（动力机械及工程专业论文）船舶柴油机燃烧排放性能三维数值模拟研究.pdf

船用柴油机燃烧排放性能三维数值模拟研究 摘要 随着能源危机和环境问题日益严峻，人们对船舶柴油机的经济、排放性能要求越来 越高。由于国际海事组织( i m o ) 制定的排放标准越来越严格，如何降低柴油机的氮氧 化物( n o 。) 及微粒的排放量，是当前亟待解决的问题。柴油机的燃烧过程是决定燃烧 与排放性能最根本的因素。随着计算科学和计算机技术的快速发展，燃烧过程的数值模 拟成为了燃烧过程研究的重要手段。使用c f d 软件进行数值模拟成本低，速度快，能 提供一些试验无法获得的数据信息。 本文以f i r e 软件为研究工具，应用f i r e 软件中的e s e 模块建立了t b d 2 3 4 v 1 2 柴油机燃烧室的几何模型，对其进行了动网格划分，确定了计算初始参数，建立了该型 柴油机燃烧数值模拟的仿真模型并采用试验值进行了验证。 计算分析了t b d 2 3 4 v 1 2 柴油机在作为船用发电辅机时不同负荷对柴油机燃烧排放 的影响。结果表明，随着负荷的增加，燃烧滞燃期缩短，缸内温度、压力、放热率、s o o t 和n o 排放均增加。计算分析了t b d 2 3 4 v 1 2 相继增压柴油机在作为船用推进主机切换 点前后两个工况的燃烧排放性能，结果表明，t b d 2 3 4 v 1 2 相继增压柴油机在1 t c 工况 时做功能力高于2 t c 工况；1 t c 工况燃烧温度和放热率均低于2 t c 工况；t b d 2 3 4 v 1 2 相继增压柴油机在1 t c 工况时n o 、s o o t 和c 0 2 排放性能均优于2 t c 工况。 计算分析了不同负荷下进气压力变化对柴油机燃烧和排放性能的影响，随着进气压 力的增加，滞燃期逐渐缩短；在低负荷下进气压力对滞燃期影响较大，在高负荷下进气 压力对滞燃期影响较小；计算结果表明：在1 3 负荷下，随着进气压力的增加， n o 、 s o o t 浓度随之下降；在8 9 负荷下，随着进气压力的增加，n o 生成浓度增加后下降， s o o t 浓度先下降后增加。计算分析了在不同进气压力下进气门提前关闭对柴油机燃烧排 放性能的影响，进气门提前关闭对燃烧放热率的影响很小，对缸内温度影响较大；在高 进气压力时，进气门提前关闭对降低n o 生成更有利；进气门提前关闭有助于降低c 0 2 排放。 计算分析了不同喷油规律和不同喷油提前角对柴油机燃烧和排放性能影响。结果表 明，相比于方波喷油规律，原机喷油规律最高燃烧温度、最高燃烧压力和n o 排放均较 低，但s o o t 排放较高。随着喷油提前角的增大，滞燃期延长，缸内最高燃烧压力和最高 温度也随之升高，燃烧初期的放热速率和压力升高比较高；适当的延后喷油时刻可以降 低n o 排放；在1 0 。c aa t d c 喷油提前角下该型柴油机的燃烧排放性能比较理想。 关键词：柴油机；三维数值模拟；燃烧；排放 船用柴油机燃烧排放性能三维数值模拟研究 a b s t r a c t w i t ht h ee n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sh a v i n gb e c o m ei n c r e a s i n g l ys e r i o u s ， p e o p l e sr e q u i r e m e n t so ft h es h i pd i e s e le c o n o m y , e m i s s i o n sp e r f o r m a n c ei si n c r e a s i n g s i n c e t h ei n t e r n a t i o n a lm a r i t i m eo r g a n i z a t i o n ( i m o ) d e v e l o p e dm o r es t r i n g e n te m i s s i o ns t a n d a r d s ， r e d u c i n gd i e s e le n g i n en i t r o g e no x i d e ( n o x ) a n dp a r t i c u l a t ee m i s s i o n sb e c o m e sap r e s s i n g p r o b l e m d i e s e l c o m b u s t i o np r o c e s si st h em o s tf u n d a m e n t a lf a c t o rt od e t e r m i n et h e c o m b u s t i o na n de m i s s i o np e r f o r m a n c e c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h er a p i d d e v e l o p m e n to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ec o m b u s t i o np r o c e s sh a v eb e c o m ea ni m p o r t a n t m e a n st os t u d yt h ec o m b u s t i o np r o c e s s t h ec f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ) s i m u l a t i o n s o f t w a r e sh a v et h ea d v a n t a g e m e n to fl o wc o s t ，f a s t ，a n dt h e yc a np r o v i d es o m et e s td a t a w h i c hi sn o ta v a i l a b l ef r o mt h ee x p e r i m e n t a t i o n t h i sp a p e ru s e sf i r ea sar e s e a r c ht 0 0 1 e s em o d u l ec o m i n gf r o mf i r ei sa p p l i c a t e dt o e s t a b l i s ht h ec o m b u s t i o nc h a m b e rg e o m e t r i cm o d e la n dm o v i n gm e s ho ft b d 2 3 4 v 1 2d i e s e l t h ec a l c u l a t i n gi n i t i a lp a r a m e t e r sa r es e t - t e d t h ed i e s e le n g i n ec o m b u s t i o ns i m u l a t i o n p l a t f o r mi se s t a b l i s h e da n d v a l i d a t e db ye x p e r i m e n t a ld a t a t h i sp a p e rc a l c u l a t e sa n da n a l y z e sc o m b u s t i o ne m i s s i o n so ft b d 2 3 4 v 12d i e s e la st h e s h i pa u x i l i a r yd i e s e lp o w e r w h e nt h el o a dc h a n g e s t h er e s u l t ss h o wt h a ta st h el o a di n c r e a s e d ， t h ec o m b u s t i o ni g n i t i o nd e l a yw a sd e c r e a s e d ，a n dc y l i n d e rt e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，h e a tr e l e a s e r a t e ，s o o ta n dn o e m i s s i o n sa r ei n c r e a s e d t h i sp a p e rc a l c u l a t e sa n da n a l y z e st h ec o m b u s t i o n a n de m i s s i o n so ft b d 2 3 4 v 1 2s e q u e n t i a lt u r b o c h a r g i n gd i e s e le n g i n ea sp r o p u l s i o ns y s t e mo f s h i p t h ec o m b u s t i o na n de m i s s i o n sp e r f o r m a n c eo fb e f o r ea n da f t e rs w i t c h i n gp o i n t a r e i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h eit cc o n d i t i o ni sp o w e r f u lt h a nt h e2 t cc o n d i t i o n s 1t cc o n d i t i o n so ft e m p e r a t u r ea n dh e a tr e l e a s er a t ei sl e s st h a n2 t cc o n d i t i o n s t h en o ， s o o ta n dc 0 2e m i s s i o n sp e r f o r m a n c eo ft h e1t cc o n d i t i o na r eb e t t e rt h a nt h e2 t cc o n d i t i o n s u n d e rd i f f e r e n tl o a d ，t h ec h a n g eo fi n l e tp r e s s u r eo nd i e s e le n g i n ec o m b u s t i o na n d e m i s s i o n sp e r f o r m a n c ea r ec a l c u l a t e da n da n a l y s i s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw i t ht h e i n c r e a s eo fi n l e tp r e s s u r e ，t h ei g n i t i o nd e l a yi ss h o r r t e n e dg r a d u a l l y a tl o wl o a d ，t h ei n l e t p r e s s u r ei m p a c t so nt h ei g n i t i o nd e l a yg r e a t l y a th i g hl o a d ，t h ei n l e tp r e s s u r ei m p a c t i n g o nt h e i g n i t i o nd e l a yi sl e s sa f f e c t e d i n13 l o a d ，w i t ht h ei n c r e a s i n go fi n l e tp r e s s u r e ，n o ，s o o t r e d u c e d a t8 9 l o a d ，诵t ht h ei n c r e a s i n go fi n l e tp r e s s u r e ，n oi n c r e a s e da n dt h a nd e c r e a s e d ， s o o td e c r e a s e da n dt h e ni n c r e a s e d t h ed i e s e l sc o m b u s t i o ne m i s s i o n sp e r f o r m a n c eo fi n l e t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p r e s s u r ea td i f f e r e n ti n t a k ev a l v es h u t t i n gd o w nt i m ei si n v e s t i g a t e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e i n t a k ev a l v es h u t t i n gd o w ne a r l yh a sl i t t l ee f f e c to nc o m b u s t i o nh e a tr e l e a s er a t ea n di si n a d v a n t a g eo fr e d u c i n gt h ec y l i n d e rt e m p e r a t u r ei nt h eh i g hi n l e tp r e s s u r e t h ei n t a k ev a l v e s h u t t i n gd o w ne a r l yi sm o r ef a v o r a b l er e d u c i n gt h en oa n dc 0 2f o r m a t i o n t h ep e r f o r m a n c eo fd i e s e le n g i n ec o m b u s t i o na n de m i s s i o n sa n dd i f f e r e n ti n j e c t i o nr a t e a n di n j e c t i o nt i m i n ga r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es q u a r ew a v ei n j e c t i o nr a t e l e a dt h eh i g h e rm a x i m u mc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea n dm o r en oe m i s s i o n sa r e ，b u tl o w e r s o o te m i s s i o n s w i t ht h ei n c r e a s eo ff u e li n j e c t i o nt i m i n g ，i g n i t i o nd e l a yi se x t e n d e d t h e m a x i m u mc o m b u s t i o np r e s s u r ea n dm a x i m u mt e m p e r a t u r ea r er i s e d t h ec o m b u s t i o nh e a t r e l e a s er a t ea tt h eb e g i n n i n go fc o m b u s t i o na n dt h er a t eo fp r e s s u r er i s ei sr e l a t i v e l yh i g h d e l a y e i n gi n je c t i o nt i m i n ga p p r o p r i a t e l yc a nr e d u c et h en oe m i s s i o n s a t 一10 。c aa t d c f u e li n j e c t i o nt i m i n g ，t h ep e r f o r m a n c eo fc o m b u s t i o ne m i s s i o n so ft h ed i e s e le n g i n ei sb e t t e r k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c o m b u s t i o n ；e m i s s i o n s ；i n j e c t i o nt i m i n g 第1 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 现今人类社会面临着两大问题：一是能源枯竭，二是环境的污染。能源是人类赖以 生存和实现可持续发展的基础，能源的种类很多，但目前矿物能源( 天然气、煤和石油) 仍然是主要使用的能源，约占全世界能源总消耗量的8 9 以上。矿物能源是一种不可 再生能源，根据英国石油公司最近发表报告指出：世界已探明的石油储量约1 2 5 8 0 亿桶， 按2 0 0 8 年的产量计算可使用4 2 年；天然气可使用6 0 年，煤炭可使用1 2 2 年。随着经 济的发展，交通运输在经济发展中的地位越来越重要，而对于占世界贸易总运量2 3 的 海上运输，船舶的地位不容小觑。据不完全统计，目前世界上商用船舶数量超过1 5 万 艘，而作为船舶主要动力柴油机，全年消耗燃料油超过二亿吨。柴油机节能降耗刻不容 缓【2 1 0 环境更是人类生存发展的物质基础和制约因素，在诸多环境问题中，大气污染己成 为最被关注的问题之一。柴油机的主要污染物为n o 。和微粒。柴油在燃烧过程中产生的 n o 。，9 5 以上为n o 。n o 无色无味，只有轻度刺激性，但n o 在特定条件下会被氧化成 n 0 2 ，n 0 2 是一种具有腐蚀性的气体，对呼吸道有强烈的刺激作用，同时n 0 2 还是产生 酸雨、烟雾和引起气候变化的主要原因。微粒的主要成分是碳烟。碳烟对人体健康的影 响主要取决于碳烟的浓度和在空气中的暴露时间，它会引起上呼吸道感染、心脏病、支 气管炎、气喘、肺炎等疾病【3 1 。对于每年消耗燃料超过二亿吨的船用柴油机，按照n o x 排放量2 0 9 k w h 计算，每年排放的n o x 量将近2 0 0 0 万吨 4 1 ，故船舶柴油机的排放问题越 来越被各个国家和国际组织重视。 国际海事组织( i m o ) 2 0 0 8 年3 月召开的第5 7 届海洋环境保护会议在经1 9 7 8 年议 定书修正的1 9 7 3 年国际防止船舶造成污染公约( 简称( ( 7 3 7 8 防污公约) 的基础上修正 了其附贝j j v i ，其主要内容是分阶段降低n o 。的排放量，第一阶段要求2 0 0 0 年1 月1 日及其 以后至2 0 1 1 年1 月1 日以前安装的柴油主机根据已生效的m a r p o l 附则适用1 7 9 k w h 的标准；第二阶段要求2 0 1 1 年1 月1 日以后安装的柴油主机的n o x 排放标准为1 4 4 9 k w h ； 第三阶段要求当船舶航行于指定的排放控制区域内时，2 0 1 6 年1 月1 日以后安装的柴油主 机的n o x 排放标准为3 4 9 k w h ；在排放控制区域外仍适用第二阶段的要求。而中国作为 国际海事组织a 类理事国，也在加紧实施( 7 3 7 8 防污公约相关规定，并于2 0 0 9 年9 月2 日国务院第7 9 次常务会议通过了防治船舶污染海洋环境管理条例，1 刍2 0 1 0 年3 月1 日 哈尔滨工程大学硕十学位论文 起执行。这就对船用柴油机的排放控制提出了更高的要求【5 h 7 1 。 美国联邦环保局( u se p a ) 在2 0 0 3 年对单缸容积大于3 0 升的发动机制定的新海 洋船舶柴油机排放控制法规。在符合国际海事组织的m a r p o l 附则v i 的基础上，还加 入了美国清洁空气法案( u s c l e a n a i r a c t ) 的规定，该法规于2 0 0 7 年强制执行。莱因河 航道中心委员会( t h ec e n t r a l l 7 1 c o m m i s s i o nf o rn a v i g a t i o no nt h er h i n e c c n r ) 制定的 莱因河( 西欧境内) 内陆河道船舶废弃物排放规定在2 0 0 7 年7 y j1 日起执行，该法规 不仅限制了s 0 2 和n o 。的排放，还对c o 、h c 和颗粒物( p m ) 的排放作出规定 8 1 。 1 2 柴油机排放控制方法 柴油机n o x 及碳烟排放的控制技术一般分为机内净化技术和后处理技术。随着排放 法规的日益严格，这两种排放控制技术均被广泛应用。 1 2 1 柴油机排放控制的机内净化技术 柴油机机内净化可通过燃烧系统设计、喷油规律改进、进排气系统的改进、增压技 术、废气再循环技术和高压喷射技术来实现，其中废气再循环、增压和低温燃烧是机内 净化技术中最为有效的技术。 1 2 1 1 废气再循环技术 废气再循环e g r ( e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ) 是保证内燃机动力性不降低的前提下， 根据内燃机的温度及负荷大小将发动机排出的废气的一部分再送回进气道，和新鲜空气 混合后再次参加燃烧，使燃烧反应速度减慢，从而降低n o x 排放【9 】。e g r 技术主要分为 内部e g r 和外部e g r ：内部e g r 是通过对进气相位的调整，以达到增加残留在气缸内 的废气量的效果；外部e g r 是排气离开发动机后，经由外部管道再次进入进气系统后 再参与柴油机内部循环。e g r 技术在柴油机的应用始于涡轮增压柴油机，美国康明斯公 司在重型卡车上应用冷气式e g r 技术，达到了美国联邦环保署的重型卡车排放标准； 日本日野公司开发了带阀装置的内部e g r 和带高效e g r 冷却器的外部e g r 组成的复 合e g r 系统，降低了n o x 排放 1 0 】【1 。 1 2 1 2 增压技术 在发动机中，燃料燃烧产生能量的2 0 4 5 是由排气带走的，涡轮增压系统的作 用就是利用这部分排气能量，使它转换为压缩空气的有效功以增加发动机的充气量。增 2 第1 章绪论 压是提高柴油机功率密度和改善其排放的主要手段。增压系统多种多样，主要有相继增 压系统、h y p e r b a r 超高增压系统、进排气旁通系统、放气系统、可变几何涡轮系统等【1 4 】。 目前在国外，瓦锡兰( w a r t s i l a ) 公司的c h r i s t e r 和a j o l l lh a l l b a e k ，对一台低速大功率 柴油机通过采用两级增压和米勒循环相结合的方式，使n o x 和c 0 2 排放同时降低，且 n o x 排放降低了将近5 0 1 1 5 】；在国内，哈尔滨工程大学进行了相继增压系统的设计与试 验，在降低柴油机油耗的同时改善了排放性能。 1 2 1 3 低温燃烧技术 柴油机的低温燃烧是同时降低n o x 和碳烟排放的有效途径。低温燃烧的实质是通过 对燃烧温度的控制来实现对燃烧路径的控制。图1 1 为在t - o 平面上柴油机的传统燃烧模 式与两种低温燃烧模式。如图所示，在低当量比情况下，n o 。会大量生成于局部燃烧温 度在2 2 0 0 k 以上的区域；在高当量比情况下，降低最高燃烧温度以避开碳烟的主要生成区 域；在任意当量比情况下，若燃烧温度可以始终保持低于1 6 5 0 k 的水平，那么燃烧可以 完全避开n o x 和碳烟 温度，k 图1 1 在平面上柴油机的传统燃烧模式与两种低温燃烧模式 在众多种柴油机低温燃烧系统设计中，均质充量压燃燃烧( h c c i ) 被国内外学者 高度重视。h c c i 燃烧是燃油与空气均质混合，混合气在压缩冲程活塞接近上止点的时 刻自动起火燃烧。h c c i 燃烧的实质是通过燃油与空气的均质混合，消除扩散燃烧火焰， 使燃料尽量以预混合燃烧的形式燃烧，从而避免扩散燃烧产生的高温，降低燃烧温度， 改善n o x 排放。h c c i 发动机热效率高，燃油经济性好，n o 排放浓度低，无微粒排放。 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 h c c i 燃烧是一个全局的自燃过程，它既不同于汽油机的火焰传播式燃烧，也不同 于柴油机的分层燃烧。柴油是高十六烷值燃料，有较高的着火性和较低的挥发性，与汽 油相比，其更容易自燃而且有较好的抗爆性，柴油作为h c c i 发动机燃料的主要问题则 是它的雾化性能，因为它的高沸点使其在燃烧开始之前很难雾化形成很精细的混合气。 实现柴油h c c i 燃烧主要面临两方面的困难：第一，柴油粘度大，挥发性差，形成预 混均质混合气困难，燃烧开始后微小油滴的存在都会形成当量比为1 的扩散火焰，增加 n o 。排放；第二，柴油作为高十六烷值燃料容易发生低温自燃反应。只要当燃烧室内温 度超过8 0 0 k 就将产生快速自燃着火，结果形成过分提前的燃烧相位和粗暴的着火过 程。因此，控制混合速率、自燃着火速率和燃烧速率是柴油燃料h c c i 燃烧过程的三 个关键问题，也是柴油机实现h c c i 燃烧的技术核心【1 7 】【l 引。 目前，国内外学者对h c c i 燃烧技术做了大量的研究。在国内，天津大学把多脉冲 喷射下形成的可控预混压燃燃烧与b u m p 燃烧室内的稀扩散燃烧相结合，在较低负荷 下，采用可控预混压燃燃烧模式，在较高的负荷下，采用复合燃烧模式，开发出了 m u l i n b u m p h c c i 复合燃烧技术【l 9 1 。 上海交通大学基于燃料设计与管理思想，采用双燃料技术，在进气道喷射一部分燃 料形成均质混合气，然后在上止点附近引入部分高十六烷值燃料缸内直喷形成缸内混合 气分层及预混合燃烧和扩散燃烧叠加的h c c i d i 复合分层燃烧模式，达到了同时降低 n o 。和碳烟的目的【2 0 】。在国外，日本丰田公司提出了u n i b u s 系统，通过间隔3 0 0 c a 的两 次喷射显著改善了早喷燃烧的燃烧效率，燃油的首次喷射，通过对燃油喷射量、喷射时 刻、进气压力及进气温度的控制，使燃油只进行低温化学反应而不进行燃烧，燃油在第 二次喷射时开始燃烧，这样低温火焰不能使燃油分解却可以使其充分蒸发，在降低n o x 排放的同时避免碳烟生成【2 1 】。日本日产公司提出了m k 燃烧方式，其核心是低温预混合 燃烧，通过大幅推迟喷油定时( 上止点后喷油) 来延长滞燃期，扩大预混合燃烧比率； 采用高e g r 率在增大工作气体热容量的同时，大幅度减少工作气体中的氧浓度，以降低 燃烧温度，从而降低n o x 排放【9 】。 1 2 - 2 柴油机排放控制的机外净化技术 对于柴油机后处理技术，目前国内外研究的微粒机外净化技术主要有等离子净化、 静电分离、溶液清洗、离心分离和微粒捕集器等；降低柴油机n o x 排放的机外净化技术 主要有吸附催化还原法、选择性催化还原和等离子辅助催化还原，其中微粒捕集器和选 择性催化还原是柴油机后处理技术中最为常用的技术。 4 第1 章绪论 1 2 2 1 微粒捕集技术 柴油机微粒捕集器( d p f ，d i e s e lp a r t i c u l a rf i l t e r ) 是公认的柴油机微粒排放后处理 的主要技术及装置。微粒捕集器是安装在柴油机排气系统中，通过过滤来降低排气中微 粒的装置，其捕集效率主要受到过滤体结构参数、柴油机运行工况、柴油机运行时间等 因素影响【1 2 】。随着过滤体内微粒不断积累，排气背压升高，发动机性能恶化，所以必需 适时清除过滤体中沉积的微粒，使排气阻力恢复到或接近原来的水平，即实现过滤体的 再生【3 】o 国际上对微粒捕集器的研究始于2 0 世纪7 0 年代，现逐步形成商品化产品，随着排放 法规的日趋严格，如今发达国家安装微粒捕集器的柴油机越来越多，目前成熟且应用较 多的产品是美国康宁( c o m i n g ) 公司和日本n g k 公司生产的壁流式蜂窝陶瓷颗粒捕集 器；美国的j o h n s o nm a t t h e y 公司开发的连续催化再生微粒捕集器以高捕集效率和再生效 率受到关注【1 2 】。 1 2 2 2 选择性催化还原技术 选择性催化还原技术( s c r ) 的基本原理是在排气中加入还原剂( 氨或氨水) ，然 后在催化剂的作用下对排气中的n o 。进行还原。s c r 转化器的催化作用具有很强的选 择性：n o x 的还原反应被加速，还原剂的氧化反应则受到抑制。s c r 系统的具体实现方 式是排气从增压器涡轮流出后进入排气管中，同时由安装在排气管上的尿素喷射装置将 定量的尿素水溶液以雾状形态喷入排气管中，尿素液滴在高温废气作用下发生水解和热 解反应，生成所需要的还原剂氨气( n h 3 ) ，n h 3 在催化剂的作用下将氮氧化物n o 。有 选择性的还原为氮气n 2 。 在后处理技术中，s c r 是公认的最成熟、最有效的措施。它在减少柴油机n o 。排 放中得到了广泛的应用。瑞典已有多艘运营在波罗的海渡船上的主、辅机装用了s c r 装置。我国广船国际制造的一艘商用船舶也在主、辅机装用了s c r 装置。在s c r 装置 的实际应用中，比较成功的s c r 装置是德国的s i n o x t 2 2 1 。s i n o x 是德国在实施船舶排 放净化研究计划中，由政府资助、西门子公司与用户及制造商合作研究的s c r 装置。 首套s i n o x 装用于一艘以重油为燃料的滚装船上，使用后可将n o 。排放量从1 5 9 ( k w 圣1 ) 降低到2 9 ( k w h ) 。 1 3 柴油机缸内燃烧的研究方法 在众多排放控制方法中，对柴油机燃烧过程的优化是控制排放的最根本的手段。柴 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 油机的燃烧过程是一个十分复杂而多变的物理化学过程，燃烧过程持续时间极短，所 处空间很小，燃烧空间一般具有特定的形状，而且柴油机的燃烧反应物很不均匀，经常 伴随着强烈的流动与扰动，反应物和燃烧产物共存于同一体积，加之燃烧过程是压缩自 燃和多源着火，这一切特征决定了柴油机缸内燃烧过程研究的复杂性和困难性【2 1 1 。目前 对缸内燃烧过程的研究主要有实验研究和数值模拟两种方式。 1 3 1 缸内燃烧的实验研究 要对缸内燃烧有深刻的了解，需要对燃料的喷注、雾化、混合、扩散及化学反应等 物理和化学过程有深入和正确的理解。燃烧诊断可视化技术是发现和掌握燃烧过程规 律，深化燃烧机理研究的主要方法。目前应用比较广泛的燃烧诊断可视化技术主要有激 光诱导荧光法( l i f ) 和双色法。 l i f 是通过激光照射缸内燃烧的反应物和燃烧产物，受照射后的分子在一定时间内 将通过辐射和非辐射的方式释放能量返回基态，在此过程中分子会发射出荧光，荧光的 特性会随着荧光物质的种类、周围物质的氛围和环境的温度、压力呈现出较大差异，通 过对荧光强度的分析，可以获得缸内物质的多种物理参数的变化情况，如温度、浓度、 组分等。l i f 主要用于对缸内组分、温度场的测量和喷雾、混合气形成的研究。在国外， 德国大众公司应用l i f 方法在一台缸内直喷火花塞点火式发动机上研究了n o 生成和分 布情冽2 4 】；隆德理工大学r o b e r tc o l l i n 等人通过可视化发动机同时测量了甲醛和o h 荧光 图像；东京燃气公司在可视化发动机上进行了甲醛缸内燃烧的可视化试验；c u i l l a u m ed e 等人通过l i f 法研究了直喷汽油机的混合气形成过程【2 1 1 。在国内，天津大学的孙田、苏 万华等人采用l i f 法拍摄了国形b u m p 燃烧室内的高压喷雾气液两相流分离图像；清华大 学、西安交通大学也进行了相关的研究，并取得了令人瞩目的成果。 双色法应用于柴油机烟度浓度分布和温度分布，其基于固体热辐射理论，通过测量 得出燃烧火焰发出的某两个波长上的强度，建立温度与强度的方程，通过计算得到所需 的碳烟浓度和温度。t a k e y u k ik a m m o t o 等人率先将双色法应用于柴油机碳烟浓度的测 量；h o a n gx u a nq u o c 等人提出的改进的双色法可以得到碳烟颗粒体积的百分比；瑞典 皇家科技医药大学的c a r c s o u m a n i s 等人应用双色法研究了e g r 对燃烧发展的影响；奥地 利a v l 公司设计了a v l vi s n s c o p e 系统，应用内窥镜结合双色法研究了柴油机燃烧火焰 及喷雾发展过程。国内的清华大学研究了双色法在柴油机上的测试精度问题，同时对进 气道喷射乙醇柴油引燃的燃烧模式进行了分析【2 5 1 。 6 第1 章绪论 1 3 2 缸内燃烧的数值模拟研究 柴油机气缸内的气体流动和油气混合过程非常复杂：在进气门关闭后，由于进气过 程中产生的旋流运动，使气缸内存在强烈的涡流、挤流和旋流；在燃油开始喷射后，喷 雾对复杂的缸内气体流动又产生了扰动；在油雾蒸发、破碎直至燃烧后，缸内燃烧的物 理化学过程更加复杂，这一切都使得单纯的实验研究只能在一定程度上描述缸内燃烧 过程。因此，数值模拟与实验研究相结合的研究手段被国内外研究人员普遍采用。数值 模拟的开发周期短，可预测某些在试验测试中无法获得的信息，而且能显示缸内任意时 刻的速度场、温度场、压力场及排放物分布等，尤其是数值模拟成本较低，使其成为内 燃机性能研究的常用手段 2 6 1 。柴油机缸内燃烧的数值模拟经历了四个阶段，分别为燃烧 放热率的计算、零维燃烧模型、准维燃烧模型和多维燃烧模型。 燃烧放热率的计算是通过缸内示功图推算燃油燃烧的放热过程，这种方法只可得出 缸内的放热率曲线，无法说明燃烧过程细节。零维模型把缸内燃烧过程的每一瞬态看成 是均匀的，通过对实际燃烧过程的统计分析，得出燃烧放热过程参数间的经验关系式， 零维模型把燃烧看成是按一定规律向系统加入热量的过程，忽略了燃烧中物理化学反 应过程的实质，无法从机理上把握其规律，更无法预测排放物的生成过程【2 7 l 。准维模型 是在零维模型的基础上，对燃烧空间划分成若干个区域，计算各区域内的温度和浓度。 这类模型虽考虑了燃烧过程中油束发展、油气浓度分布、混合气形成和火焰传播等现象， 但无法预测燃烧室形状对气流、温度及排放物浓度的影响；多维模型通过化学反应动力 学、流体力学和传质传热的基本定律描述缸内燃烧过程，考虑了燃烧过程中具体的物理 化学过程和工质的空间分布，其计算结果不仅可以描述缸内燃烧相关参数的变化，而 且可以反应缸内燃烧过程中的气体流动，燃油喷射、雾化、蒸发，混合气形成及排放物 分布情况等详尽信息【2 8 】，随着计算机技术的发展，多维燃烧模型已经得到了广泛的应用。 目前已有多款可以应用多维燃烧模型模拟缸内过程的商用c f d 软件，如k i v a ， s t a r - c d ，f l u e n t 及f i r e 等。不同的软件在不同的应用领域有着各自的优势：s t a r - c d 与f l u e n t 软件是较通用的c f d 软件，采用耦合法求解可压缩流动，采用压力校正法 求解不可压缩流流动，同时具备强大的前后处理功能，具有多种网格划分类型【3 l 】；k i v a 软件是源程序开放软件，k i v a 软件与f i e r 软件均为内燃机缸内燃烧模拟的专业软件， 有专门用于缸内燃烧模拟的燃烧模型，种类繁多，专业性强。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 3f i r e 软件简介 f i r e 软件是由奥地利a v l l i s t 公司开发用于模拟内燃机缸内过程的c f d 软件。 f i r e 软件可以求解最复杂的气体流动，包括进排气系统、进气道流动系统、内燃机缸 内运动和详尽的喷雾燃烧现象等。从而指导优化进排气系统、冷却水套、燃烧室结构、 喷射参数和降低排放物生成。f i r e 软件采用先进的以网格面为基准的适用于任意形状 的多面体网格的有限体积法求解技术，拥有网格和动网格生成功能，包含了全自动，半 自动以及手动网格生成，能够划分包括进气道在内的复杂结构的网格。同时，f i r e 包 含了丰富的湍流，燃烧和排放预测模型，湍流模型有k 湍流模型，r s m 模型和 a v l h t m 模型等，燃烧模型有涡破碎模型( e b ut y p ec o m b u s t i o nm o d e l ) 、湍流火焰 速度模型( t u r b u l e n tf l a m es p e e dc l o s u r em o d e l ) 、特征时间尺度模型( c h a r a - c t e r i s t i ct i m es c a l em o d e l ) 、概率密度函数模型( t r a n s p o r t e dp d fm o d e l ) 、相关火焰模 型( c o h e r e n tf l a m e l e tm o d e l ) 等。排放模型包含了z e l d o v i c hn o 预测模型，k e n n e d y h i r o y a s u - m a g n u s s e n 碳烟模型，k e n n e d y h i m y a s u m a g n u s s e n - - r a d 碳烟模型以及高级碳 烟模型。f i r e 还有预留给用户自定义模型。用户可以非常方便的根据不同的环境和求 解对象选择各类不同的计算模型，以实现模拟计算与实际情况的一致性【3 0 1 。f i r e 软件 网格划分质量高，数学模型丰富，界面友好，专业性强，故本文选用f i r e 软件进行柴 油机燃烧排放过程的数值模拟。 1 4 本文主要研究内容 随着对船舶排放控制的要求越来越严格，降低船用柴油机的排放，提高柴油机的性 能成了当前船舶行业所面临的严峻课题。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 应用f i r e 软件，建立t b d 2 3 4 v 1 2 柴油机燃烧数值模拟的仿真模型：应用f i r e 软件中的e s e 模块建立该型燃烧室的几何模型，并对其进行动网格划分；确立计算初始 参数并验证模型建立的合理性；分析计算结果。 ( 2 ) 计算分析t b d 2 3 4 v 1 2 柴油机在作为船用发电辅机时不同负荷对柴油机燃烧排 放的影响；计算分析t b d 2 3 4 v 1 2 相继增压柴油机在作为船用推进主机的燃烧排放性能。 ( 3 ) 为了了解应用米勒循环提高柴油机燃烧排放性能的可行性，计算分析不同负 荷下进气压力和进气门提前关闭对柴油机燃烧与排放性能的影响。 ( 4 ) 为了了解喷油参数对柴油机燃烧排放性能的影响，计算分析不同喷油规律和 不同喷油提前角对柴油机燃烧和排放性能影响。 8 第2 章柴油机多维燃烧模拟的数学模型 第2 章柴油机三维燃烧模拟的数学模型 2 1 流体动力学基本控制方程 柴油机缸内燃烧过程是包含化学反应的复杂流体流动过程，其遵循化学反应流体力 学的基本控制方程，即质量、组分、动量和能量守恒方程。在直角坐标系下，以i 方向 为例，方程形式如下【3 1 1 ： ( 1 ) 质量守恒方程 詈+ 旦o x , ( ，) = o ( 2 - 1 ) a v ( 2 ) 动量守恒方程 亟碧+ 昙( 肛，坳) = 一锄o p + 0 锄r _ l + 廖一歹 ( 2 2 ) a靓v 锄锄。 ( 3 ) 能量守恒方程 下o ( p h o ) + 昙( 册纠= 丢( 盯。) + 毒( 旯詈 + 朋尺+ 刍 莩( r 卜州等 c 2 ( 4 ) 组分方程 昙( 朋f ) + 丢( 肋州= 丢( r ，等) + r ， c 2 削 式中：p 为流体混合物密度；p 为压力；z f ，为i 方向速度；髟为重力；f 为其他阻 力；巧为黏性应力张量；h o 为总焓；m t 组分m 在混合物中的质量分数；f t 组分，的输 运系数；n 组分h 的输运系数；q r 辐射热；r t 是由于化学反应引起的组分z 的产生率。 计算流体力学( c f d ) 是通过计算机数值和图像显示，对包含有流体流动和热传 导等相关物理现象的系统所做的分析。求解上述控制方程，是计算流体力学需要解决的 基本的问题，也是求解缸内燃烧过程的最基本问题。 2 2 离散方法 在对指定问题进行c f d 计算之前，首先要将计算区域离散化。c f d 经过四十多年 的发展出现了多种数值解法，根据离散原理不同，大体分为有限差分法，有限元法和有 限体积法。 有限差分法是应用最早最经典的c f d 方法，它将求解域划分为差分网格，用有限 个网格节点代替连续的求解域，然后将微分方程的导数用差商代替，推导出含有离散点 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上有限个未知数的差分方程，求出差分方程组的解。 有限元法在有限差分法的基础上，采用了变分计算中选择逼近函数对区域进行积 分。有限体积法是将计算区域划分为一系列控制体积，将待解微分方程对每个控制体积 积分得出离散方程，用有限体积法得到的离散方程可以保证具有守恒性，且离散方程系 数物理意义明确，计算量较小，因此近年得到了广泛的应用【3 2 1 。基于有限体积法的上述 优点，本文对柴油机缸内燃烧排放三维数值仿真采用有限体积法。 2 3 柴油机缸内燃烧排放三维数值仿真数学模型的选取 在柴油机缸内燃烧排放的三维仿真计算中，选取适合的数学模型来描述缸内气体流 动，燃烧及排放物生成过程，是能否达到计算目的且具有较高计算精度的关键。柴油机 缸内燃烧排放的三维仿真计算需要选取湍流流动模型、喷雾模型、燃烧模型和排放模型。 2 3 1 湍流流动模型 在内燃机工作循环中，缸内气体充量始终在进行着极其复杂而又强烈瞬变的湍流运 动，故正确模拟湍流的影响是缸内模拟的关键。 2 3 1 1 内燃机缸内湍流流动的特点 在内燃机整个工作循环中，其