于汽油 机，而保留了柴油机经济性、耐久性和优异的动力性。因此，柴油机正成为一种国际新 太原理工大学硕士研究生学位论文 趋势。但同时由柴油机引起的环境污染问题也受到了人们的普遍重视。 汽车工业的迅速发展也加速了汽车污染物排放量的增加。汽车排放是城市大气环境 污染的一个主要污染源，大约超过6 0 。v - , 8 0 1 拘空气污染物由车辆排放所致，对大气环 境和人类健康影响最大的发动机排放物是一氧化碳( c o ) 、二氧化碳( c 0 2 ) 、碳氢化合物 c ) 、氮氧化物( n o x ) 和微粒( p m ) 。 目前，世界各国、各地区相继制定了严格的汽车排放法规。国际上汽车排放法规主 要分为三大体系，即美国排放法规( e p a ) 、欧洲排放法规( e c e ) 和日本排放法规i s 。 我国机动车排放标准实旄起步较晚，在充分吸收欧美的经验后，主要参照欧洲排放法规， 制定了适合我国国情的排放法规，于2 0 0 0 年1 月起实旌国i 排放标准，随后于2 0 0 4 年 7 月、2 0 0 8 年1 月起分别实施了国、国排放标准，2 0 1 2 年1 月车用压燃式发动机实 施国排放标准。 日益严格的排放法规限制以及改善柴油机经济性和动力性的社会需求都对柴油机 的研究与开发者提出了更高的要求。为此降低柴油机尾气排放的任务显得尤为重要和追 在眉睫。 1 2 柴油机主要排放污染物 对大气环境和人类健康影响很大且已被各国排放法规限制的内燃机排放物是c o 、 h c 、n o x 和细微颗粒( p l v l 2 5 ) 【2 】。相对汽油机而言，柴油机的主要排放物是n o x 与 p m 的排放，c o 和h c 排放量较低，而由于n o x 与p m 的生成条件相反，同时降低两 种排放物的方法极少。因此柴油机发展面临的最大困难就是如何同时降低其n o x 与p m 的排放量。 1 2 1 一氧化碳 一氧化碳( c o ) 是碳氢燃料在燃烧过程中生成的主要中间产物。如果反应气的氧 浓度、温度足够高，化学反应所占有的时间足够长，c o 会氧化成c 0 2 。影响内燃机c o 排敖量的主要因素是可燃混合气的过量空气系数西。柴油机的特征是臻料与空气混合 不均匀，虽然其平均的总过量空气系数在大多情况下都在1 5 以上，但仍有相当高的c o 排放，但要比汽油机低很多，只有在负荷很大接近冒烟极限时才急剧增加嘲。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 2 碳氢化合物 柴油机排放的碳氢化合物( h c ) 主要是由在燃烧过程中未来得及燃烧或未完全燃 烧的碳氢燃料产生的。h c 排放主要包括排气中的未燃烃、燃油供给系统的蒸发排放以 及燃烧室泄露排放三部分。 1 2 3 氮氧化物 氮氧化物( n o x ) 主要包含n o 和n 0 2 ，但主要是n o 。它们是空气中的n 2 在高温 燃烧下的产物，与燃料( 除非本身含氮) 组成无关。n o x 在地面附近形成的昊氧是造成 光化学烟雾的主要原因之一。 n o 的生成随温度的提高而呈指数函数急尉增加。当温度低于1 8 0 0 k 时，n o 的生 成速率极低；到2 0 0 0 k 就达到很高的速率。氧含量的提高也使n o 生成量增加。由于 n o 的生成反应比燃料的燃烧反应慢，所以只有很少一部分产生于很薄的火焰反应带中， 大部分n o 在火焰离开后的已燃气体中生成。如果反应物在高温环境条件下停留时间不 足，则n o 达不到平衡含量，n o 生成减少嘲。 1 2 4 微粒 柴油机微粒( p m ) 是由燃烧时生成的含碳粒子( 碳烟) 及有机可溶成分( 碳粒表 面上吸附的多种有机化合物) 组成的。在发动机中碳烟( s o o t ) 会增加发动机的热损失， 微粒排放会污染大气，碳烟和吸附到它上面的多环芳香烃是一种致癌物质，是柴油机排 放的重点控制对象，它的危害性超过n o x 和气体h c ，尤其是近年来关注的可吸入颗粒 ( p m l o ) 和可吸入肺颗粒( p m 2 5 ) ，新修订的环境空气质量标准，同意将p m 2 5 列入 空气检测【7 1 。但是碳烟在不同燃烧装置和使用不同燃料时生成机理是十分相似的。燃油 中的烃分子高温缺氧裂解后形成乙烯和聚乙烯，经过不断地脱氢后，聚合成直径为2r i m 以碳为主体的碳烟核心，烃在高温燃气条件下聚集在碳烟核心表面形成直径约2 0 3 0n m 的碳烟基元，碳烟基元不断堆积形成直径1 ，瑚的微粒即为碳烟【8 】。燃烧生成的碳粒开始 时都近似由8 个c 原子和1 个h 原子组成，这些碳粒聚合在表面上再吸收碳氢化合物 等成为微粒，这主要发生在膨胀冲程中。碳烟的生长与此区域的燃油浓度、温度相关， 氧化过程中的温度对碳烟的净生成量起着重要的作用。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 碳烟产生的高峰是在柴油机扩散燃烧刚开始的时刻，此时油束已被卷吸的空气所割 裂，油滴的四周被预混燃烧的高温燃烧产物所包围，当然高温和其后的混合将使碳烟加 速氧化，此外也使碳粒质点得以凝聚的时间缩短。以后产生的碳烟，由于接近燃烧终点， 以及膨胀冲程气缸温度下降，就很难得到氧化，同样主燃期遗留下来的碳烟也由于温度 下降得不到氧化。 影响碳烟的生成因素可以归结为3 t ，即时间( t i m e ) ，温度( t e m p e r a t u r e ) 和湍流 ( t u r b u l e n c e ) 。温度越高，停留时间越长，湍流混合越好，越促使碳烟氧化，但同时柴 油机的n 0 x 将增加，这就是直喷式柴油机中n 0 x 与碳烟之间的t r a d e o f f 关系。 柴油机由于是富氧燃烧，排放的c o 和h c 相对汽油机来说要少得多，但由于不均 匀燃烧，排放的n o x 与汽油机在同一数量级，而碳烟的排放要比汽油机高几十倍以上。 因此，柴油机的排放控制重点是n o x 和p m ( 包括s o o t ) 。 现已证明可以同时降低n o x 和p m 排放的措施极少。研究表明，增加燃料的h c 比可降低碳烟排放。高十六烷值的含氧燃料，如二甲醚( d m e ) ，燃烧时几乎不产生碳 烟，在采用e g r 和推迟喷油提前角可降低n 0 x 排放，但建立简单价格低廉的d m e 供 应系统，又是一个需要解决的问题【9 1 2 1 。今后柴油机的发展前途显然系于n o x 和p m 排 放的合理解决。 1 3 柴油机n o x 排放控制研究 近年来，国际上针对n 0 x 排放的研究主要集中在以下三个方面：1 ) 设计高效率低 排放柴油机；2 ) 改善气缸内燃烧过程降低柴油机排放；3 ) 采用排气后处理方法来消除 或减少n 0 x 排放造成的危害。如燃烧混合燃料、改善燃烧室结构、电控燃油喷射、可 变喷油正时、废气再循环、废气选择性催化等对于降低n 0 x 排放都可以起到一定的效 果，但是降幅都比较小，而且一般都是牺牲某种排放物的排放和耗油量来达到另一种排 放的减少。目前排放控制技术基本可分为机内优化措施和排气后处理措施两类。表1 1 为n 0 x 排放的主要控制技术。 4 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 表1 - 1n o x 排放控制技术 t a b 1 1c o n t r o lt e c h n o l o g yo f n o xe m i s s i o n 措施 基本原理 缺点 喷油延迟降低燃烧温度经济性变差，p m 排放升高 乳化油 ： 影响低负荷燃烧稳定性且 降低燃烧。 掺水燃烧 缸内喷水会加剧润滑油的的稀释变 温度 机进气道喷水( 湿空气) 质 内 废气再循环 稀释混合气的氧浓度1 3 j 排气中的p m 可能加剧气缸 优 ( e g r )活塞组的磨损 化增压中冷降低进气温度 措 精确控制喷油正时，根据负荷转速 电控燃油喷射 施 确定最佳循环喷油量和优化喷油 增加了发动机成本 系统 规律 燃烧室改进技使燃烧室、进气涡流及喷油方式相 设计与匹配比较复杂 术互匹配降低污染物排放 非选择催化还将还原剂喷入排气管，在催化剂的 还原剂很容易被氧化，消耗 排 原( n s c r ) 作用下与n o x 反应量大 气 选择性催化还 排气中加尿素水解出n h 3 ，n h 3 吸 后 初装成本高 原( s c r ) 收n o x 还原成n 2 和1 - 1 2 0 1 4 】 处 吸附还原法的富氧的环境下吸附剂将n o x 储存吸附剂容易受硫毒化，受工 理 催化器 起来，贫氧环境下分解还原为n 2作温度限制 本文在增压柴油机上采用机内净化措施进气道喷水的方法，通过改变柴油机气缸 内的燃烧过程，来达到减少n o x 在柴油机工作过程中生成数量而不引起微粒排放严重 增加的目的。 1 4 柴油机掺水燃烧的国内外研究现状 剑桥大学的h o p k i n s o n 教授于1 9 1 3 年首先开始内燃机燃油掺水的试验，其目的是 为了内燃机内部介质的冷却和消除汽油机爆震【1 5 。1 9 2 8 年，前苏联t m 格利格兰首 先提出并实现了在锅炉燃料中掺入2 0 的水，从而为锅炉、窑炉和各种工业用炉掺水燃 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 烧开创了先河。至3 0 年代，炉用燃料掺水燃烧已经获得一定发展，但直n - 战前，发 动机掺水燃烧技术一直没有得到明显发展。6 0 年代，美国成功研究和使用了柴油掺水燃 烧，并把乳化油用于各种工业炉和火车、轮船、卡车及重型运输式动力机械中。1 9 6 4 年由库帕( k o p a ) 在对内燃机燃烧与排放机理研究后提出水可以使发动机在燃烧过程中 减少n o x 的生成量【1 6 1 。1 9 7 3 年石油危机，油价猛涨，各国纷纷认识到节油技术的重要， 日本、法国和西欧等国加紧进行了许多关于乳化油和掺水燃烧的试验研究。1 9 8 1 年国际 燃烧协会第一届年会把燃油乳化掺水作为三大节能措施之一，引起各工业国家的进一步 重视。 瓦锡兰公司1 9 9 8 年发布了使用油水组合喷油器直接向气缸中喷水减少柴油机n o x 排放的报告，阐述了为减少n o x 排放在中速船用柴油机上采用油水组合喷油器的方法 和措施，该方法可以使缸内燃烧温度降低，达到减少n o x 生成的目的，由于该系统完 全独立且响应时间短( 1 秒钟以内) ，水的喷射不影响发动机功率，并且可以实现喷射定 时、油水比例、n o x 排放和其他排放控制的多目标优化【1 7 】。 1 9 9 9 年日本石田正弦在一台4 缸直喷式增压柴油机进行了在吸气行程初期从4 个喷 射器向进气道喷水以降低n o x 生成量的试验研究，并采用2 区域模型法进行计算分析， 对比了试验与计算结果。在进气绝对湿度换算值为0 0 3 5 k g k g 空气时约可以降低5 0 n o x ，并分析了n o x 减少的主要原因是燃烧气体中所含水分引起比热增大而导致燃气 温度降低【1 8 】。 目前，有关燃料掺水技术的研究仍在进行中。直接利用水降低排放的技术在国外已 受到高度重视，很多科研机构和学校都进行了相关研究，通过大量的试验，得出了一些 研究成果。g e 全球研究中心b h a s k a r t a m m a 于2 0 0 3 年在六缸直喷涡轮增压中冷柴油机 上进行了试验，发动机的运行工况为2 3 0 0 r p m 1 6 0 h p ，喷水器安装在压气机下游的进气 管上，研究五种喷水量( 2 0 、4 0 、6 0 、8 0 和1 0 0 燃油质量流量) 对发动机燃烧 和排放的影响，随着水的喷入，进气温度下降，当喷水量为燃油质量流量的1 0 0 时n o x 降幅最大为6 3 ，燃油消耗率起初随着水的喷入而增加随后又下降【1 9 1 。2 0 0 9 年芬兰埃 博学术大学的a r t os a r v i 等在大型发动机上结合高压共轨和缸内直喷水技术，研究发现 缸内直喷水可以降低n o x 排放，最大降幅达5 0 ，同时可以一定程度上降低h c 排放，+ 但会引起c o 和s o o t 排放增加【2 0 】。2 0 1 0 年法国南特中央理工学校的a v i e rt a u z i a 在高速 高压共轨车用柴油机上进行了进气道喷水的研究，水以细雾的形式喷入进气道，喷水量 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 为燃油喷射量的6 0 - 6 5 时，n o x 排放可以下降5 0 ，但会引起发动机热损失，降低 发动机效率【2 1 1 。2 0 1 1 年印度理工学院( 德里) 发动机和非常规燃料实验室的k a s u b r a m a n i 趾在一台单缸四冲程空冷发动机上进行了试验，对比分析了乳化油和迸气道 喷水的动力性、燃烧特性和排放特性，其中乳化油和进气道喷水的油水比例均为1 ：0 4 。 在低负荷时进气道喷水比乳化油的c o 和h c 排放低，随着负荷的增加两者相差不大， 乳化油的s o o t 排放比进气道喷水的低，低负荷时乳化油减少n o x 排放比较明显，但随 着喷水量的增加进气道喷水的n o x 排放下降反而比较明显网。 伴随着排放法规的日益严格和掺水燃烧研究的进一步深入和推广，我们国家也注意 到这一技术的巨大潜力。2 0 0 4 年云南农业大学结合1 9 5 柴油机的结构特点，在不改变原 机任何结构的前提下，增设一套供水系统，发动机工作时，喷水器适时向气缸内喷射一 定量的水，喷入气缸的水微粒在高温高压的条件下产生“微爆”效应，以达到节油、降 污的目的。试验结果表明，增设的供水系统工作性能可靠，掺水燃烧时比油耗及排烟度 等明显下降删。2 0 0 3 年大连海事大学许乐平就扫气箱喷水雾减少船用四冲程柴油机 ：n o x 排放问题作了深入的探讨和研究，结果表明这种方法可以有效减少n o x 排放刚。 2 0 0 4 年大连理工大学内燃机研究所在不改变柴油机结构的情况下，在1 1 3 5 直喷式柴油 机上进行了在线燃油乳化、进气道喷水和乳化油的应用性研究。试验证明，在线乳化燃 油和乳化油燃烧特性基本一致；掺水比例随负荷变化，能够实现小负荷时工作稳定，大 负荷时大幅度降低n o x 和碳烟排放的目标1 2 5 1 。2 0 0 4 年2 0 0 7 年武汉理工大学在船用柴 油机上经过研究提出了电控喷水的方法，针对进气道喷水系统进行了选型优化，利用转 速和负荷信号设计了一套便于控制的喷水系统，并在这一基础上完成进气道喷水量的电 子控制脚9 】。 总之，目前国内在车用高速柴油机上进气道的喷水试验几乎没有进行，我们认为有 必要进行一些探索。 发动机工作过程模拟介绍 发动机工作过程模拟具有以下特点：1 ) 计算设计工况点、非设计工况点和变工况 点以及估计环境参数( p o ，t o ) 变化对发动机性能的影响；2 ) 计算稳态过程和瞬态过 程，并研究发动机瞬态特性与各结构参数和性能参数的关系；3 ) 在发动机设计过程中 通过模拟计算进行多种方案的比较，在发动机调试过程中与试验技术相结合进行优化匹 太原理工大学硕士研究生学位论文 配；4 ) 进行工作过程模拟优化，将发动机工作过程模拟研究推向了优化设计【3 0 】。 发动机工作过程的仿真主要分为流体动力学( c f d ) 计算和工作过程循环模拟计算， 前者包括进排气及缸内流体运动与燃烧方面，后者主要为发动机整机性能预测、分析和 优化，由于考虑了进排气流动、摩擦：传热以及熵变等因素产生的能量损失，模拟结果 与实际情况较符。目前常用的流体动力学软件有f l u e n t ，s t a r - c d ，k i v a ，f i r e 等， 常用的发动机性能仿真软件有g t - p o w e r 、b o o s t 等。对于提高发动机的动力性、经 济性和排放性，发动机工作过程仿真分析都具有重大作用。 本文主要借助于美国g a m m at e c h n o l o g i e s 公司开发的g t - p o w e r 软件，对柴油机 整机进行动力性、燃烧性能和排放性能预测。 1 6 本文的主要工作内容 柴油机以其良好的动力性、经济性和可靠性以及较低的c o 、h c 排放得到了广泛的 应用，但是柴油机面临着越来越严格的排放法规而主要排放物n o x 与碳烟二者无法同 时降低的问题。众多试验研究表明掺水燃烧可以大幅度降低n o x 排放而不至于引起碳 烟排放的严重恶化，但掺水燃烧技术在实际应用中仍会遇到很多的问题，如喷水方式的 选择、喷水量的精确控制等。 本文主要针对进气道喷水技术在4 1 0 0 q b 车用增压柴油机上进行以下几个方面的研 究工作： 1 ) 设计了进气道喷水系统及控制装置，该装置可以通过改变喷射脉宽和喷射周期 实现喷水量的精确控制，根据喷水装置的性能确定了喷水量，选择了多种不同的喷水量； 2 ) 在柴油机试验台架上进行原机的速度特性和部分负荷特性试验，利用燃烧分析 仪、排放分析仪以及噪声振动分析仪测试柴油机的缸内燃烧、尾气排放和噪声振动情况； 3 ) 在原柴油机的基础上，增加进气道喷水系统，在柴油机上进行速度特性和部分 负荷特性不同喷水量的试验，获取燃烧过程的示功图、排放数据以及振动噪声数据，与 原机进行对比分析； 4 ) 由于进气道喷水系统的限制，进气道喷水量有限，为了实现高喷水量，利用 g t - p o w e r 软件，通过选择各种适合的模型，如蒸发模型、燃烧模型、传热模型、排 放物模型等建立了原柴油机和进气道喷水的柴油机模型，与台架试验结果进行对比，验 证了模型的正确性，并仿真分析了提高喷水量后对柴油机各性能参数的影啊。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章柴油机掺水燃烧技术及供水系统设计 2 1 柴油机掺水燃烧技术 2 1 1 柴油机掺水燃烧实现方式及其优缺点 目前，柴油机掺水燃烧方式主要有柴油掺水乳化法，直接向柴油机气缸内喷水，进 气空气增湿法( 湿空气柴油机系统和进气道喷水) 三种方式。 1 ) 柴油掺水乳化法( f w e ) 柴油掺水乳化法是由原柴油机的喷油系统将事先配制好的柴油、乳化剂和水的稳定 悬浮液喷入气缸。 在柴油机上使用乳化燃油时具有以下优点 2 7 】： 。抑制n o x 排放的生成，且能同时降低碳烟排放，主要是由于乳化燃烧使缸内最 “高温度和平均温度下降，不利于n o x 和碳烟生成； 对柴油机结构和可靠性影响不大； 。水油比例达到3 0 时也不会造成柴油机油耗增加； 水消耗量较低。 柴油机掺水乳化法的缺点： 由于最大掺水量较少使得n o x 的降幅有限； 需要乳化剂，价格比较高； 乳化柴油的稳定性尚未真正解决； 添加乳化剂后的非常规排放以及对柴油机缸体、缸盖的腐蚀性尚不明确。 2 ) 直接向柴油机气缸内喷水( d ) 直接向柴油机气缸内喷水是利用原柴油机喷油系统或者增加另一套喷射系统由高 压泵将水直接喷入气缸内，使其改变燃烧过程从而起到降低排放作用。 直接向柴油机气缸内喷水的优点是：可以方便控制水油的掺混比例可以实现“有水” 与“无水”运行模式之间的转换，由于可以有较大的掺水量，因此n o x 排放降低幅值 也较大。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 它的主要缺点是【2 7 】： 如果水以液态形式进入气缸，可能破坏气缸壁润滑油膜，产生非正常磨损； 喷水嘴的使用寿命较短； 需要较高的投资来改变柴油机系统结构； 可能导致碳烟排放量和燃油消耗量增加； 低负荷时必须减少喷水量或者切换为“无水 模式以避免白烟的形成以及黑烟的 增加。 3 ) 进气空气增湿法 进气空气增湿有两种方法：湿空气柴油机系统( h a m ) 和向柴油机进气道( 进气 总管或进气歧管) 喷水( i w i ) 。该方法主要是通过增加增湿空气的热容量来降低燃烧温 度，从而达到大幅降低n o x 排放的目的鲫。 进气空气增湿法的优点是【3 1 弓3 l 可以在进气道中喷入大量水，降低缸内温度，大幅度减少n o x 排放的生成量； 不需要对柴油机系统结构做较大的改变； 降低燃油消耗量。 该方法的主要缺点是对降低碳烟排放效果不明显，只能保持碳烟排放不严重恶化。 无论水以哪种方式进入柴油机气缸参与燃烧，其最终目的是为了降低n o x 排放， 但n o x 排放降低的程度，取决于水以哪种方式引入燃烧室。图2 1 为在温度、可燃混合 气当量比不变的情况下，空气中水蒸汽摩尔百分比含量与n o 生成量之间的关系3 4 1 。由 图可以看出，随着空气中水蒸汽摩尔百分比的增加，n o 排放逐渐下降。 g 孙i 苔 z i 刚 l o - 3 1 f ，m 9 图2 - 1 空气中水蒸汽摩尔百分比含量与n o 生成量之间的关系p 4 】 f i g 2 - 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a t e rm o l ep e r c e n t a g ei nt h ea i ra n d n o p r o d u c t i o n 1 0 ，一一 一“一 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 2 掺水燃烧机理 掺水燃烧中的水在进入燃烧室前和出燃烧室时化学性质没有改变，不可能变成油而 放出能量，只是在燃烧过程中起到媒介作用闽。 1 ) 微爆作用( - - 次雾化) 1 9 6 2 年，b h 依万诺夫首次提出微爆理论( m i c r o e x p l o s i o n ) 描述乳化油的燃烧机 理。该理论认为当燃油经喷油嘴进入柴油机气缸时，高速运动的雾化油滴撞击水滴，使 二者变得更细，同时缸内的涡流运动增加了油与水碰撞和接触的机会，形成了油吸附于 并包围着水滴且均匀分布于燃烧室的油包水乳化液。油包水乳化液油滴在气缸内燃烧 时，油膜内的水滴被加热蒸发，水蒸汽冲破油膜，使燃油二次雾化，从而燃烧更充分 3 6 3 。 2 ) 水的蒸发降温和冲淡氧浓度作用 由于水蒸汽的比热远大于空气的比热，几乎是空气比熟的2 倍，因此湿空气比热要 大于未加湿空气的比热。水的加入可以降低进气温度，提高充量系数。水的汽化潜热比 较大，当水进入气缸后吸收大量的热变成过热蒸汽，降低燃烧室的温度，同时水可以冲 淡氧气浓度，降低氧化反应速率，抑制n o x 的生成。 3 ) 水煤气反应 虽然柴油机的过量空气系数大于1 ，但燃烧室内仍存在油气混合不均匀的区域。在 高温缺氧条件下，气相的烃和其他物质在碳烟晶核表面凝聚，使碳烟粒子增大。水煤气 反应可以很好的解决这一问题。在高温缺氧条件下，部分氧化的炽热碳粒与水分子发生 水煤气反应，形成可燃性气体h 2 和c o ，反应式如下： c + 凰d c o + 吼一1 2 5 7 k j c + 2 马d 哼c o + 2 马一7 5 1 9 k j c o + h 2 0 专c 0 2 + h ! + 2 4 6 。3 k j 2 马+ d 2 一皿0 + 4 6 0 0 k 1 上述四个反应，后两个反应的放热量远大于前两个反应的吸热量，而且生成了终燃 产物n 2 0 和c 0 2 。水煤气反应不仅使燃料化学能转化为热能的转换速率得到提高，而且 减少了炽热的碳粒，改善了燃烧状况，提高了燃料的燃烧效率。在高温缺氧条件下，燃 料由于高温缺氧而裂解产生碳粒，与水蒸汽反应生成中间产物c o 和h 2 ，使得碳粒燃烧 充分，降低了排气中的碳烟含量【3 7 】。而且生成了氢气，尽管生成的氢气量很小，但对于 改善燃烧却有很大作用。氢气的最大火焰传播速度是柴油的9 倍，燃料加氢以后混合气 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 的火焰传播速度加快，氢气火焰淬熄长度长，火焰不易在气缸的罅隙内淬熄，可以很大 程度上减少h c 和p m 的生成量【3 5 1 。 4 ) 催化反应作用 水蒸气的催化作用即是在高温条件下，水离解成氧原子及氢氧离子，这些活泼的原 子和自由基对c o 的燃烧反应起促进作用。因此在掺水燃烧的尾气排放中，c o 含量显 著下降，能量的转化效率得到提高。催化反应式如下所示 3 8 3 9 ： h 如+ h _ o h + h 1广+ h 1 0 j o h j+ h 2 l l 一+ c d 一日+ c d ，l i + c d 一 2 2 进气道喷水系统的设计 迸气道喷水是水参与燃烧过程相对比较简单的方法。该方法是向进气道中经增压器 压缩后的压缩空气中喷水，从而使进入柴油机气缸内的空气中水分子含量增多。在常温 下，水喷入进气道后，与空气混合并吸收空气的部分热量。为了降低缸内平均温度，减 少燃烧过程中n o x 生成量，应尽可能增加空气中水分子含量。由于饱和空气中水分子 含量最多，因此必须设法最大限度增加进气道喷水量，使进入气缸内的空气达到饱和状 态。 2 2 i 喷水装置 为使缸内空气达到饱和状态，往往采用过量喷水的方式，但是由于进气道中水蒸发 量有限，在喷入过量的水时，可能会有部分水以液体的形态进入气缸，造成气缸壁润滑 油膜被破坏，产生非正常磨损。因此，在喷水时中需要考虑怎样避免水量过大而造成部 分水直接进入气缸。为达到上述目的，试验采用了两种方法：一是用加热器加热水，如 图2 2 所示。该装置目的是使水以蒸汽方式进入进气道，但由于加热器产生的水蒸汽几 乎没有压力，而增压柴油机进气道的压力高于大气压，约为2 b a r ，水蒸汽不能顺利进入 进气道。二是通过喷入水雾的方法使进气道未饱和的空气迅速吸收水，尽量增大空气湿 度。图2 3 为水喷入进气道的喷水装置，其中喷水嘴采用单孔形式，其轴线与进气道中 线垂直，加装到空气加热器上，喷孔正对加热器的栅板，可以利用栅板使水破碎为更细 小的水雾，借助空气气流的作用带入气缸。由于进气道中空气流动速度较快，水滴在气 路中的停留时间非常短，可以直接进入气缸内汽化咸水蒸汽，而不会沉积到进气道壁上。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 2 水蒸发器 f i g 2 - 2w a t e re v a p o r a t i o nd e v i c e 2 2 2 控制装置 图2 - 3 喷水装