（动力机械及工程专业论文）缸内直喷加氢柴油机混合气形成与燃烧过程的数值模拟研究.pdf

中文摘要 中文摘要 能源和环境问题的双重困扰，使得氢能的研究极具意义。氢作为未来最有发 展潜力的能源，国内外的许多研究机构也都致力于其内燃机燃用及双燃料的研究。 柴油机有着较好的经济性和较低的未燃碳氢化合物h c 、一氧化碳c o 排放，而氢 气作为清洁能源，燃烧产物只有水，研究把氢气作为柴油机的燃料具有重大意义。 本文建立了缸内直喷加氢柴油发动机数值计算模型；利用软件a b s o f t 编写 程序实现了对加氢柴油发动机喷氢参数的控制；采用仿真软件s 弘r c d 对缸内直 喷加氢柴油机喷氢过程，柴油喷雾过程以及燃烧过程进行了数值模拟研究。 对加氢柴油发动机喷氢过程进行了数值模拟，研究不同的喷氢角度、不同的 喷氢时刻、不同的喷氢压力以及不同的喷氢量对氢气在加氢柴油发动机缸内分布 状况的影响，总结了相关的规律。 对加氢柴油发动机混合气形成进行了模拟，比较分析了加氢柴油发动机由于 氢气的喷入对缸内速度场，湍动能场以及柴油喷雾粒子等的影响，并分析了不同 的喷氢参数的影响。 对加氢柴油发动机燃烧过程的模拟计算网格进行了重新划分，提出了适合本 研究的网格尺度。通过试验数据对加氢柴油发动机着火模型与燃烧模型进行了选 取，并对相关的参数进行标定，并取得与相关文献中实验数据较为吻合的模拟计 算结果。通过与纯柴油发动机模拟结果进行对比，分析了加氢柴油发动机在喷入 氢气后的相关燃烧特性，并重点分析了相关的喷氢参数与氢气在缸内的分布对着 火以及燃烧的影响。 本文的工作将为今后进一步的模拟研究以及试验分析提供一定的参考。 关键词：加氢柴油发动机；数值模拟；柴油喷雾；燃烧过程 a b s t r a c t a bs t r a c t t h ed o u b l ep u z z l eo fe n e r g ya n de n v i r o n m e n tm a k eag o o ds i g n i f i c a n c eo fh y d r o g e n r e s e a r c h h y d r o g e n , t h em o s tp r o m i s i n ge n e r g y , i sa l s or e s e a r c h e da sak i n do ff u e lf o r e n g i n e t h ed i e s e le n g i n ei sw i d e l yu s e dt h a nb e f o r ea n dh a sg r a d u a l l yb e c o m et h ef i r s t c h o i c ef o ra u t o m o b i l e s ，b e c a m eo fi t sh i g h e rf u e le c o n o m ya n dl o w e rh ca n dc oe m i s s i o n f o rt h eo t h e rh a n d , h y d r o g e ni sak i n do fc l e a n n e s se n e r g y ；i t sc o m b u s t i o np r o d u c t i o ni s w a t e ro n l y t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho ft h ed i e s e le n 画n ea n dh y d r o g e ni ss i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , ac a l c u l a t i o nm o d e lw i t h o u tt h ei n t a k ep o r t sw a sg e n e r a t e d a n d t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o n so fh y d r o g e ns p r a y , d i e s e ls p r a ya n dc o m b u s t i o np r o c e s so f t h eh y d r o g e n a t i o nd i e s e le n g i n ew e r ep e r f o r m e di nt h i sp a p e rw i t hs t a r - c d u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s ，t h eh y d r o g e n sd i s t r i b u t i o ni nt h ec y l i n d e rw a so b t a i n e du n d e r d i f f e r e n ta n g l e so fs p r a yh y d r o g e n , d i f f e r e n tt i m e so fh y d r o g e ns p r a y , d i f f e r e n tp r e s s u r e so f h y d r o g e ns p r a y , a n dd i f f e r e n ta m o u n to fh y d r o g e ns p r a yw a so b t a i n e dt h r o u g hc f d s i m u l a t i o nr e s e a r c h , a n dt h er e l e v a n tl a w sw e r es u m m a r i z e d t h em i x t u r ef o r m a t i o no ft h eh y d r o g e n a t i o nd i e s e le n g i n ew a ss i m u l a t e d , t h ev e l o c i t y f i e l d , t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yf i e l da n dd i e s e lp a r t i c l e so ft h eh y d r o g e n a t i o nd i e s e le n g i n e w e r ea n a l y z e d ，a n dt h ee f f e c t so fh y d r o g e n a t i o np r o c e s sw e r es t u d i e d t h et h r e e d i m e n s i o n a lm e s h e sf o rc o m b u s t i o nw e r eg e n e r a t e d ，i nw h i c hp r o p e r 鲥d r e s o l u t i o na n dt i m ei n c r e m e n t sw e r ec h o s e n t h ei g n i t i o nm o d e la n dt h ec o m b u s t i o nm o d e l w e r es e l e c t e dt h r o u g he x p e r i m e n td a t a , a n dt h er e l a t e dp a r a m e t e r sw e r ec a l i b r a t e d c o m p a r e dw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ep u r ed i e s e le n g i n e sa n dh y d r o g e n a t i o nd i e s e l e n g i n e ，t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r o g e n a t i o nd i e s e le n g i n ew e r es t u d i e d t h ew o r ko ft h i sp a p e rw i l lp r o v i d ear e f e r e n c ef o rf u r t h e rs i m u l a t i o ns t u d i e da n d e x p e r i m e n t k e y w o r d s ：h y d r o g e n a t i o nd i e s e le n g i n e ；d i e s e ls p r a y ；n t i 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 np r o g r e s s 独创性说明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 学位论文作者签名主- 签字日期：功口尸年石月 学位论文作者签名伊 签字日期功口7 年石月 9 l 咿 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：会b 、己 签字日期：2 0 。c 1 年6 月c 1 日 导师签名：i ；髦，苏后 签字日期： 罗年6n ，7 日 致谢 本论文的工作是在我的导师陈淑玲副教授与宁智教授的悉心指导下完成的， 他们严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。二年来，陈淑 玲老师不仅在学习上，在生活中，也给予了我无微不至的关怀，尤其是教会了我 许多做人的道理，在此向她表示衷心的感谢。 宁老师自己的工作非常的繁忙，但每次我去找他他都悉心的给我指导，没有 他的指导与帮助我无法正常的完成自己的论文，在此对他表示衷心的感谢。 由于家庭的缘故，在我的二年学习期间，自己出现了不少心理方面的问题， 李国岫老师多次帮我排疑解惑，帮我解开了心结，在此对他表示真挚的谢意。 在撰写论文期间，姜大海师兄给了我非常多的帮助，不仅无私的为我提供各 方面的条件，还为我的论文提出了很多宝贵的意见，为我指出不少细节上的问题。 在此向他表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，家人的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业， 谢谢你们。 绪论 1 1 选题背景及意义 1 绪论 内燃机诞生至今己有一百多年的历史。内燃机以其较高的热效率、操作方便 等特点一直在诸多领域中被广泛使用。尤其在交通工具方面，内燃机始终处于其 它动力源无法替代的位置。柴油机因具有良好的动力性、经济性和耐久性，在内 燃机的发展中占据着极其重要的地位。柴油机广泛应用于船舶、机车、工程机械 和其他稳定的动力输出设备，尤其是大功率的输出环境，柴油机更是表现出良好 的综合性能瞳1 。但与此同时，由于长期依赖于化石燃料，柴油机不可避免地出现了 各种问题，其中最为突出的问题就是环境问题和能源问题，。 1 1 1 环境问题 人类的生存环境正在受到前所未有的破坏。联合国气候变化政府发表的报告 称：近半个世纪以来，全球气温上升了0 6 0 c h 酗。2 0 0 7 年英联邦第四次评估报告 ( a r 4 ) 表示：2 0 世纪以来全球平均温度上升的主要原因是大气中二氧化硫s 0 2 ，二 氧化碳c o ：等温室气体的浓度上升嘲。影响气候变化的元凶正是人类大量使用石油 和煤炭等燃料使空气中的s 0 2 ，c 0 2 急剧增加，造成了地球变暖和酸雨蔓延。汽车 尾气明显对环境和人产生较大的负面影响，它的排放物包括碳氢化合物h c 、二氧 化硫s 0 ：、二氧化碳c o s 、一氧化碳c o 、氮氧化物n o 。、挥发性有机化合物v o c s 、 多环芳香烃p a h s 和微粒p m 。其中氮氧化物n o , 中一氧化氮n o 的含量占有绝大多数 口儿引。柴油机的排放以氮氧化物n o ；和微粒p m 为主扣1 。根据美国1 9 7 0 年城市大气污 染物来源分类统计表明，城市大气中c o 的8 2 、n o 。的4 8 、h c 的5 8 、氧化硫 的i 3 、微粒的8 均来自汽车排放，随着近年来汽车数量的飞速发展，这个比 例还将会扩大。 汽车排出的n 0 和碳氢化合物在太阳紫外线的作用下，易形成高毒性的光化学 烟雾，使大气能见度降低，引起眼睛和呼吸道感染甚至致癌，直接危害人体健康， 同时也损害植物生长。自1 9 4 3 年美国洛杉机上空首次出现光化学烟雾以来，这种 光化学烟雾污染日趋严重。上海市1 9 9 5 年6 月也曾出现过较大范围的光化学烟雾。 目前，全世界范围对环境问题高度关注，随之而来的是对汽车排放的大量政策和 为法规。1 9 9 7 年美国环境保护机构( e p a ) 修订国家环境空气质量标准( n a a q s ) ， 北京交通大学硕上学位论文 国际健康组织( w h o ) 对大气污染也有相应的法规n 们。世界上主要有美国、欧盟和 日本三大排放标准体系。欧盟重型车用柴油机排放限值如表1 1 所示。 表1 - 1 欧盟重型车用柴油机排放限值1 排放测试实施 排放限值( g k w h ) 动态烟 标准循环年份 c o h c n o 。 p m 度 e c e 欧i 1 9 9 24 51 18o 3 6 一 r 4 9 e c e 欧i i 1 9 9 64 0 1 1 7o 1 5 r 4 9 e s c2 0 0 02 1 o 。6 6 5o 1 - 欧i i i e l r 2 0 0 00 1 8 m 。l 欧2 0 0 5 1 5 0 4 63 5o 0 2 0 。1 5n 1 1 欧v2 0 0 81 50 4 62 o0 0 2o 1 5m 。l 我国柴油机的排放法规参照使用欧盟的标准。1 9 8 4 年颁布了第一个机动车排 放法规，1 9 9 3 年修订了重新颁布，1 9 9 5 年北京等一些大城市相继规定所有尾气排 放达不到国家排放标准的汽车一律不准销售。1 9 9 8 年8 月，北京市环保局签发“关 于贯彻执行轻型汽车排气污染物排放标准的通知，这是目前我国执行最严格的 地方性标准之一，即北京标准。国家环保总局、国家经贸委和科技部于2 0 0 3 年一 月颁布了柴油车排放污染防治技术政策，指出“我国柴油汽车污染物排放控制 目标是：2 0 0 4 年前后达到相当于欧洲第1 i 阶段排放控制水平：到2 0 0 8 年，力争达 到相当于欧洲第1 i i 阶段排放控制水平；2 0 1 0 年之后争取与国际排放水平接轨。 r 1 2 1 1 1 2 能源问题 能源是国民经济的命脉，与人民生活和人类的生存环境休戚相关，在社会可持 续发展中有着重要作用。世界性的能源问题主要反映在能源短缺及供需矛盾所造 成的能源危机。随着人民生活水平的提高，汽车工业的发展，世界的石油消耗量 逐年提高，几乎每隔1 0 年就翻一番，这必然加剧世界能源的短缺与供应紧张。据 估计，全世界已探明的石油、煤和天然气等化石燃料的资源总量大约只够人类使 用1 0 0 多年n 3 n 4 1 。1 9 7 3 年中东战争触发第一次石油危机使西方发达国家受到了极大 的冲击，严重影响了那些国家的政治、经济和人民生活。虽然后来石油市场价格 有涨有落，各国也相继发现和开发了一些新油田，但通过这次世界性的能源危机 2 绪论 的石油冲击，使人们深感石油资源的不足。原有的能源系统不可能长久的维持下 去，时代呼唤洁净的新能源。氢能作为2 l 世纪的理想能源有许多优点。首先它是 清洁能源，其次它可用于储存其他周期性能源，最后它可以方便地进行能量形式 的转化n 引。但是与上述优点相比，氢气还存在着制取成本高和储存运输困难的问 题。研究表明氢能代替化石燃料在技术上是可行的，但目前氢能技术的推广成本 较高，如果未来氢气的制取、运输和储存成本降低或者使用化石燃料的综合成本 升高，则氢气完全可以取代传统燃料n 引。目前化石燃料提供世界上8 0 的一次性能 源，燃料替代过程任重道远n 刀。 1 2 氢气作为发动机燃料的研究现状 1 2 1 氢气作为发动机燃料应用的优势 氢能是一种可以再生的永久性的能源。它可以用各种一次性能源，特别是核 能和太阳能将水直接分解来获得。氢燃烧后产生的水蒸气又可以重新恢复为水， 这种水一氢氧一水之间的永久性循环，使氢成为最理想的能源。 氢是一种清洁的新能源。氢和氧燃烧时生成清洁和无污染的水。由于氢中不 含c 、s 及其他有害杂质，因此它在空气中燃烧时不会产生c 0 2 、c o 、s 0 2 和致癌物质， 它燃烧后产生唯一的有害物为n o 州由于抑制单一有害物要比抑制多种成因复杂的 有害物容易得多，更何况氢燃料内燃机的单机n o 。，排放量并不见得比传统石油燃料争 的单机排放量高很多n 8 1 。 氢是一种有效的用途广泛的能源。现有燃烧石油燃料的汽车发动机，稍加改 动就可以燃烧氢或掺烧氢。它也是一种高效的能源，若以储量丰富的煤为例，l t 煤 可以经过不同途径产生燃料，当它分别产生氢、甲醇、电、汽油用于驱动汽车时， 可以使汽车分别行驶1 0 3 0k m ，8 7 3k m ，7 7 2k m ，7 0 8 k m 。由此可见，氢燃料汽车 发动机的效率可高于汽油机4 5 5 。当氢能传输时，它的长距离管线输送能耗仅为 电力超高压输送能耗的5 0 u 引。 实际上，内燃机非常适合于从燃用化石燃料过渡到燃用氢，而且它能够以较 少的花费实现双燃料发动机的目的。关于氢气在内然机中的掺烧或者混燃的研究， 国外很多学者做了这方面工作。有文献啪1 详细介绍了将一台柴油机改装成氢一柴 油双燃料发动机使用的全过程，分析了热效率、排放特征，还介绍了燃料供给， 异常燃烧的解决办法等。p e rt u n e s e a l 等人在进行氢气和天然气掺烧时发现， 扩展天然气发动机稀薄燃烧极限的一种方法是在原来的燃料中添加氢气口。还有 人将氢气用于改善植物油发动机的燃烧瞳钉。 北京交通人学硕士学位论文 现在最常见的是氢作为汽油机的部分代用燃料，下面给出介绍。 氢气具有点火能量低( o 0 2 m j ) ，火焰传播速度快( 比汽油的快5 - 9 倍) ，可燃界 限宽( 理论上空气过量系数0 1 5 - 1 0 ) 等特点，所以，向汽油中掺入一部分氢气，可 使汽油发动机燃烧着火延迟期大大缩短，火焰传播速度加快，燃烧持续期缩短。 氢在燃烧时释放出o h 、h 、o 等活性中心，可大大地促进燃烧速度，抑制爆燃。这 样一来便可提高发动机的压缩比，从而提高热效率。 g f o n t a n a 和他的助手们在部分载荷下进行了汽油机中添加氢气的燃烧运行， 发现氢气和汽油可以在内燃机里以一个相当宽的混合比例燃烧。并且发现，添加 少量的氢气几乎可以在所有的汽油当量比下增加火焰速度，因而使发动机在空气 一汽油混合的稀薄燃烧下成为可能口引。+ 氢作为汽油机的掺烧燃料，可以大大改善汽油机的性能和排污。从文献瞳钔中 所得结论中看出： ( 1 ) 汽油机掺氢燃烧后热效率明显提高。而且，负荷愈低时，热效率升高 愈多。在低负荷时，掺氢燃烧后，不仅提高了汽油机工作的稳定性，消除了失火 减少了循环波动率。而且能使此时的热效率提高4 0 - 5 0 。这是因为氢点火所需的 能量低，燃烧界限比汽油宽，可稀燃的程度比汽油大，火焰传播速度比汽油快， 燃烧速度快，燃烧定容度好，过后燃烧少。这一切都使汽油机的热效率提高，油 耗( 含气耗，以折合能量计) 率降低。 ( 2 ) 汽油机掺烧氢后，c o 排放率大大下降。这一方面是氢不含碳，本身燃 烧后不产生c o ，另一方面，氢促进了c o 进一步燃烧成终产物c 0 2 。c o 生成的三要素是 低温、缺氧和反应时间不足。汽油机掺氢燃烧缩小了低温区和低温程度，促进了 燃烧的均匀性，减少了混合不均匀而导致的局部缺氧，提高了燃烧等容度，减轻 了过后燃烧。这一切均能减少c 0 的生成。 ( 3 ) 汽油机掺氢燃烧后，n o ，也是下降的。而且，负荷愈大，下降愈多。这 是因为汽油机掺烧氢后，混合气形成和燃烧的均匀性提高，局部高温和局部富氧 的情况得到改善。另外，促进稀燃也能降低n o 。的排放。但是，如果掺氢量过高， 混合气又较浓，点火提前角不适当，则掺氢燃烧后，n o ，也有可能并未下降，甚至 上升。 1 2 2 氢用于内燃机的国外研究现状 2 0 世纪后期以来，美国、德国、日本和俄罗斯等国家对氢气燃料发动机的研究 热潮逐渐兴起，持续至今。 4 绪论 最先提出和研究氢气发动机的是英国人里卡图，当时他提出氢气可以用很稀 的混合比燃烧，热分解和冷却损失少，热效率高，但是由于当时没能解决大负荷 时的异常燃烧，进气管回火现象未能很好地排除，故其氢气发动机没能彻底完成 衢 o 美国迈阿密大学开发的一种只有在进气门打开时才能把氢气吸入燃烧室的装 置，它的基本出发点在于防止氢气与空气在进气管混合好，而在吸入气缸时产生 向进气管回火的毛病。该装置可能对此有一定作用，但解决不了空气充量过低所 造成的功率低的问题。日本武藏工业大学开发了定时向进气管送氢气的氢气发动 机。这也是一种预混合方式，它必须很准确地选择好喷射时间，但这种结构很难 保证不产生进气管回火。日本京都大学研制了单缸涡流室式压燃式氢气发动机。 其出发点是想使燃料在喷射的同时使之燃烧，但由于氢气的自燃温度比柴油高很 多，该系统采用了电热塞点火方式。由于喷嘴漏气而起到了部分的预混合作用， 因此得到的压力升高率较小，后来在氢、氧的混合气中加入了氩气， 由于氩气的 比热很高，压缩压力和温度都得到提高，从而实现了柴油机式的燃烧过程，取得 了满意的结果啪1 。 最新的进展是德国宝马汽车公司对采用氢气燃料发动机汽车产品已进行了1 0 年的开发，多次展出自己研发的氢气燃料汽车，2 0 0 3 年已有多辆宝马牌7 5 0 h e 型氢 气燃料发动机汽车在柏林市投入使用。美国福特汽车公司同时进行氢动力汽车和 燃料电池汽车的研发，2 0 0 4 年1 0 月1 2 日发布了据称是世界上最清洁的氢气内燃发 动机。日本武藏工业大学和日产汽车公司长期合作不断将液氢发动机汽车的研究 推向新的高度。美国通用汽车公司在致力于氢气燃料电池汽车的同时，也开始支 持氢气发动机汽车的研究。 此外，把氢气作为双燃料发动机燃料的研究近年来也取得不少进展。美国宾 夕法尼亚州立大学的m a t t h e wg s h i r k 等人对进气管喷射氢气的小型柴油机进行 了稳态和道路工况的实验研究。研究表明，在稳态工况下，添加少量氢气( 能量 密度比在o 1 0 ) 没有对发动机运行造成不利影响，随着氢气量的增加，n 0 ，的排 放量略有减少，排气温度略有上升，效率变化不大；在u d d s 5 0 5 的道路工况测试 下，氢气的添加没有对汽车的操纵性能造成不利影响，而且随着氢气量的增加， n o 。的排放量略有减少，排气温度略有上升，但效率略有下降。文章指出氢气的掺 烧可以减小交通运输对化石燃料的依赖。 印度的s a r a v a n a n 等人对氢气柴油发动机进行了实验研究。研究发现，与纯 柴油发动机相比，氢气柴油发动机在低负荷时，微粒和n 0 ，排放有较大幅度的降 低，同时发动机热效率有所提高；但在高负荷时，氢气柴油发动机的n o 。排放会 有所增加。与此同时，印度的m m a s o o d ，m m i s h r a t 等人应用c f d 软件f l u e n t 北京交通人学硕士学位论文 和理论推导对氢气柴油发动机进行了数值模拟，c f d 的分析结果预测，加入氢气 后的燃烧速率比纯柴油要高2 3 ，在低氢气掺烧比的情况下，n o 。的排放比纯柴油 高3 3 。 1 。2 3 氢用于内燃机国内研究现状 我国对氢能的开发和应用起步较晚，但发展速度比较迅速。1 9 8 4 年我国成功 地发射了使用液氢燃料的通讯卫星运载火箭。北京石油大学在制氢研究方面，南 开大学、浙江大学在金属氢化物储氢和镍氢电池的研究，中国科学院大连化学物 理所在燃料电池的研究，中国科学院沈阳金属材料所在纳米材料储氢方面的研究 均有良好的发展。浙江大学、天津大学、上海交通大学等在氢一汽油、氢一柴油双 燃料发动机研究中也取得不少成果乜8 儿2 9 1 瑚1 。2 0 0 3 年由清华大学，中国科学院沈阳 金属材料研究所联合全国有关高等学校、科研院所申报国家9 7 3 重大基础研究项目 “氢能的开发和应用，该项目业已获得国家批准，拟投资3 0 0 0 万元。2 0 0 0 年6 月 第十三届世界氢能会议首次在我国北京举行，美、日、德、俄、英、法、中等3 2 个国家的近4 0 0 名科学家出席了会议。会议取得了圆满的成功，这些无疑将推动和 继续推动我国氢能事业的发展。 浙江大学、天津大学、华中理工大学等在氢气汽油、氢气柴油双燃料发动 机研究中取得不少成果盥。天津大学研究了加氢对柴油c n c 双燃料发动机排放和 经济性的影响，发现随着加入氢气比例增大，h c 和c 0 的排放量减少，n 0 ，的排放 量上升；对经济性的影响则有一个最佳匹配问题。北京交通大学近年来对氢气柴 油发动机进行了很多的实验和模拟研究口2 儿矧。其中，申伟通过台架试验研究了进 气加氢柴油机的燃烧特性和排放特性，通过整理试验数据，发现进气加氢柴油机 加入氢气后当量有效燃油消耗率高于燃用纯柴油时的有效燃油消耗率；通过进气 道喷射氢气可以有效地减少柴油机的碳烟和一氧化碳的排放量；加入氢气后，在 低负荷区域，进气加氢柴油机氮氧化物n o 。的排放量减小，缸内压力降低。在高负 荷区域，进气加氢柴油机氮氧化物n o ，的排放量增大，缸内压力升高。宋云超应用 k i v a 对氢气柴油混合气形成和燃烧过程进行了初步的三维模拟，得出了很多有理 论参考价值的结论。 目前，以宝马、通用与丰田这样的汽车大公司为代表，确定了优化现有发动 机一混合动力一氢动力3 步走的技术发展路线。通用更提出了5 7 年重新定义汽 车，7 1 5 年重新定义汽车行业的宏图大略。据介绍，“十一五”期间，我国汽车 产业的发展将实施“两大战略 。一是汽车清洁环保技术的过渡战略，优化现有 的车用能源动力系统，发展节能汽车。二是开发新一代的车用能源动力系统，发 6 绪论 展新型能源技术，最终实现清洁环保汽车的发展。 现在我国氢能源经济的发展也将分阶段推进m 1 ： ( 1 ) 应用并部署氢燃料站和氢燃料汽车，开发散布式供氢系统。 ( 2 ) 对氢燃料实行大规模化制作，使其进入商品化运作和供应渠道，建设地 区性氢能网络。 ( 3 ) 利用并部署可再生资源和核能的氢生产，建设和启用管道网等氢能基础 设施。 ( 4 ) 氢能应用不仅在运输方面，在居民生活领域也占主导地位，氢能成为与 电同等重要的终端使用能源。 由此可见，我国已经推开了氢能走向社会可持续发展的机遇之窗，在向氢能 源过渡的过程中氢气发动机将会具有美好的发展前景。 1 3 内燃机工作过程的数值模拟研究 1 3 。1 数值模拟研究的优势与不足 对内燃机工作过程进行数值模拟已经有三十多年的历史了。七十年d i w a k e r 、 b o n i 等人就开始计算缸内的二维流场，进入八十年代，随着测试技术的发展，尤 其是激光测试技术的应用，人们对内燃机缸内流场的变化规律有了更深入的了解， 而计算机技术、计算流体力学、传热传质学等相关学科的进步，又为建立适当的4 内燃机计算模型提供了有力的工具。因此近年来多维数值模拟技术发展得很快， 在湍流模型的应用、网格的生成、数值方程的离散化和方程组的解法等方面都得 到了很大的进展，已成为理解发动机工作过程的有力工具一】。 数值模拟或理论计算的优点是：( 1 ) 成本低。用计算的方法进行预测的最重 要的优点是它的成本低。在大多数实际应用中，计算机运算的成本要比相应的实 验研究的成本低好几个数量级。随着所要研究的物理对象变得愈来愈大，愈来愈 复杂，这个因素的重要性还会不断增长。( 2 ) 速度快。计算机计算研究能以极其 惊人的速度进行。一个设计者可以在不到一天的时间内研究数百种不同的方案， 并从中选择出最佳的设计。另一方面很容易想像得到，相应的实验研究将需要非 常多的时间。( 3 ) 资料完备。对一个问题进行计算机求解可以得到详尽而又完备 的资料。它能够提供在整个计算域内所有的有关变量( 如速度、压力、温度、浓 度及紊流强度) 的值。与实验的情况不同，在计算中几乎没有达不到的位置、也 不会遇到由传感器引起的流场扰动的困难。显然不可能期望实验研究能够测出整 个计算域内所有变量的分布。正因为如此，就是在作实验的时候，同时求得计算 7 北京交通大学硕士学位论文 机的伴随解来补充实验资料也是很有价值的。( 4 ) 具有模拟真实条件的能力。在 理论计算中，可以很容易地模拟真实条件。不需要采用缩小的模型或冷态流动模 型。就一个计算机的程序而言，无论是具有很大或很小尺寸的物体，不论是处理 很低或很高的温度，也不论是控制有毒或易燃的物质，还是跟踪很快或很慢的过 程，都几乎不会有任何困难。( 5 ) 具有模拟理想条件的能力。人们有时用预测的 方法来研究一种基本的物理现象，而不是一个复杂的工程问题。在研究某种现象 的时候，人们希望把注意力集中在几个基本的参数上而要设法消除所有无关的因 素。因此人们希望实现若干理想化的条件，例如：二维状态，常密度，一个绝热 的表面，或是无限的反应速率等。在计算中，人们很容易而又准确地给定这样的 一些条件。相反，即便是很小心地安排的实验也很难近似做到这样理想化的条件。 理论计算所具有的一些优点足以激发人们热衷于计算机分析。但是，理论计 算也有其缺点：( 1 ) 计算结果取决于数学模型。计算机分析算出的是蕴含在数学 模型中的结果，所用的数学模型的适应程度限制着计算的效能。如果所采用的数 学模型不合适，那么，即便是一个完善而又令人满意的数值方法，也只能产生毫 无价值的结果。( 2 ) 计算结果需要实验验证。否则，我们将无法确定计算结果与 真实结果之间到底接近到什么程度。在这种情况下，进行实验验证是极有必要的。 无疑，实验方法是研究一种新的基本现象的唯一方法。从这个意义上讲，实验在 前而计算在后。所以，最佳的预测过程应当是计算与实验的恰当的结合h 0 | 。 1 3 2 三维数值模拟软件 目前比较有代表性的内燃机三维数值模拟计算程序主要有：奥地利a v l 公司 的f i r e 、英国r i c a r d o 公司的v e c t i s 、英国帝国理工学院的p h o e n i c s 、美国 l o s a l a m o s 国家实验室的k i v a 以及f l u e n t 、s t a r c d 、f i d a p 、p o w e r f l o w 、 s c r y u 、c f x - 5 等商用计算程序。这些软件各有千秋，大部分软件在专业人员使 用下，其模拟计算误差可以控制在1 5 以内。据一位日本学者的计算比较，在使 用最优化网格的情况下，f i r e 、s t a r c d 、f i d a p 等软件缸内流动模拟结果的误 差可以控制在3 以内。 s t a r c d 这一软件名称的前半段系英语s i m u l a t i o no ft u r b u l e n tf l o w i n a r b i t r a r yr e g i o n 的缩写，连字符后的c d 是开发商c o m p u t a t i o n a ld y n a m i c s l t d 的简称。这是基于有限容积法的一个通用软件。在网格生成方面，采用非结构化 网格，单元的形状可以有六面体、四面体、三角形截面的棱柱体、金字塔形的锥 体及六种形状的其它多面体。它可以与目前通用的c a d c a e 软件相连接，如 a n s i s ，i - d e a s ，n a s t r a n ，p a t r a n 等。s t a r c d 还可以处理滑移网格的问 绪论 题，可用于多级透平机内的流场计算。在差分格式方面，纳入了一阶迎风、二阶 迎风，中心差分，q u i c k 格式以及将一阶迎风与中心差分或q u i c k 等掺混而成 的混合格式。在压力与速度藕合关系的处理方面，可选择s i m p l e ，p i s o 以及称 之为s i m p i s o 的算法( 一种借用了p i s o 算法中处理非正交坐标系中压力梯度 项处理方法的s i m p l e 算法) 。其中s i m p l e 及s i m p i s o 适用于稳态，而p i s o 可用于稳态及非稳态计算。在处理边界条件方面，可以处理给定压力的边界条件， 周期性边界，辐射边界等复杂情形。在湍流模型方面纳入了标准k 、r n gk 及c h e r t 氏k 等湍流模型。应用这一软件可以计算稳态与非稳态流动，牛顿 流体及非牛顿流体的流动，多孔介质的流动，亚音速及超音速的流动，涉及导热、 对流与辐射换热的流动问题，涉及化学反应的流动与传热问题及多相流( 气液， 气固，固液) 的数值分析。因其计算和分析时间短，所需内存容量小，且可以自 动生成非结构化网格，目前广泛应用于发动机定常流、喷雾燃烧、冷却水等领域 的分析。 作为a v l 公司的发动机专用三维模拟软件f i r e 依靠其强大的试验能力的支 持，最近发展也相当快。 k i v a 软件是发动机缸内分析专用软件，广泛应用于内燃机多维燃烧模拟的研 究。k i v a 系列的源程序给人们进行燃烧过程的数值模拟研究提供了一个现成的框 架和基础，人们可以将自己的需要和新建模型加入到该程序进行研究。与f i r e 相 比，k i v a 网格生成能力差，但利用子程序便于进行深入研究。而f i r e 前后处理、 网格能力强，通用性好。近年来，以上软件都得到了迅速发展，并已在世界各 地得到了广泛的应用，取得了与实验结果比较吻合的计算结果，显示了较强的预 报能力，对内燃机的研制、开发、设计及实验研究很有启示作用和参考价值。 本文拟选择s t a r c d 作为本次模拟研究的基本平台，主要原因如下。 s t a r c d 最初是由流体力学鼻祖一英国帝国理工大学计算流体力学领域的 专家开发的，他们根据传统的流动及传热基础理论，合作开发了基于有限容积算 法的非结构化网格计算程序。在完全不连续网格、滑移网格和网格修复等关键技 术上，经过来自全球的知名学者的不断补充与完善，目前已成为同类软件中的佼 佼者。s t a r - c d 的前、后处理过程简单便捷，分析计算流程清晰明了，可与各 种c a d 、c a e 系统对接进行数据套用，采用高速而可靠计算技术，并拥有大规 模并行计算能力。最新湍流模型的推出使得其在计算的稳定性、收敛性和结果的 可靠性等方面又得到了显著的提高。 s t a r c d 的前后处理软件包称为p r o s t a r ，p r o s t a r 集成了建模、求解 与后处理所必需的各种工具。其面向过程的、易用的用户界面和计算导航器 ( n a v c e n t e r ) 使其成为模拟各种流动时强大而方便的工具。s t a r c d 核心解算器 9 北京交通人学硕上学位论文 称为s t a r ，s t a r 是基于完全非结构化网格和有限容积方法的核心解算器，具 有丰富的物理模型、最少的内存占用、良好的稳定性、易用性、收敛性和众多的 二次开发接口。 为了在最短的时间内灵活生成针对复杂几何形状的最佳网格，s t a r c d 拥有 功能强大的前处理网格工具软件包p r o a m 。p r o a m 通过使用“单元修整技术” 生成高质量的、与s t a r c d 完全相容的多面体网格，这些多面体单元与经典的 c f d 单元结合，最终形成内部以六面体网格为主，近壁采用分层结构的总体网 格拓扑结构。这种结构在单元数目接近于传统的完全六面体网格的情况下，更好 的适应复杂计算边界的要求，而且网格生成速度快、质量更高，更有利于计算的 准确性和收敛性。 针对内燃机缸内流动和燃烧过程中动网格生成的难题，s t a r c d 提供了内燃 机运动网格专用生成工具e s i c e 。e s i c e 是基于参数模板的软件包，其基本思路 是通过选取合适的参数生成模板，然后将几何形状映射到模板上，使模板形状完 全吻合用户所要的几何形状，通过对模板的操作，自动生成网格并对网格内部节 点重新分布，自动生成网格运动所需的e v e n t 文件及求解计算时s t a r - - c d 所 需的文件，从而大幅度减少用户的工作量。 由于s t a r - c d 具有独特的网格生成技术、强大的解算能力以及适用于发动 机工作过程模拟的专用模块，可以满足对发动机复杂网格处理的需求，并且可以 与其它外部程序进行耦合，因此本文选择它作为缸内直喷加氢柴油发动机多维数 值模拟研究的基本平台。 1 4 本文主要工作 本课题依托于汽车安全与节能国家重点实验室开放基金项目和国家自然基金项目： 预混合氢气柴油发动机混合气形成与燃烧过程的研究。 本文的主要研究目的在于运用专业的发动机三维仿真软件s t a r - c d 对缸内直 喷加氢柴油发动机的喷氢过程，混合气形成过程以及燃烧过程进行三维数值模拟 计算，研究不同的喷氢策略对加氢柴油发动机氢气在缸内的分布，缸内混合气形 成以及燃烧的影响。 本文的的主要工作内容包括： ( 1 )查阅资料，探索内燃机工作过程的数值模拟模型，确定适合加氢柴油 发动机的湍流模型，喷雾模型，着火模型和燃烧模型。 ( 2 )利用e s i c e 软件制作加氢柴油发动机的计算网格，并进行计算。探索加 氢柴油发动机喷氢，柴油喷雾以及燃烧这些动态过程的仿真方法。 1 0 绪论 ( 3 )利用软件a b s o f t 编写控制氢气喷射的程序，导入s t a r c d 中实现不 同控制参数下氢气的可控喷射。 ( 4 )对加氢柴油发动机喷氢过程进行多维仿真计算，研究不同的喷氢方案 时氢气在缸内运动以及分布状态，并总结出相关的规律。 ( 5 )对加氢柴油发动机柴油喷雾过程进行多维仿真计算，分析不同的喷氢 方案下缸内流体的状态以及柴油喷雾蒸发的情况。 ( 6 )对加氢柴油发动机着火燃烧过程进多维仿真计算，分析氢气喷入后对 着火燃烧过程的影响。 北京交通大学硕上学位论文 2 缸内直喷加氢柴油机计算模型的建立 发动机流场及燃烧过程的数值模拟是根据化学流体力学的基本原理，用一系列 经典的守恒偏微分方程描述缸内的流场结构及燃烧过程，并利用数值计算方法对 这组方程在特定边界条件下进行数值求解，以获得缸内流场及燃烧过程的详尽信 息，如缸内充量的速度、温度、浓度、压力和各组分的分布，并预测发动机的性 能和排放。本章将首先建立缸内直喷加氢柴油发动机的物理模型，然后对本文模拟 选用的数学模型进行探讨，最后划分计算网格，确定边界条件。 2 1 物理模型 2 1 1 喷氢方案的选择 加氢柴油机的氢气的供给方式和控制系统对发动机的综合性能的提高起到了 至关重要的作用，而供气方式的选择则直接影响到控制系统的控制形式，所以供 气方式的选择是加氢柴油机改装技术中一个十分重要的环节。 ( 一) 喷氢方式对比 氢气和空气混合气的形成方式主要有外部混合和内部混合两种方式【4 1 j 。 ( 1 ) 外部混合 外部混合是指在燃烧室外形成氢气和空气的混和气，氢气和空气外部混合又 可称为预混合，是将氢气与空气在燃烧室外的混合器或者进气总( 歧) 管混合或 部分混合后供给发动机使用。氢气和空气外部混合可分为进气管混合器供气方式 和进气管间歇喷射方式。进气管混合器供气方式：通过安装在进气总管上的混 合器将氢气和空气的混合气送入发动机，混合器的燃气压力由与加速踏板相连接 的机械装置控制，使满负荷时氢气压力最大，低负荷时氢气压力最小：或者通过 机械装置控制供气管道中的阀门开启角度来调节供气量。这种方案由于其供气装 置简单，但是由于无法进行闭环控制，难于精确地控制氢气量，因而难于达到较 高的排放控制水平。进气管间歇喷射方式：进气管间歇喷射方式是将氢气引至 进气总管或进气口处，燃气控制系统利用氢气喷射阀来实现控制。装有高速电磁 阀的喷射阀采用脉宽调制控制方式，依照电控单元的指令定时向相应缸的进气管 喷射氢气。喷出的氢气与进入发动机的新鲜空气混合进入气缸。这种系统采用喷 射阀直接向进气口喷射氢气，分别测量空气和气体燃料的流量，且在各种工况下 1 2 缸内直喷加氢柴油机计算模型的建立 都能精确地计量，从而在整个使用期内可以保持高精度和高稳定性。由于可以严 格控制气体燃料喷射量和喷射始点与进排气门及活塞运动的相位关系，易于实现 定时供气及层状供气，并可根据发动机转速与负荷更准确地控制空燃比：同时， 电子控制的灵活性和高速处理能力使其可以根据发动机运行工况的变化，使发动 机按合理的方式运行，从而取得良好的排放性能。 ( 2 )内部混和 内部混和是指直接向燃烧室内喷射氢燃料。燃料经气缸盖上的高压燃料阀( 喷 嘴) 直接喷射入气缸内，并与空气混合形成可燃混合气，工作原理类似于柴油机的 燃油喷射。燃烧室内的氢气高压直喷，能有效地提高功率和动力性能，并极大地 减小异常燃烧现象( 如回火) ，同时减少有害物的排放，是氢发动机燃料供给的发展 方向。这种方式的困难之处主要是高压氢气喷嘴的设计制造问题。氢气和空气内 部混合有以下2 种喷射方式：在压缩行程早期低压喷射：这种方案对喷氢系统 要求比较低，可以有效地避免回火，但由于燃料喷射较早，容易发生早燃，因此 也不能采用较高的压缩比。如果喷射的是5 0 0 c 低温液态氢，可使其功率比同类汽 油机提高2 0 ，如果在室温下喷射气态氢，则容易发生早燃，其功率也降至同类 汽油机水平。在压缩行程后期将高压氢喷人燃烧室内：一般是在上止点前1 0 0 到4 0 u 曲轴