（载运工具运用工程专业论文）基于kiva的二甲醚发动机燃烧过程数值模拟研究.pdf

摘要 摘要 我国汽车工业的发展正面临着日益严峻的能源供应和环境保护双重压力。 对内燃机缸内工作过程尤其是燃烧过程的研究成为当今内燃机研究的热点， 其中用数值仿真的方法进行燃烧过程的模拟可以较好的全面预测内燃机的性能， 代替部分发动机试验，在不受时空限制的条件下进行各种不同工况的变参数研究， 指导设计开发新型燃烧系统发动机，优化原有发动机的性能参数，还能对不同燃 料的动力和排放性能作出预测，具有很强的生命力和优越性。 二甲醚( d m e ) 是一种新型的、清洁的柴油机替代燃料。发展新的清洁能源，尤 其是符合我国能源资源特点的汽车代用燃料已迫在眉睫。二甲醚由于其特殊物化 特性，能够实现高效低污染燃烧，并改善我国的能源结构，近年来日益受到人们 的重视。目前，二甲醚在柴油机上进行推广应用还处于研究阶段，研究二甲醚的 燃烧特性，对于开发和优化二甲醚发动机具有指导意义。 目前，二甲醚发动机的研究主要有台架试验研究和仿真模拟研究。国内外主 要台架试验研究都是在传统柴油机上经过燃油系统的局部改造，进行二甲醚燃料 的替代。而二甲醚作为柴油机仿真模拟研究历史很短。 本文基于美国l o sa l a m o s 国家实验室主持研究开发的多维燃烧模拟程序 k i v a 研究二甲醚的燃烧。但是，k a 本身程序里没有二甲醚的燃料库、相关参 数、相关模型以及燃烧方程，k i v a 程序本身不能够直接做二甲醚燃料的燃烧过程 运算，要使k i v a 程序具有运算二甲醚的燃烧的能力就必须建立二甲醚燃烧数值 仿真计算平台。 为建立二甲醚( d m e ) 燃烧过程的数值仿真计算平台，在k i v a 源程序中向燃料 库( f u d i b 0 添加液态d m e 的各种物性参数数据模块，并修改了d a t a 定义块，重新 编译生成e 可执行文件，针对二甲醚燃料建立了油束模型和燃烧模型，并把这 些数学模型耦合a , k i v a 后形成子程序i n j e c t 、p m o v t v 、b r v a k 、c o l i d c n n 、c v a p d 、c h u m 、 c h e m p m 、p m o m 、p c o u p l 等。 利用上述建立的二甲醚发动机燃烧的计算模拟平台，研究了二甲醚、柴油燃 烧过程缸内平均压力、温度的对比；二甲醚、柴油燃烧过程缸内n o i 生成量、p m 生成量的对比；二甲醚、柴油燃烧过程放热率的对比；二甲醚、柴油燃烧过程缸 内温度场的对比；二甲醚燃烧过程中各组分含量的变化；二甲醚发动机在不同负 荷下的动力及排放性能。 通过对二甲醚的燃烧过程仿真计算与分析表明：在相同燃料喷射提前角和相 同热值循环喷油量下，燃用二甲醚的发动机相对于燃用柴油的发动机具有较低的 摘要 2 最高爆发压力和缸内平均温度，工作状态比较柔和；同时，燃用二甲醚的发动机 相对于燃用柴油的发动机具有较低的n 仉排放量，并且p m 生成总量远远低于柴 油机，其数量级与试验研究结果吻合，且达到了欧i i i 排放法规的要求。燃用二甲 醚的发动机相对于燃用柴油的发动机的燃烧时刻应相对提前。对应不同时刻的二 甲醚发动机缸内最高温度均小于柴油发动机，且高温分布范围较小，这将抑制n o x 的生成。燃用二甲醚的发动机相对于燃用柴油的发动机的燃烧过程中，缸内组分 0 2 、c o 、c 0 2 量较少。 本文建立了二甲醚发动机燃烧过程数值仿真平台，仿真平台具有一定的精确 度，能够用来研究二甲醚发动机的燃烧，为进一步剖析二甲醚发动机的燃烧机理 提供了仿真平台，对优化二甲醚发动机的结构参数设计具有一定的指导意义。 关键词：- - - v 醚( d m e ) ，k i v a ，燃烧过程，排放，数值模拟 a b s t r a c r 3 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fc h i n a sa u t o m o t i v ei n d u s t r yi sf a c i n gt w om a j o rc o n s t r a i n t s ： e n e r g ys e c u r i t ya n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n t h ed e c r e a s eo ft h ee n e r g ya n dt h ep o h u f i o no ft h ee n v i r o n m e n th a v eb e e nt h et w o s e r i o u sp r o b l e m si nt h ew o r l d i th a sb c c o m eah i g h l i g h tt or e s e a r c h i n gt h eo p e r a t i o n p r o c e s se s p e c i a l l yc o m b u s t i o np r o c e s sf o ri c e n g i n e t h em e t h o do fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nc a ne f f e c t i v e l yf o r e c a s tt h ec o m p l e t ep e r f o r m a n c eo fi c - e n g i n e sa n dp a r t l y r e p l a c es o m ee n g i n ee x p e r i m e n t ，a n dc a r i y o l lv a r i o u sp a r a m e t e rr e s e a r c h e si nd i f f e r e n t o p e r a t i o n a lm o d e sw i t h o u tt h et i m ea n ds p a c el i m i t g u i d et h ed e s i g n so fe n g i n e sw i l h t h en e wc o m b u s t i o ns y s t e m ，o p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo fo r i g i n a le n g i n e s i tc a na l s o f o r e c a s tt h ep o w e ra n de x h a u s te m i s s i o n so ft h ee n g i n ef i l e dw i t hv a r i o u sf u e l s t h e r e f o r et h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sv e r yp o w e r f u lv i t a l i 哆a n dm a n y a d v a n t a g e s d i m e t h y le t h e r ( d m e ) i s 帆ek i n do ft h en e wt y p ea n dt h ec l e a na l t e r n a t i v ef u e l s f o rd i e s e le n g i n e i ti sa ni m p e r a t i v et a s kf o rc h i n at od e v e l o pa l t e m a t i v ef u e l sf o r a u t o m o b i l e sw i t hd u ec o n s i d e r a t i o nt ot h ec o u n t r y ss t r u c t u r eo fe n e r g ys u p p l y d m e ， w i t hh i g ht h e r m a le f f i c i e n c ya n dl o we m i s s i o nd u et oi t ss p e c i a lp r o p e r t i e s ，h a si nr e c e n t y e a r sa t t r a c t e di n c r e a s i n g l yw i d ea t t e n t i o na n dh a sb e e nc o n s i d e r e da sa na l t e r n a t i v ef u e l w h i c hw i l lc o n t r i b i l t et ot h er a t i o n a l i z a t i o no fc h i n a se n e r g ys t r u c t u r ea n dt h e i m p r o v e m e n to ft h ee n v i r o n m e n t t h er e s e a r c ha b o u td m e i su n i v e r s a lu s e do l ld i e s e l e n g i n ei sp r o c e s s i n g s os t u d y i n gt h eb u r n i n gc h a r a c t e r i s t i c so fd m e i sp r o p i t i o u st o m a n u f a c t u r ea n do p t i m i z ed m e e n g i n e a tp r e s e n t , t w of i r s tr e s e a r c ho fd m ee n g i n eh a v es e t so fs h e l fe x p e r i m e n t a l s t u d ya n da r t i f i c i a ls i m u l a t i o ns m d ym a i n l y e x p e r i m e n t a ls t u d yo fm a i ns h e l v e si sa l l t h r o u g h8 0 m et r a n s f o r m a t i o no ft h ef u e ls y s t e mo i lt h et r a d i t i o n a ld i e s e le n g i n eb o t ha t h o m ea n da b r o a d ，c a r r yo l it h es u b s t i t u t i o no ft h ed m ef u e l a n dd m e s t u d yh i s t o r y t o b ev e r ym u c hs h o r ta sd i e s e le n g i n ea r t i f i c i a ls i m u l a t i o n k i v a , am u l t i d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o np r o g r a md e v e l o p e db yu s l o sa i r m o s n a t i o n a ll a b o r a t o r y , i si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s k i v ap r o c e d u r eh a sn o td m ef u e l d e p o t ，r e l e v a n tp a r a m e t e ra n dr e l e v a n ts u b p r o g r a mo fm o d e lo fe t h e r , k i v ap r o c e d u r e c a nn o tm a k ed m ec o m b u s t i o np r o c e s so p e r a t i o nd i r e c t l y i no r d e rt om a k ek i v a a b s t r a c r 4 p r o c e d u r eh a v et h ea b i l i t yt oo p e r a t ed m eb u r n i n gs i m u l a t i o n t h i st e x ts h o l l l db u i l d d m ec o m b u s t i o nn u m e r i c a lp l a t f o r m i no r d e rt ob u i l dd m ec o m b u s t i o nn u m e r i c a lp l a t f o r m , t h i st e x th a sa d d e dv a r i o u s k i n d so ft h i n g p r o p e r t i e so fl i q u i dd m e t ot h ef u e l i bo fk i v a $ o u r e 宅p r o g r a m ，r e v i s i n g d a t aa n dr e c o m p i l i n ga n dp r o d u c i n ge x ee x e c u t a b l ef i l ca n dm a k ei th a sc o m p u t i n g c a p a b i l i t yo fl i q u i dd m ec o m b u s t i o np r o c e s s a c c o r d i n gt od m e f u e l m i st e x th a s b u i l to i lb u n c hm o d e l sa n db u r n i n gm o d e l st 。a n dh a sc o u p l e di ti n t ok i v a ，a n dh a s t r a n s f o r m e ds u b p r o g r a m si n j e c t 。p m o v t v , b r e a k ，c o f i d e n n ，e v a p d ，c h e m ，c h e m p m ， p m o m , p c o u p l ，e t e u t i l i z ea b o v e - m e n t i o n e db u i l td m ee n g i n ec a l c u l a t i o ns i m u l a t i o np l a t f o r mt ，t h i s t e x th a sc a l c u l a t e dt h ee m u l a t i o no ft h ef o l l o w i n gs e v e r a lr e s p e c t ：d m e ，d i e s e lo i l c o m b u s t i o np r o c e s sa v e r a g ep r e s s u r e ，c o n t r a s to ft e m p e r a t u r ei nc y l i n d e r , d m e ，d i e s e l 础c o m b u s t i o np r o c e s sn o xe m i s s i o n 。p m 咖i s s i o ni nc y l i n d e r , d m e ，c o n t r a s to ft h e h e a tr e l e a s er a t eo fc o m b u s t i o np r o c e s so fd i e s e lo i l ；d m e d i e s e lo i lc o m b u s t i o n p r o c e s sc o n t r a s to ft e m p e r a t u r ef i e l di nc y l i n d e r , c h a n g eo ft h ec o n t e n to fe v e r y c o m p o n e n tp a r ti nd m ec o m b u s t i o np r o c e s s ；d m ee n g i n ep o w e ra n dd i s c h a r g e p e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n tl o a d t h r o u g ht h en u m e r i c a le m u l a t i o no fd m ec o m b u s t i o np r o c e s s ，d r a wt h e f o l l o w i n gc o n c i n s i o n ：( 1 ) u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e st h a tt h es 锄ef u e ls p r a y sa n g l ea h e a d o ft i m ea n da m o u n to f0 i lg l l s h e do u to ft h es a m ee q u i v a l e n tc i r c u l a t i o n , d m ee n g i n e h a sh i g h e rp r e s m r ea n da v e r a g et e m p e r a t u r et h a nd i e s e lo ne n g i n e t h ed m ee n g i n e w o r k i n gs t a t ei ss o f t 比, ( 2 ) u n d e ra b o v e - m e n t i o n e dc o n d i t i o n , d m ee n g i n eh a sl o w e r n 0 k 、p me m i s s i o nt h a nd i e s e lo i le n g i n e ，i t sn u m e r i c a lr e s u l t 8i si d e n t i c a la t e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，r e 牡h i n ge u r o p e l i id i s c h a r g ed e m a n do fr e g u l a t i o n ，r e a c h i n g 叫 髓u d y i n gd m ep u r p o s e ；( 3 ) b o m i n g 血ef o rd m ee n g i n ei sa d v a n c e dt h a nd i e s e lo i l e n g i n e ( 4 ) c o r r e s p o n d i n gd i f f e r e n tc l a n ka n g e l ，d m ee n g i n ec y l i n d e rm a x i m u m t e m p e r a t u r ei sl o w e rt h a nd i e s e le n g i n e ，a n dd m ee n g i n ec y l i n d e rh i g ht e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nr a n g ei su g h t e rt h a nd i e s e le n g i n e ，t h i sw i l lr e d u c et h ef o r m u l a t i o no fn o x ( 5 ) d m ee n g i n eh a sl e s sc o m p o n e n tp a r t0 2 ，c o ，c 0 2m o u n tt h a nd i e s e l 础e n g i n ei n c y l i n d e r k e yw o r d s ：d m e ：k i v a ；c o m b u s t i o np r o o e s s ；e m i s s i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t e 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：触 日期：7 年2 - 月7 e t 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 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。 本人授权重庆交通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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 指导教师躲咿吟 日期：9 年， 月7 e t日 荡7 名 戮 眵 作订 文 碗 一 棚 位 期 学 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 内燃机作为一种科技产品历时百年，经久不衰，现在仍旧充满发展活力，无 可替代的为世界科技和经济的发展输入着原动力。我们知道，随着社会科学技术 的飞速发展，内燃机现在己经广泛应用于各型汽车、机车、船舶动力、航空、农 业机械、工业生产、电力、国防等各个领域，是当今用量最大、用途最广、最重 要的热能动力机械。然而在当今世界科技和经济发展中发挥着重要作用的内燃机 却也面临着来自能源和环境两方面的压力。 1 1 1 能源危机 能源( 煤、石油、天然气等) 是国民经济和社会发展的物质基础，是人类赖以 生存的重要保障。随着汽车工业的发展，燃油需求量急剧上升，呈现出石油短缺 的现象，人们越来越认识到石油资源是有限的。1 9 9 2 年所探明的世界上可经济开 发的石油资源约1 3 5 0 亿吨，如果按1 9 9 0 年世界石油产量3 2 亿吨计算，世界上可经 济开发的石油资源大约可以满足今后4 0 一5 0 年的需求。 自1 9 7 3 年的石油危机( 能源危机) 使人们认识到资源的有限性和利用自然资源 的必要性，更加速了各国对车用燃料的研究进程。因此，一方面，人们想方设法 在发动机上采用各种节能措施更有效的利用现有能源；另一方面积极拓展新能源 和代用燃料。世界各发达工业国家，如美国、德国、英国、日本等都加快了内燃 机上代用燃料的研究、开发和应用，对此投入了较多的人力、物力。 我国能源总的特征是“富煤、少油、有气”。我国石油地质资源约为9 4 0 亿吨， 可开采资源仅为1 3 5 亿吨，人均石油资源仅占世界平均值的1 1 6 ，而随着我国经济 的快速发展，现有石油总量远远不能满足日益增长的需裂“。 目前，我国己经成为了原油进口大国，且这种石油短缺状况逐年加剧。图1 1 列出了1 9 9 3 i j 2 0 0 4 年间我国石油进口量和依存度。从图中可以看出，2 0 0 4 年我国 石油进口突破亿吨大关，超过4 0 9 6 的石油销量从国外进口。根据国研中心的研究报 告。2 0 0 5 年进口原油8 0 0 0 万吨，预计到2 0 1 0 年，我国石油进口量将达到1 5 亿吨， 石油进口依存度将达5 0 。到2 0 2 0 年，中国的石油需求量的下限为4 5 亿吨，上限 第一章绪论 2 为6 1 亿吨。而预计届时国内的产量只有1 8 亿到2 亿吨，这就意味着中国石油对海 外资源的依存度至少将达到5 5 以上。为了减少石油进口量，进行替代燃料的开 发研究和推广应用是十分必要的【3 i 。 1 ml m l _ m 1 匡匣互童三虽画画团 圈1 1 中国石油进口量和依存度( 1 9 9 3 - 2 0 0 4 ) 1 6 1 1 f i g 1 1c h i n a s n e t o f f i m p o r t s a n d o i l d e p e n d e n c e ( 1 9 9 3 - - 2 0 0 4 ) 1 6 1 1 2 排放法规 由于目前日益严峻的全球环境问题，全世界范围内对环保的关注程度是前所 未有的。随着世界各先进工业国家经济的不断发展，城市运输车辆大幅度增加， 其尾气己成为各大城市的主要污染源之一。据统计，大约超过6 0 - 8 0 的空气污 染物为车辆排放所造成。 我国2 0 0 0 年的汽车保有量达到了2 0 0 0 万辆，2 0 0 6 年达5 0 0 0 万辆，据统计在 大城市里汽车废气占大气污染总量的比例，美国约为2 2 5 5 ，日本约为3 6 ， 上海中心城区的c o ，h c ，n o x 的排污分担率分别达到8 6 ，9 0 和5 6 1 4 ，”。 汽车排放引起的大气污染正严重恶化着我们的生存环境，危害着人类健康。 这些污染物如内燃机排放废气中的氮氧化物( n o x ) 和碳氢化合物( h c ) 在阳光下，经 过一系列的光化学反应生成臭氧( 0 3 ) ，醛类、过氧乙酞基硝酸盐( p a n ) 以及其他产 物，组成毒性很大的光化学烟雾1 6 。柴油机中的颗粒，除了影响视野和交通外，还 有毒性可导致肺病，并有致癌作用。 随之而来的是大量的政策和法规对内燃机尾气排放进行严格的控制，从6 0 年 代开始，美国、日本、欧盟国家相继制定了汽车排放限制标准，其中以美国加利 福尼亚州标准最为严格，表l ，1 是美国加州轻型汽车排放标准极限值，控制汽车排 放对人类生存环境带来的日益严重的危害。表1 2 为欧洲重型柴油机排放标准( 5 8 1 。 第一章绪论 3 我国的汽车排放法规基本参照欧洲的标准制定。参照国外汽车排放标准我国 也制定了相应的排放标准，表1 3 是我国1 9 9 9 年颁布的车用柴油机的排放标准极 表1 1 美加州轻型汽车排放标准极限值 t a b l e l 1 e m i s s i o n sr e g u l a t i o n s f o r l i g h t - d u t y 们l c k i n a m e r k a n c a l i f o r n i a 标准车重非甲烷 非甲烷有机气c on o xp m甲醛 建议采用的 ( k 曲h c ( g k g )体( g t k g )( g k g )( g t k g )( g l k g )( 班g ) 年份 2 1 l ( o 6 2 ) 1 9 9 3 - 1 9 9 5 m 1 7 ( 0 0 5 ) o 1 “0 1 9 ) ( 2 6 1 ) 2 l lo 2 50 0 0 9 过度低污染 m 1 7 0 0 0 0 8 ( o 1 0 )( n 0 5 ) f 2 6 1 )f 0 3 7 )( 0 0 1 1 ) 生 2 1 lo 2 5o 0 ( 玲 o - 1 7 0 0 o 晒( o 蚴( 0 0 5 )低捧污车 f 2 6 1 )0 3 刀( o 0 1 1 ) 1 0 6n 1 2o 0 0 5 o - 1 7 0 0 o 0 2 ( o 0 3 )( o 0 2 5 ) 超低排污车 ( 1 3 0 ) ( o 1 9 )( o 0 0 7 ) m 1 7 0 0 oo0o o零排污车 2 7 3 1 7 0 1 2 6 0 8 o 2 ( o 2 5 ) 0 4 4 ( n 0 5 ) 1 9 9 3 1 9 9 5 ( 3 4 2 ) 2 7 3o 4 40 o l l 过度低排污 1 7 0 1 1 2 6 吣 o 1 0 ( o 1 ( 0 0 5 ) ( 3 4 2 )( n 5 6 )( o 0 1 4 1 2 7 3n 2 5o - o l l 1 7 0 1 2 6 0 80 0 6 ( 0 0 8 ) ( o 0 5 ) 低排污车 ( 3 4 2 )( 0 3 1 )( o 0 1 4 ) 1 3 7 o 2 5 0 0 0 6 1 7 0 1 2 6 0 8 0 0 3 ( a 哟( o 0 2 5 ) 超低排污车 ( 1 7 4 )( 0 3 1 )f 0 0 0 8 ) 表1 2 欧洲重型柴油机排放标栏5 町 t a b l e1 - 2e m i s s i o ns t a n d a r d sf o rd i e s e le n g i n e si ne u r o p e ( g k w h ) 【5 8 1 法规实施年份 c o ( g k w h )h c ( g k w h ) n o x ( g k w h )p m ( g k w h ) e u r 0 21 9 9 8 1 04 01 17 oo 1 5 e u r o32 0 0 0 1 02 1o 6 65 o0 1 0 e u r 0 4 2 0 0 5 1 01 50 4 63 5 o 0 2 e u r 0 52 0 0 8 1 01 5o 4 62 5o 0 2 限值。我国从2 0 0 0 年开始实施了等效于欧i 的国i 排放标准，2 0 0 4 年实施了相 当于欧h 法规控制水平的国i i 排放标准。2 0 0 5 年5 月3 0 日国家环境保护总局与国 家质量监督检验检疫总局联合发布了车用压燃式、气体点燃式发动机与汽车排 气污染排放限值及测量方法( 中国、v 阶段) ( g b l 7 6 9 1 - - 2 0 0 5 ) 等四 第一章绪论 4 项国家污染物排放标准，规定我国将在2 0 0 7 年和2 0 1 0 年分别实施国家第三、四 阶段机动车排放标准。北京、上海、广州市等城市则制定了更严格的排放法规， 己提前实施了国标准。表1 4 为中国采用的重型车排放限值标准嘲。 表1 3 我国实施的车用柴油机排放标准极限值 t a b l e1 3e m i s s i o mr e g u l a t i o n sf o rd i e s e le n g i r ei nc h i n a c oh c n o z p m 实施阶段实施日期 g ( k w h ) 1 g ( k w h ) 1g ( k w h ) 1g ( k w h ) 。1 8 5 ” 路“y 0 11 9 9 7 1o 11 1 22 41 4 41 1 00 9 2 0 22 0 0 0 1o 14 51 18 0o 6 l0 3 6 0 32 d 0 5 1o 14 o1 1 7 0 o 1 5o 1 5 极限值。我国从2 0 0 0 年开始实施了等效于欧i 的国i 排放标准，2 0 0 4 年实施了 相当于欧i i 法规控制水平的国i i 排放标准。2 0 0 5 年5 月3 0 日国家环境保护总局与 国家质量监督检验检疫总局联合发布了车用压燃式、气体点燃式发动机与汽车 排气污染排放限值及测量方法( 中国、v 阶段) ( g b l 7 6 9 l 2 0 0 5 ) 等 四项国家污染物排放标准，规定我国将在2 0 0 7 年和2 0 1 0 年分别实施国家第三、 四阶段机动车排放标准。北京、上海、广州市等城市则制定了更严格的排放法规， 已提前实施了国m 标准。表1 4 为中国采用的重型车排放限值标准【跏。 表1 4 中国采用的重型车排放限值标澍5 9 】 t a b l e1 4e m i s s i o n sr e g u l a t i o n sf o rh e a v y - d u t ym l c ki nc h i n a s g 一氧化碳( c 0 )碳氢化合物( h c )氮氧化物颗粒物( p m )烟度 阶段 g 屉w hg k w h ( n o x ) g a w h 面1 g k w h i i i2 10 6 65 o0 1 00 1 3 t 1 ，n 8 1 5 0 4 63 5 0 0 2o 5 v 1 5 0 4 6 2 oo 0 2o 5 ( 1 对每缸排放低于0 7 5 d i n 3 ，及额定功率转速超过3 0 0 0 f r a i n 的发动机。 2 0 0 8 年我国将采用更为严格的欧洲标准。随着发动机排气污染的严格控 制，我国现在的汽油机、柴油机皆难以满足越来越严格的排放法规。环境保护的 要求，迫使人们寻求使发动机排放清洁的办法，而发展代用燃料就成为必然。我 国的城市污染相当严重，寻求排放清洁的发动机代用燃料，在我国有着更加重要 的现实意义。 第一章绪论 5 1 i 3 二甲醚排放指标 作为汽车的动力源之柴油机，以高的热效率、低的油耗和低的排放越来越 受到重视。柴油机排放中n o x 和微粒( 碳烟和可溶性未燃碳氢) 的排放是其最主要 的污染物，而降低柴油机n o x 和微粒排放的措施往往存在矛盾，因为n o x 生成条 件是高温、富氧；而微粒的生成条件是高温、缺氧。因此，寻找新型柴油替代燃 料以实现高效率超低污染燃烧将是解决以上矛盾的最有效的措施。 为适应这种严格的排放要求，各国在各相关领域进行了大量的研究工作，代用 燃料作为一个重要的解决途径，也得到了相应的发展，醇类、天然气( c n g l n o ) 、 液化石油气( l p g ) 等。而二甲醚燃料是国际上近年来新出现的很有发展前途的超低 排污代用燃料。 有关二甲醚的研究起步于9 0 年代初期，到目前为止，仍处于初步探索阶段。 研究表明，d m e 十六烷值高，容易着火，非常适合作为柴油机的代用燃料，在各 种柴油机上的试验结果表明，二甲醚能够实现柴油机高效、超低排放、柔和无烟 燃烧，可以满足严格的欧排放限制标准和美国加州超低排放车辆o j l e v ) 标准， 同时燃烧噪声比原柴油机低1 5 d b ( a ) 。 d m e 排放指标和d m e 在重型卡车中的排放指标见表1 5 和表1 6 。由于二甲 醚以天然气、煤、生物能源为原料进行制造，所以具有广泛的原料来源。这种新 型代用燃料的出现，被认为是柴油机排放控制技术的新突破。在柴油机上燃用二 甲醚，从长远来看，可以解决石油资源减少的问题，从近期考虑，则能够改善排 气污染，它为解决能源危机和环境污染两大难题开辟了一条现实可行的道路。 表1 5 明e 排放指标表 t a b k1 5d m 匣e m i s s i o 璐i n 蛔 排放物( g h p h )u l e v o 标准 d m e 测定值 c 07 23 2 n o x 2 52 4 非甲烷烃1 3 0 2 1 b 颗粒状物o 0 5 0 0 3 3 甲醛 0 0 2 50 0 2 2 a ) c a l i f o r n i a1 9 8 8 尾气超低排放标准值 b ) 所测总烃 表1 6 明e 在重型卡车中的排放指标 t a b l e1 6d i v i 匣e m i s s i o n si d d e xf o rh e a v y - d u t yt r u c k 排放物( g i - i p - h ) 欧洲标准d m e 测定值 c o2 oz 1 7 n o x5 o3 8 3 总烃 n 6o 2 0 颗粒状物 o 1 0o 晒 第一章绪论 6 1 1 4 数值仿真的特点 为了在保证内燃机的动力性和经济性的同时，又达到节约能源和环保的目的， 就必须对内燃机的燃烧系统不断加以改进，重视缸内工作过程的研究和代用燃料 的研究。 对内燃机燃烧学的研究主要有实验和数值模拟两种方法。实验方法研究需要使 用特定的试验装置和一定的测试手段。长期以来，实验是研究燃烧的主要手段， 但限于实验条件和测试技术、试验仪器的发展水平和精度，实验研究有很大的局 限性。随着高速c p u 、大容量硬盘的不断问世和飞速发展，利用计算机甚至p c 建立各种科学的数学计算模型，进行缸内过程的三维数值模拟成为可能，这种数 值模拟方法即称为仿真。数值方法模拟可以更好的全面预测内燃机的性能，代替 部分发动机试验，在不受时空限制的条件下进行各种变参数研究，指导设计开发 新型燃烧系统发动机，对旧发动机的性能进行优化，还可以降低实验费用，缩短 实验时间，节省大量的人力物力，具有很强的生命力和优越性。国内各大院校很 多都己开展了这方面的研究。 1 2 柴油机代用燃料的研究与发展 已被研究能作为柴油机的代用燃料主要有天然气、液化石油气、醇类( 甲醇和 乙醇) 、生物燃料、g t l 柴油、氢气和二甲醚等。 1 2 1 天然气 天然气是一种高效、洁净、价廉的工业和民用燃料和化工原料。截止到1 9 9 4 年底，全世界探明的天然气可采储量为1 4 0 万亿立方米，1 9 9 4 年天然气产量为2 1 8 万亿立方米，年增长速度为2 5 。在世界一次性能源结构中天然气所占份额从5 0 年代的9 7 以上升至目前的2 3 8 是世界上产量增长最快的能源。 天然气的主要成份是甲烷( c h 4 ) ，此外还含有少量的乙烷、丙烷、c o 和n 2 等。 天然气的成份波动较大，甲烷含量约在8 3 - 9 9 之间，它的成份对发动机运转时 的性能和排放影响较大【o 一。发动机燃用天然气开始较早，最早出现于本世纪3 0 年代意大利，4 0 年代以后天然气汽车在美国、欧洲和日本等许多国家得到发展， 至今在许多国家获得推广使用。 对于天然气的使用，目前用的较多的是压缩天然气( c n g ) ，使用液化天然气 第一章绪论 7 ( 1 2 q g ) 的比较少。由于压缩天然气的高压储气钢瓶比较沉重，因而压缩天然气用于 汽车的范围就受到比较大的限制。一般压缩天然气主要用于载重车辆、城市公交 车上。由于天然气中不含硫、苯、稀烃等有害成份，排气中无多环芳香烃( p a h ) ， 醛和1 3 位丁二烯等有害物也极少，c 0 2 排放比汽油和柴油低2 0 3 0 ，所以天 然气是一种清洁的燃料。 发动机燃用天然气大体可以分为双燃料系统、火化点火系统和气体燃料高压 直接喷射系统。双燃料系统是柴油机改用天然气的一种方法，在进气过程中天然 气经安装在进气总管部位的天然气一空气混合器，通过各进气岐管吸入缸内，近 年来随电控技术的发展，出现了气口顺序喷射的电控双燃料天然气方案。该系统 是通过上止点前由高压喷油泵和喷油嘴喷入引燃柴油，以柴油压缩自燃来点燃天 然气一空气混合气。它的优点是不需对原柴油机有太大的改动，也可以直接燃用 纯柴油。火花点火系统燃烧方式是将柴油机改成燃1 0 0 气体的发动机，天然气一 空气混合气由火花塞点燃。高压喷射系统是将气体燃料先压缩到规定压力以后， 用气体喷射器在压缩冲程末了直接喷入缸内被压的热空气中，用引燃柴油或火花 塞或电热塞点燃。 对天然气一柴油双燃料发动机的性能和排放的研究表明其排放性能强烈地依 靠于发动机的运行条件。一般情况是：天然气一柴油双燃料发动机在中等负荷以 上工况具有良好的性能，热效率与柴油机相等：在稀混合气条件下能同时降低颗粒 和氮氧化物：但在低负荷时有未燃碳氢排放增加的缺点，这是由于在没有节气门的 条件下，随着负荷的降低，空气一天然气混合气变得极稀薄，燃烧恶化，在排气 中有较多的不完全燃烧产物，同时发动机的扫气也增加了未燃碳氢的排放。 1 2 2 液化石油气( l p g ) 液化石油气是以丙烷和丁烷为主体的低分子量碳氢化合物的混合物，主要来 源于油井气、石油加工的副产品和用煤制取液化燃料的副产品。它作为发动机的 燃料有许多优点，既可以用于汽油机也可以用于柴油机。l p g 具有热值高，抗暴 性好，且不含铅和硫等特点，由于l p g 液化所需的压力较低，因而它的储运比天 然气简单，钢瓶也不象天然气那么笨重。发动机燃用l p g 的特点是有害排放低， 在带有催化转换器汽油车和l p g 汽车相比，l p g 的n 仉排放相当于汽油车的9 0 ， c o 相当于7 0 ，h c 可以降为汽油车的5 2 ，c 0 2 仅为汽油车的8 7 ，而且发动机 造价低。l p g 的分销网络和生产设施齐全。这些优点决定了在短期内可以采用l p g 的可行性。到1 9 9 7 年底，全世晃l p g 汽车保有量己达5 2 0 多万辆，占燃气汽车中 保有量的8 0 。 第一章绪论 8 l p g 在柴油机上应用主要有燃用纯l p g 和双燃料两种方式。由于柴油机的 本身特点，柴油机燃用1 0 0 的l p g 需对发动机进行必要的改造，如降低压缩比、 更换气门座材料、设计新的活塞环等。对于柴油l p g 双燃料系统，根据所采用的 可分为两种类型：一种为l p g 在进气管与空气混合进入气缸；另一种是l p g 加压后 在高压油管中与柴油以液态混合喷入气缸第二种方案虽然掺烧比例高、燃料供给 设备变动小，但存在一些缺点，如l p g 与柴油混合需要高压、系统结构复杂、低 压油路需要排除气阻等。目前主要采用第一种方案，即l p g 经过安装在进气总管 部位的混合器，流经进气岐管进入缸内，该方案在中高负荷区，双燃料发动机的 经济性优于纯柴油，排放有较大改善，但通过混合器影响了充气效率，发动机的 动力性有一些下降。 在以直喷式柴油机改装的液化石油气发动机上的研究表明：燃用液化石油气 时发动机在低速区域扭矩大幅度提高，在全负荷区域烟度仍能保持为零，n o x 也 得到降低，但h c 排放升高。 1 2 3 醇类燃料 醇类燃料主要包括甲醇和乙醇。醇类燃料资源丰富，它既可以从农作物，又 可从我国储量很大的煤炭天然气中提炼，生产工艺比较成熟，从我国能源多元化 和能源安全角度出发，发展醇类燃料应该说具有重大战略意义。在现有发动机上 使用醇