（动力机械及工程专业论文）废气再循环增压中冷柴油机氮氧化物排放的仿真研究.pdf

摘要 在能源危机和环境保护的压力下，人们对柴油机的性能和排放的要求也越来 越高，而柴油机燃烧过程的好坏对其性能及排放有着至关重要的影响。废气再循 环技术作为降低柴油机氮氧化物最有效的措施之一，在国外已经成为了一项比较 成熟的技术并应用于发动机上。本文在6 n 增压中冷柴油机基础上，增加了废气 再循环系统，并应用计算流体动力学软件对其进行仿真研究。 首先利用g t - p o w e r 软件建立了增压中冷柴油机的模型，并将仿真结果与实 验结果对比，结果表明，仿真结果与实验结果基本吻合。基于此模型，设计了不 同尺寸的文丘里管，通过相关实验，研究了不同文丘里管对再循环气体的引射能 力的影响，从中选择出最佳的文丘里管参数。在此基础上，改变喷油定时和e g r 阀的开度，研究发动机的性能随着这些参数的变化情况，结果显示：喷油提前， 发动机的功率增加，但是n o x 排放量也增多。e g r 阀开度增大，e g r 率上升， 进气温度升高，n o x 排放降低。 利用s t a r - c d 建立了该柴油机燃烧室的三维仿真模型，对缸内工质的流动 速度、燃油浓度、温度分布和n o x 排放物生成过程进行了数值模拟。此外，研 究了涡流强度和喷孔直径对柴油机燃烧过程以及n o x 排放的影响。研究结果表 明：燃烧室凹坑的偏置导致周向的涡流强度不均，进而影响各喷孔燃油束与空气 的混合速度，最终影响高温区域和n o x 的生成。一定强度的涡流比，能强化喷 射到燃烧室壁面上燃油的蒸发，但是会导致高的n o x 排放；涡流比过大时，燃 油被局限在燃烧室凹坑内，火焰无法向燃烧室外发展，这样会导致碳烟排放增加。 喷孔直径减小，使燃油雾化效果好，对降低碳烟排放非常有效，但是会导致n o x 排放增加。 关键词：增压中冷柴油机废气再循环文丘里管n o x 排放数值模拟 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gw o r l d w i d ec o n c e r no v e re n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，p e o p l er e q u e s tm o r es t r i c tl e v e lo ft h ed i e s e le n g i n e sp e r f o r m a n c ea n dt h e e m i s s i o n s ，w h i c ha r ee n o r m o u s l yi n f l u e n c e db yt h ec o m b u s t i o np r o c e s so f t h ee n g i n e s a so n eo ft h em o s te f f e c t i v em e t h o d st h a tr e d u c en o xe m i s s i o n so fd i e s e le n g i n e s ， e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e c o m eam a t u r et e c h n o l o g yo v e r s e a s ，a n di t h a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e do nd i e s e le n g i n e s t h i sp a p e rw a sb a s e do na6 n t u r b o c h a r g e di n t e r - c o o l e dd i e s e le n g i n et ow h i c ha l le x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o ns y s t e m w a sa d d e d ，a n dan u m e r i c a ls i m u l a t i o no fi t sc o m b u s t i o np r o c e s sw a sc a r r i e do u t u s i n gac o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sc o d e ag t - p o w e rs i m u l a t i o nm o d e lo ft h et u r b o c h a r g e di n t e r - c o o l e dd i e s e le n g i n e w a sc o n s t r u c t e d , a n dt h e nt h em o d e lw a sa d j u s t e db yc o m p a r i n gt ot h ee x p e r i m e n t d a t ao ft h ee n g i n e b a s e do nt h em o d e l ，s e v e r a lv e n t u r i so fd i f f e r e n ts i z ew e r e d e s i g n e da n da d d e dt ot h ed i e s e le n g i n er e s p e c t i v e l y a n dt h e nt h eb e s tp a r a m e t e r so f v e n t u r i sw e r ec h o s e nt h r o u g hc a r r y i n go u tt h ee n g i n ee x p e r i m e n t sa n da n a l y z i n gt h e i n f l u e n c eo ft h ev e n t u r i so nt h er e c i r c u l a t i o ng a si n j e c t i o na b i l i t y o nt h i sb a s i s ，t h e e n g i n ep e r f o r m a n c ew a si n v e s t i g a t e dw i t hd i f f e r e n ti n j e c t i o nt i m i n g sa n dt h ee g r v a l v el i f t s t h er e s u l ts h o w st h a ti ft h ei n j e c t i o nt i m i n ga d v a n c e d ，t h eb r a k ep o w e ro f e n g i n ei n c r e a s e s ，a n dt h en o x e m i s s i o na l s oi n c r e a s e s e g rr a t ei n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n go f t h ee g rv a l v el i f t ，r e s u l t i n gi nt h ei n c r e a s eo ft h ei n t a k eg a st e m p e r a t u r e a n dt h ed e c r e a s eo ft h en o xe m i s s i o n s at h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e rw a se s t a b l i s h e db y s t a r - c dc o d e b a s e do nt h em o d e l ，t h ef l o wp a t t e r no ft h ei n c y l i n d e rc h a r g e ，t h e d i s t r i b u t i o no ff u e lc o n c e n t r a t i o n , t e m p e r a t u r ea n dt h ef o r m a t i o no f n o xw e r es t u d i e d i na d d i t i o n , t h ee f f e c t so ft h es w i r lr a t i oa n dt h ed i a m e t e ro ft h en o z z l eh o l eo nt h e c o m b u s t i o np r o c e s sa n dt h en o xe m i s s i o n sa l s ow e r ei n v e s t i g a t e d r e s e a r c hr e s u l t i n d i c a t e st h a tt h eo f f s e to ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e r1 e a d st ot h eu n e v e n n e s so ft h e v o r t e xi n t e n s i t yn e a rt h ew a l lo ft h ep i s t o nb o w l ，a n di ta f f e c t st h em i x i n gr a t eo ft h e f u e ls p r a ya n da i r a sar e s u l t ，i ta f f e c t st h es i z ea n dd i s t r i b u t i o no fh i g ht e m p e r a t u r e r e g i o n sa n dt h ef o r m a t i o no fn o x i n c r e a s i n gt h ei n t e n s i t yo fi n t a k es w i r lc o u l d i m p r o v et h ee v a p o r a t i o nr a t eo ft h ef u e lo nt h ew a l lo ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e r , b u t t h en o xe m i s s i o ni n c r e a s e s i ft h es w i r lr a t i oi st o oh i 曲，t h es p r a ya n df l a m ea r e c o n f m e di nt h ep i s t o nb o w l ，a n di tw o u l di n c r e a s es o o te m i s s i o n w i t ht h ed e c r e a s eo f t h ed i a m e t e ro ft h en o z z l eh o l e ，t h ef u e la t o m i z a t i o nw o u l db ei m p r o v e d ，a n di ti sv e r y e f f e c t i v et or e d u c et h es o o te m i s s i o n ，b u ti m p o s e sa p e n a l t y o l lt h en o xe m i s s i o n s k e y w o r d s ：t u r b o c h a r g e di n t e r - c o o l e dd i e s e le n g i n e ，e x h a u s tg a s r e c i r c u l a t i o n , v e n t u r i ，n o xe m i s s i o n , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 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，也不包含为获得墨鲞盘鲎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：态车毛鞠 签字日期： 。c 1 年6 月 f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨凄太堂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：套毒色朝 导师签名： 签字日期： o ( 1 年6 月1 日 签字日期：三一7 年月日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 8 9 2 年德国工程师鲁道夫狄塞尔( r u d o l fd i e s e l ) 获得了柴油发动机的 发明专利，并且在1 8 9 7 年制造成功了四冲程柴油机。此后一百多年来，柴油机 作为所有内燃机中效率最高的一种动力装置，以其优良的动力性、经济性和耐久 性广泛应用于各类汽车、船舶、机车、军用装备、工程机械等领域。近些年来， 尤其是在1 9 7 3 年和1 9 7 7 年两次世界性石油能源危机后，轿车也开始向节省燃料 的小型车方向发展。而柴油机是目前被产业化应用的各种动力机械中最节能的机 器，在应用中受到青睐。在欧洲，约2 0 的轿车、9 0 的商用车都是柴油车；我 国也在顺应这个趋势，积极地发展柴油乘用车市场【l 韧。 内燃机增压技术是目前发动机强化中最有效的手段之一。它通过增加每循环 吸入气缸内的空气量，从而增加循环供油量，提高了输出功率。与此同时，它还 改善了柴油机的经济性，降低了发动机比质量和废气中的有害排放物，同时降低 了排烟，节约了原材料。目前，绝大部分的大功率柴油机、半数以上的车用柴油 机以及相当比例的高性能汽油机均采用了增压技术。但是增压后进气温度提高， 同时燃气中氧含量增加，导致了增压发动机的氮氧化合物( n o 。) 排放量增加。 现代车用发动机广泛采用增压中冷技术，即在增压后用中冷器对进气进行冷却， 这样降低了柴油机的热负荷，同时又进一步提高了空气密度，从而可以更加强化 功率密度，同时降低最高燃烧温度，减少n o ；的生成。 柴油机排放的n o 。中主要是一氧化氮( n o ) ，但是n o 排入大气后又氧化成 了二氧化氮( n 0 2 ) ，这种气体被吸入肺部时，能与肺部的水分结合生成可溶性 硝酸，有刺激作用，严重时会引起肺气肿。n 0 2 在强烈的日光下会发生光化学反 应，形成二次污染，因此要予以重视【3 】。废气再循环技术( e g r ) 对降低柴油机 中小负荷时n o 。的排放效果显著。其作用机理为：将一部分废气导入燃烧室， 增加燃烧室内气体的热容( 废气中的二氧化碳c 0 2 和水蒸气h 2 0 为三原子分子， 热容较大) ，降低燃烧气体的最高温度，从而抑制n o 。的排放。目前，e g r 技术 已经在增压柴油机中得到较多应用。 第一章绪论 1 2 内燃机的排放及控制 内燃机使用的燃料普遍是碳氢化合物燃料，当它在燃烧室内完全燃烧时，若 不考虑其中的微量元素( 如硫s ，氮n ) ，将只产生二氧化碳和水蒸气。在过去 的排放法规中，这两种物质都不算是污染物，对人体没有伤害。但是由于含碳化 石燃料的大量应用，使地球的碳循环失去了平衡，引起了“温室效应 ，因此控 制二氧化碳的排放也引起了人们的关注。 在内燃机的实际运行时，转速很高，燃料的燃烧过程时间很短，燃料与空气 不可能混合地完全均匀，这样燃料的氧化反应就不够完全，这些直接导致了不完 全燃烧产物的生成。例如：一氧化碳( c o ) 和未完全燃烧的碳氢化合物( h c ) 。 另外，内燃机的最高燃烧温度很高，往往能达到2 0 0 0 。c 以上。在这样的高温 环境下，空气中的氮气会氧化成各种化合物，一般用n o x 表示。对于压燃式内 燃机，燃料在上止点前喷入燃烧室，在燃烧前燃料与空气的混合时间很短，这就 造成了混合不均。在缺氧的区域，燃料会在高温、高压的环境下发生裂解、脱氢， 最后生成碳烟粒子。这些碳烟粒子在降温过程中又会吸附各种未燃烧或不完全燃 烧的重质h c 和其他凝聚相物质，构成了排气微粒( p m ) 。 为了限制和有效地降低大气中的污染物，改善城市空气质量，各国都推行了 日益严格的排放法规。车用发动机尾气排放的有害物主要有一氧化碳( c o ) 、碳 氢化合物( h c ) 、氮氧化合物( n o 。) 和颗粒物( p m ) 。与汽油机相比，柴油机 的排放污染的特点是c o 、h c 较低，n o ；排放与汽油机在一个数量级，但是p m 排放较高。但是由于汽油机普遍采用了电控汽油喷射和三元催化转化装置，n o x 的排放已经控制到了可以接受的水平。而柴油机的排气中氧含量很高，在这种情 况下，三元催化剂还原n o 。的效率很低，所以当前柴油机n o 。排放的控制技术 还未达到汽油机的水平，柴油机的n o ，排放还有待改善。 表1 - 1 是欧洲1 9 9 2 年以来各阶段的重型车用柴油机排放限值。开始时对不 同尺寸柴油机规定了不同的p m 排放限值，后来就不作区分了，表示要求更高了 4 - 6 o 为了达到越来越严格的排放标准，很多先进的技术应用到了柴油机上。从欧 洲、美国、日本技术进步的历程可以看出，要满足欧以上的法规，基本上都是 采用多气门技术、增压及增压中冷技术、高压喷射技术、电子控制技术、排气后 处理技术等等。优化柴油机的燃烧过程，主要是针对柴油机的主要有害排放物是 n o 。和颗粒物的特点，从燃烧室结构，气流的运动和喷射过程的匹配上抑制初期 燃烧放热规律的峰值；提高后续燃烧放热规律强度，同时缩短后燃，尽量减小燃 烧持续期。前者是为了降低n o ；排放，后者是为了改善燃油耗及降低烟度和颗 第一章绪论 粒物排放【7 】o 均质混合气压燃式( h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ，缩 写为h c c i ) 发动机方案，就是想从根本上解决柴油机的性能和排放问题，这种 发动机既有压燃式发动机效率高的优点。又有均匀稀混合气碳烟和n o x 排放低 的优点。但是在均匀混合气制各和自燃的化学动力学控制等方面尚有很多困难。 表卜1 欧洲重型车用柴油机排放限值 单位：仪w h ) 测试实施排放限值 排放标准 循环年份 c oh cn m h cc h 4 n o x p mk ( ” e c eo 3 6 欧洲i1 9 9 24 51 18 o r 4 9 0 6 1 e c e0 5 l 欧洲1 9 9 64 01 17 0 r 4 9 0 2 5 o 1 0 e s c2 0 0 02 1o 6 6 5 0 0 1 3 欧洲 e l r2 0 0 0o 8 e t c2 0 0 05 4 50 7 81 65 o0 1 6 e s c 欧洲 2 0 0 51 50 4 63 5o 0 2o 5 e l r e s c 欧洲v2 0 0 81 50 4 62 00 0 2o 5 e l r ( 1 ) 动态消光烟度单位m - 1 。 ( 2 ) 适用于功率小于等于8 5 k w 的柴油机。 ( 3 ) 适用于单缸工作容积小于0 7 l 、标定转速大于3 0 0 0 r r a i n 的柴油机。 通过改进内燃机本身的设计和优化运行参数来降低污染物排放，有一定的限 度，为了能兼顾动力性、经济性、排放性，世界各国都先后开发排气后处理技术。 其中应用在柴油机上的主要是以氨为还原剂的选择性催化还原( s e l e c t i v e c a t a l y t i cr e d u c t i o n ，缩写s c r ) ，用来降低n o x 排放；微粒捕集器( d i e s e l p a r t i c u l a t et r a p ，缩写d p t ) 或微粒过滤器( d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ，缩写d p f ) ， 用来降低柴油机的p m 排放。但是，目前国内的柴油机用来降低n o x 排放的主 要方法仍然是废气再循环技术( e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ，缩写e g r ) 。废气再 循环是在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管，和新鲜混合气混合后再次进入气缸内 参加燃烧，这样使得燃烧反应速度减慢，从而降低n o x 的排放量，是控制n o x 第一章绪论 排放的主要措施。 1 3 废气再循环技术的发展及现状【8 - 1 3 1 从2 0 世纪6 0 年代开始，美国、日本、西欧等工业化国家针对汽车排气中的 c o 、h c 和n o x 等有害排放物，以法令的形式规定了排放标准，从而直接促进 了对低污染车用发动机和对排气净化措施的研究。国外对e g r 理论的研究始于 6 0 年代，从7 0 年代开始大规模投入使用。最初e g r 技术是应用于汽油机，是 纯气动不带冷却循环的，后来发展了带冷却循环的e g r 系统，再后来与电控技 术相结合，开发出了带闭环控制的气电式或电磁式e g r 系统。从7 0 年代后期开 始，柴油机e g r 的研究也得到了开展，发展非常迅速。 现在e g r 技术在国外已经成为了一项较为成熟的技术应用于发动机上。由 于e g r 对发动机的性能和排放的影响比较复杂，国外仍在进一步完善e g r 的研 究，主要研究方向在于e g r 系统和发动机优化匹配以及如何在保证动力性和经 济性的前提下，精确控制e g r 率，进一步降低n o x 的排放。 目前国内外市场上出现的e g r 系统主要有以下三种： 1 机械式e g r 系统：机械式的优点是结构简单，成本低，容易执行，但是 缺点也很明显：系统缺乏柔性，难以适应发动机复杂工况要求； 2 气电式e g r 系统：气电式是通过电磁阀来控制e g r 率，它不仅控制范 围大，而且自由度高，适应发动机在各个工况的要求； 3 电控式e g r 系统：与气电式的主要区别在于取消了真空电磁阀和真空控 制通路，由电磁阀直接控制废气再循环阀。具有动态响应好，调节精度 高等优点。 增压中冷柴油机实现废气再循环的主要方式有以下三种： 1 ，涡轮机进口一压气机进口； 2 涡轮机出口一压气机进口； 3 涡轮机进口一中冷器后的进气管。 前两种方式被称为“低压回路 ，这种方式使得e g r 阀两侧很容易获得一 个适当的压力差，因此在发动机较大的运行范围内都能很容易的实现废气再循 环。但是由于废气中有微粒，未完全燃烧的燃油等等，会对压气机和中冷器等造 成损坏，影响发动机的耐久性。第三种方式被称为“高压回路 ，如图1 1 所示， 它在涡轮前取气，使废气回流到进气中冷器之后的进气系统。这种方式可以避免 出现再循环的废气污染压气机和中冷器，使压气机和中冷器不受排气中的微粒、 碳氢化合物和硫的影响，因而减少了可能出现的堵塞和腐蚀问题。但是由于涡轮 第一章绪论 增压器和发动机的特性，使得e g r 阀前后的压力差不够高，甚至出现负的压力 差，难以实现高的e g r 率，因此需要其它的辅助装置，如文丘里管、排气背压 阀等。 图1 - 1 高压回路的结构图1 2 有无e g r 对n o x 排放的影响 对于柴油机来说，往往都会把再循环的排气加以冷却，即采用所谓的冷e g r ， 这样进气温度降低了，可以使得进入缸内的新鲜空气的损失减小，从而缓和了大 负荷时燃料经济性和微粒排放。e g r 气体可以使用柴油机的冷却水冷却，也可 以用空气冷却。 图1 2 给出了某柴油机在e g r 率为1 5 时，n o x 随着扭矩的变化情况。由 图可以看出，e g r 对于降低n o x 排放的效果是很明显的。 1 4 发动机数值模拟概述 柴油机性能的研究方法主要有实验研究和数值模拟研究。实验研究是利用相 关的测试技术在模型或实验机器上进行研究，是理论研究的前提和基础。但是实 验不仅耗费大量的人力、物力、财力资源，而且实验结果也难以揭示更深一层的 物理现象，如流场的结构，流场的速度、温度和浓度的分布等等。 计算机技术和计算流体动力学等相关学科的发展为采用计算机数值模拟研 究发动机缸内燃烧过程提供了便利。利用计算机进行燃烧模拟，能够分析和预测 缸内气流运动过程和湍流参数的变化、燃油粒子的空间分布、燃烧过程的进展状 况、排放物生成、传热过程及缸内的温度场分布等。这种模拟计算不受实验环境 和实验条件的限制，比通过实验手段获得数据来得迅速简单。如研究改变气门定 时，改变燃烧室的形状，改变喷油规律等参数对燃烧和性能的影响，模拟计算更 具有不可比拟的优越性。 内燃机燃烧模型的研究已经先后经历了零维模型、准维模型和多维模型三个 第一章绪论 阶段的发展。 1 4 1 零维模型 早期在对内燃机工作过程模拟计算时，受相关学科的发展程度及计算机发展 水平的限制，不考虑内燃机工作过程的复杂性，主要是采用零维模型计算。零维 模型又称单区模型( s i n g l e z o n e ) ，在计算中假定：系统内各点的热力状态相同、 各点的化学成分相同，即系统内各参数不随空间坐标而变化，只随时间f ( 或曲 轴转角9 ) 而变化；应用热力学原理分析燃烧过程，对所涉及的流体动力学过程 不予考虑，或做极简单的处理。零维模型假设缸内工质为均匀分布，不涉及燃烧 过程的细节和真实机理，只求能对发动机宏观的整体效果做出有一定精度的模拟 和预测，因此无法描述喷雾、油滴蒸发、混合、卷吸及工质运动等重要物理过程 以及非均匀温度场对有害排放产物的影响；不能用于有害废气浓度预测；不能分 析喷雾、蒸发、混合及火焰传播对燃烧过程的影响，但对于特定的机型，零维模 型能较准确地预测其燃烧过程的主要性能参数。 1 4 2 准维模型 零维模型把整个气缸处理为均匀场，这一假设未免过于粗糙，特别是均匀的 温度场无法预测人们日益重视的排放。为此，我们把燃烧室空间划分成若干区域 分别计算，各区域温度不同，但各区域内温度和混合气的组成认为是均匀的。在 每个区域内，方程仍然保持以时间为唯一自变量的常微分方程形式，而在不同区 域之间可以通过膨胀、压缩做功以及质量、动量和能量的交换进而相互影响。这 类模型称为准维模型( q u a s i d i m e n t i o n a lm o d e l ) ，或按其分区的数目称为双区或 多区模型。 在准维模型中，各个区域能在不同曲轴转角着火自燃，因而准维模型放热比 零维模型缓慢，整个燃烧过程更接近实际燃烧情况。柴油机缸内燃烧的显著特征 是气缸内工质分布的不均匀性，其燃烧主要受控于燃料和空气混合，即喷雾区内 的物理化学过程。喷雾中燃料和空气的混合物决定了缸内的温度和化学成分场， 从而在不同的区域产生了各种燃烧产物。柴油机的准维燃烧模型即基于这一特 点，将整个燃烧过程抽象为喷雾、燃烧、传热和化学反应等子过程，分别建立子 模型，再由燃烧室内总质量、能力守恒及容积等约束条件确定各子模型的关系， 来描述整个燃烧过程，计算排放产物的形成。 由于抽象的方式和描述各子过程的侧重点的不同，目前己发展了多种不同观 点、不同功能、不同用途的柴油机准维燃烧模型，大体上可以分为两大类：一是 忽略燃料雾化和蒸发过程的气态射流模型，以林慰梓( w t l y n ) 为代表【1 4 】； 第一章绪论 二是用燃料油滴的蒸发速率控制燃烧的油滴模型，以广安博之为代表【1 5 】。 1 4 3 多维模型 上述两种对缸内过程的计算方法，都是对常微分方程求解，虽然具有简便易 行，计算时间少的优点，但是计算过程中对很多因素采用了经验公式和半经验公 式处理，对性能的预测具有随意性：此外，对污染物如n o x ，h c 和微粒的生成 来说，缸内局部的温度、压力和成分的变化对其影响还是很敏感的，如果假设均 匀分布，则不利于对缸内具体过程的了解以及对工作过程和内燃机性能的优化。 要想更精确的模拟内燃机的实际燃烧过程，就需要建立更复杂的模型。 多维模型与上述两种模型不同，它是基于守恒定律，从流体力学、化学反应 动力学、热交换、动量传递和质量交换等方面建立描述内燃机燃烧过程的偏微分 方程组，再结合适当的边界条件，用数值方法求解。多维模型一般由模拟缸内各 个物理化学过程的若干子模型组成，如气体流动模型、燃油喷雾混合模型、化学 反应模型和传热模型等。计算结果能够提供有关燃烧过程中温度、压力、成分及 排放物等在任一时间步长任一空间位置分布情况，是一种较为精细的模型。 对内燃机多维模型而言，自变量是空间的三维坐标x 、y 、z ，有时可简化成 二维坐标r 和z ，再加上时间坐标t ，因此控制方程是偏微分方程。从7 0 年代开 始，g o s m a n 等人致力于求解n a v i e r - s t o k e s 方程，8 0 年代初已取得三维模拟的初 步研究成果。1 9 7 5 年美国l o sa l a m o s 国家实验室首先推出了二维r i c e 程序用 于计算汽油机预混合燃烧。1 9 7 9 年推出了r c e 程序的新版本- - - c o n c h a s 程序， 1 9 8 2 年发展成当时具有代表性多维模型的c o n c h a s s p w 三维模拟计算程 序。1 9 8 5 年l o sa l a m o s 实验室的a m s d e n 等人正式公布k i v a 程序。1 9 8 8 年又 推出k i v ai i 程序。k i v a 程序是一个功能比较齐全的内燃机缸内过程数值计算 的大型程序，代表了目前多维模型的最新发展。此外由a v l 公司推出的f i r e 和c d a d a p c o 公司推出的s t a r - c d 也是目前内燃机c f d 领域内突出的实例。 1 5 本课题的研究意义和内容 柴油机排放物中的n o x 是大气环境的主要污染物之一。柴油机燃烧产生的 主要是一氧化氮( n o ) ， n o 排入大气后又氧化成了n 0 2 ，对人体危害很大， 因此要予以重视。废气再循环技术( e g r ) 对降低n o 。的排放效果显著，目前 在柴油机上应用较多。本课题研究了6 n 增压中冷废气再循环柴油机的性能和排 放，并讨论了不同喷油定时、e g r 率、喷孔直径等对该发动机燃烧、排放等的 影响。 第一章绪论 本文的主要研究内容包括： 1 应用发动机工作过程仿真计算软件g t - p o w e r ，建立6 n 柴油机的计算模 型，确定各个子系统的主要输入参数，运行计算模型，与实验结果比较，进行模 型校正。 2 分别设计了三种不同尺寸的文丘里管，通过实验研究，进行比较，选出 了最佳方案。 3 使用效果最佳的文丘里管，重新调试仿真模型，研究了不同喷油定时、 e g r 阀开度等对发动机性能的影响。 4 利用三维计算软件s t a r - c d 建立起该发动机的燃烧室模型，对缸内的燃 烧过程进行模拟仿真，研究缸内速度、燃油浓度、温度和n o x 的变化历程和影 响因素。 5 通过对柴油机不同涡流强度和喷孔直径的模拟计算，研究了不同边界条 件对燃烧和排放的影响。 第二章数值计算模型和算法 2 1 一维计算模型 第二章数值计算模型和算法 g t - s u i t e 系列软件是由美国g a m m at e c h n o l o g i e s 公司开发的汽车模拟分析 软件，主要应用于车辆参数的分析、各种运行情况下的耗油量和噪声计算，同时 还可以用于发动机性能评估、冷却系统性能的评估等。而g t - p o w e r 在g t - s u i t e 成员中主要用于发动机性能、排放、噪声的计算，以及控制功能的设计，可用于 发动机的开发和优化设计。本文是利用g t - p o w e r 建立了废气再循环增压中冷柴 油机模型，并进行相应的仿真计算。 2 1 1 缸内工作过程计算的基本假设 直喷式柴油机缸内热力过程的零维模型把气缸视为一个零维系统。为了描述 这个系统做了如下的基本假设【1 6 1 ： 1 气缸内工质的状态是均匀的，即同一瞬时缸内各点的压力、温度和组分处处 相等，并且认为在进气期间，通过系统边界流入气缸内的空气与缸内残余废 气在瞬间完全混合； 2 工质为理想气体，其比热、内能和焓等参数仅与气体温度及气体成分有关； 3 工质在流入或流出时，气缸内的流动过程视为准稳定流动，即在足够小的计 算步长内视为稳定流动； 4 工质进、出口的流动动能忽略不计； 5 把燃料燃烧释放化学能的过程，看成是外界按已知的放热规律向系统内工质 加热的热力学过程。 2 1 2 缸内热力过程的基本方程【1 7 1 9 1 ( 1 ) 能量守恒方程 根据热力学第一定律，可以建立内燃机缸内能量守恒方程式： 百d ( m u ) = 叩考+ 等一警也等 d 舻d 矽d 矽一d 9d 矽 式中：m 气缸内工质质量，埏； ( 2 1 ) 第二章数值计算模型和算法 “气缸内工质内能，k j k g m o l ； 甄通过气缸壁面传出或传入的热量； p 气缸内工质压力，m p a ； 攻气缸工作容积，l ； q 燃料燃烧放热量，l ( j ； 矽曲轴转角，o c a ： 排出气缸废气的焓值，k j k g m o l 2 ；z 旦排出气缸废气的质量流量，k g 。c a 。 口驴 根据柴油机计算的假设条件，经转化和简化后，可将式( 2 1 ) 表达为： d t d 矽 d q d g , 锄 ”+ = 一p 1 一 尘 h 。一等一等( 一“一p 考 - 加嘉嚣一p 筹( - 一考嚣 ( 2 2 ) 式中：t 缸内气体温度，k ； 鼠燃料的低热值，k j k g ： 名瞬时过量空气系数。 ( 2 ) 质量守恒方程 忽略泄漏，内燃机内的气体质量变化量等于喷入气缸的燃料质量、流入气缸 的气体质量和流出气缸的气体质量之差，即： d m ：堕+ 亟一亟 ( 2 3 ) d 9d 9d 9d 9 、 式中：m 占喷入气缸的燃料质量，蝇； 弧流入气缸的气体质量，k g ； ，l 。出气缸的气体质量，k g 。 ( 3 ) 理想气体状态方程 对于理想气体来说，满足理想气体状态方程： p 巧= m r t( 2 4 ) j r 是气体常数。 2 1 3 缸内燃烧、放热及传热模型 ( 1 ) 燃烧放热率模型【1 6 】 一乩列 百一劾 1 一 + 百i 一文 第二章数值计算模型和算法 所谓燃烧放热率计算，是指由实际测量的缸内压力数据( 示功图) ，根据能 量守恒和经验传热公式，推算燃油燃烧放热过程，来分析柴油机的燃烧，如滞燃 期、燃烧持续期、燃烧放热速度等。这种方法比较简单、直观，在性能研究中具 有很高实际应用价值。其基本方程如下： d q b d 妒 ( 2 - 5 ) 其中掣即为燃烧放热率。 d 矿 ( 2 ) 韦伯燃烧放热率模型6 2 0 气缸内燃料燃烧的瞬时放热率按下面公式确定： 孥：g r h 。r ；i d x ( 2 6 ) 口( 口 a t p 式中：g ，每缸的循环喷油量； j v 半燃烧放热率； d 9 x 在某一曲轴转角时，已燃烧掉的燃油质量与g ，之比。 由于柴油机的燃烧过程极为复杂，d x l a g , = f ( 呼o ) 与燃烧的物理、化学过程、 发动机的结构参数及运行参数等众多因素有关，很难用一个精确的数学方法来描 述。目前常用的方法有用实测示功图计算、用半经验公式模拟两种方法。本文选 用了半经验公式模拟方法。 国内外比较通用的计算燃烧放热率的公式是韦伯函数。本文采用了三元韦伯 函数模拟柴油机的燃烧放热规律，模型把整个燃烧过程分为预混合燃烧、主燃、 后燃三个阶段，整个燃烧放热率曲线由三条韦伯函数曲线叠加而成。即： x = x + 五+ 墨 ( 2 - 7 ) 一d x ：鱼+ 堕+ 堕 ( 2 8 ) 一= 一+ 一+ 一 1 2 x l d 9d 9d 9d q o 式中，x l 、x 2 、x 3 分别表示预混合、主燃和后燃燃烧的燃料分数。 模型中每一部分燃烧起始时刻相同，而且各个都有独立的燃烧持续期和燃烧 指数。在实际模拟过程中主燃持续期和主燃燃料分数对放热规律的影响较大，其 次是预混合燃烧燃料分数和预混合燃烧持续期。 ( 3 ) 缸内壁面传热模型【2 l 】 利用g t - p o w e r 进行仿真计算时，主要是考虑了工质与燃烧室各个壁面的传 热，即与气缸盖底面、活塞顶面和气缸套之间的传热。根据工质对燃烧室周壁面 的瞬时平均换热系数口。和壁面的平均温度乙，可以计算出蛾d 矿，即： 第二章数值计算模型和算法 d d q 缈w = 喜等= 寺窑州( 丁训 ) 式中：w 发动机角速度； 口。瞬时平均换热系数； 4 散热表面积；t 气缸内工质瞬时温度； 乙壁面的平均温度；i = 1 ，2 ，3 ：分别指气缸盖，活塞，气缸套。 g t - p o w e r 软件对于直喷式柴油机推荐的换热表面积为：活塞的散热面积按 气缸横截面积的1 2 1 5 倍计算，缸盖的表面积近似为气缸的横截面积。对于壁 面平均温度的推荐值如下：气缸盖：5 5 0 6 0 0 k ；活塞：5 5 0 6 0 0 k ；气缸套： 4 0 0 4 5 0 k 。 在计算工质和燃烧室各个壁面的瞬时换热量时，最关键的是确定瞬时平均换 热系数。由于柴油机传热过程复杂，至今没有得出成熟的传热公式，这里使用的 是w o s c h i n i 半经验公式： 叫3 o 俨p 8 矿。q c + c 2 麓似，o ) 陋聊 式中：p 缸内工质压力5 r 气缸内工质温度； d 气缸直径： c 。活塞平均速度； z 。，k ，压缩终点的气缸内工质温度、压力、气缸容积； o 发动机起动时缸内压力； g 。- 进气涡流速度。 对换气期间：g = 6 1 8 + 0 4 1 7l - 7 u ，g = 0 ； c 。 对压缩期间：g = 2 2 8 + 0 3 0 8w ，c ，= 0 ； c 。 对燃烧和膨胀期间：g = 2 2 8 + 0 3 0 8 ，c = 3 2 4 x 1 0 - 3 。 c 。 2 1 4 缸内计算的其它模型【1 8 】 ( 1 ) 气缸瞬时工作容积的计算 在内燃机工作过程计算中，可根据发动机的主要结构参数，如气缸直径、活 塞行程、连杆长度、压缩比、活塞偏心距等，计算出气缸瞬时工作容积和气缸工 作容积随曲轴转角的变化率。 第二章数值计算模型和算法 瞬时气缸工作容积为： y ( 妒，= 圪+ ( 1 - c o s 伊) + ( + 毒丽) q t ， 气缸工作容积随曲轴转角的变化率为： 器2 十矿+ 揣j 任 式中，e 压缩容积，l ； 珞活塞的行程容积，l ； 以曲柄连杆比，五= 。 ( 2 ) n o x 的生成模型 本文利用排放模型计算n o x 时，采用的扩展的z e l d o v i c h 机理，基本反应如 下： o + n 2 n o + n n 七0 2 n o + o k l = 尸掌7 6 0 * 1 0 1 0 母p _ 3 8 0 0 0 一7 瓦 j | 2 = 6 4 0 * 1 0 6 瓦e 习1 5 0 7 霸( 2 1 3 ) 七3 = 4 1 0 1 0 1 0 式中：k l ，k 2 ，k 3 反应速率常数； f 生成速率系数； 彳活化率系数； 瓦燃烧分区的温度，k 。 2 1 5 进排气系统的数学模型 1 6 , 1 8 , 2 2 ( 1 ) 一维非定常流动基本方程 由于进排气管内是非定常的脉动流，如果发动机转速高，进排气管又较长， 管中的压力波动较大，在同一瞬时管中各点的压力值差别较大，此时应考虑状态 参数随时间和位置的变化。因此，进排气管内流动都一般当做一维流动处理，即 计算时假定：管截面变化缓慢，管径与管曲率半径相比很小，在每一个截面上流 动参数是均匀的，所以流动参数仅随轴向坐标和时间变化，这种流动称为准维 流动。 g t - p o w e r 采用一维交错网格，将柴油机进排气系统分成若干个控制体积， 第二章数值计算模型和算法 应用有限体积法进行一维非定常数值计算，计算格式是显式。标量在网格中心计 算，如压力、温度；矢量在网格的交界面计算，如速度、质量流量等。其基本的 控制方程如下： 连续方程： 害+ p 塞+ c 警+ 等等= o ( 2 - 1 4 )蓄印磊托言+ 彳瓦- 0 动量方程： 喜+ c 塞+ 去砉+ 厂2 南c ! d = o c 2 一t 5 ，一十一十一二+ ，一一一= u l z i ) l a苏p 魂。 、7 能量方程： ( 和訇一孑良纷触一弩乎丌譬访 陋峋 式中：c 气体流速； p 气体密度；p 气体压力； ，管截面积； 厂管壁摩擦阻力。 g t - p o w e r 采用有限容积法对进排气管内气体的一维非定常流动进行具体的 求解。 ( 2 ) 摩擦损失与压力损失方程 1 ) 摩擦损失 管内摩擦损失主要是因为管路的表面与管内的流体之间摩擦造成，在对摩擦 损失进行计算时，主要考虑的是雷诺数和表面粗糙度，其计算公式如下： 对于光滑壁面： c ，= 两1 6 层流区，r e 。 4 。0 0 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 对于粗糙壁面： c，=一025 ( 2 -