相繼增壓柴油機(jī)切換過(guò)程燃燒排放仿真與試驗(yàn)研究.pdf

1、隨著高功率密度、寬轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍柴油機(jī)的不斷發(fā)展和船用柴油機(jī)瞬態(tài)排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，增壓系統(tǒng)與柴油機(jī)匹配的要求也越來(lái)越高。相繼增壓技術(shù)是解決柴油機(jī)與增壓器匹配矛盾、提高柴油機(jī)低速工況燃油經(jīng)濟(jì)性和降低碳煙排放的有效措施。針對(duì)相繼增壓柴油機(jī)瞬態(tài)切換過(guò)程的碳煙排放惡化問(wèn)題，本文通過(guò)建立三維燃燒模型，對(duì)相繼增壓柴油機(jī)進(jìn)氣過(guò)程的氣體流動(dòng)規(guī)律和燃燒排放特性進(jìn)行了深入研究。通過(guò)模擬計(jì)算，得到了相繼增壓技術(shù)對(duì)柴油機(jī)燃燒排放情況的改善規(guī)律，同時(shí)對(duì)柴油機(jī)的瞬

2、態(tài)切換控制規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)和避免喘振的前提下，得到了以碳煙排放最優(yōu)為原則的相繼增壓柴油機(jī)瞬態(tài)切換控制策略。
　　 以TBD234V12柴油機(jī)為研究對(duì)象，建立了相繼增壓柴油機(jī)三維燃燒模型。利用逆向設(shè)計(jì)技術(shù)和pro-E軟件建立了柴油機(jī)燃燒室、進(jìn)、排氣門(mén)和進(jìn)、排氣道的幾何模型，并對(duì)幾何模型進(jìn)行了體網(wǎng)格和動(dòng)網(wǎng)格的網(wǎng)格劃分?？紤]到柴油機(jī)工作過(guò)程高壓縮、強(qiáng)瞬變的特征，選用了RNGk-ε湍流模型，采用了適合瞬態(tài)計(jì)算的P

3、ISO算法。對(duì)所建立的三維燃燒模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，所選用的計(jì)算模型及計(jì)算方法滿足本文研究工作的需要。
　　 利用所建立的三維燃燒模型詳細(xì)研究了TBD234V12柴油機(jī)在切換點(diǎn)工況下1TC和2TC進(jìn)氣流動(dòng)規(guī)律，并進(jìn)行了對(duì)比研究。計(jì)算結(jié)果表明：在進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻，進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)處于疊開(kāi)狀態(tài)，1TC和2TC均在進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)的小縫隙處出現(xiàn)了進(jìn)氣倒流現(xiàn)象；1TC和2TC進(jìn)氣過(guò)程的湍動(dòng)能曲線表明，在整個(gè)進(jìn)氣過(guò)程中，1TC和2TC的

4、湍動(dòng)能由小變大，經(jīng)歷兩個(gè)峰值然后衰減，1TC的湍動(dòng)能大于2TC的湍動(dòng)能，最大提高率為38％；1TC和2TC進(jìn)氣過(guò)程的渦流比曲線表明，渦流在進(jìn)氣初期就已經(jīng)產(chǎn)生，隨著氣門(mén)升程的增加而增大，在氣門(mén)升程最大時(shí)刻渦流比達(dá)到最大值，隨后隨著氣門(mén)升程減小，渦流比也開(kāi)始逐漸下降。1TC的渦流比大于2TC的渦流比，最大提高率為29％。
　　 在得到了相繼增壓柴油機(jī)進(jìn)氣流動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，對(duì)切換點(diǎn)工況下1TC和2TC的燃燒及排放過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究

5、。對(duì)1TC和2TC的缸內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算分析表明，1TC燃燒室內(nèi)產(chǎn)生了較2TC更為明顯的大尺度渦流，有利于燃油的霧化、蒸發(fā)和與空氣的混合。對(duì)排放物生成濃度計(jì)算表明，1TC的碳煙生成主要集中在燃油運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)，2TC的碳煙生成主要集中在燃燒室凹坑中，1TC的碳煙生成量較2TC下降了75％，1TC的NOx生成量較2TC降低了20％。
　　 在進(jìn)行了相繼增壓柴油機(jī)燃燒排放特性穩(wěn)態(tài)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了相繼增壓柴油機(jī)切換過(guò)程瞬態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行了切換

6、點(diǎn)工況下，不同切換延遲時(shí)間的受控增壓器切入、切出過(guò)程瞬態(tài)試驗(yàn)。受控增壓器切入過(guò)程的瞬態(tài)試驗(yàn)表明，空氣閥和燃?xì)忾y同時(shí)打開(kāi)，或空氣閥延遲打開(kāi)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)過(guò)大，不利于瞬態(tài)切換過(guò)程的平穩(wěn)性，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出0.5秒為比較合適的切換延遲時(shí)間。受控增壓器切出過(guò)程的瞬態(tài)試驗(yàn)表明：空氣閥和燃?xì)忾y同時(shí)關(guān)閉，可以使缸內(nèi)壓力平穩(wěn)上升，切換過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比較平穩(wěn)，如果空氣閥關(guān)閉的延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使主增壓器壓后壓力下降時(shí)間較長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)

7、速波動(dòng)過(guò)大，因此空氣閥延遲關(guān)閉時(shí)間不應(yīng)超過(guò)0.5秒。
　　 在對(duì)碳煙和NOx的生成機(jī)理進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，對(duì)切換點(diǎn)工況下，受控增壓器的切入、切出過(guò)程的瞬態(tài)碳煙排放曲線進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，受控增壓器切入過(guò)程中，切換延遲時(shí)間為0.5秒時(shí)的碳煙排放最低；在受控增壓器切出過(guò)程中，切換延遲時(shí)間為0秒時(shí)的碳煙排放最低。為了深入分析瞬態(tài)切換過(guò)程的碳煙生成特點(diǎn)，對(duì)受控增壓器切入過(guò)程中切換延遲時(shí)間分別為0秒，0.5秒和1.5秒進(jìn)行了瞬態(tài)邊界三維模

8、擬計(jì)算。通過(guò)計(jì)算得到了缸內(nèi)碳煙濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和氧氣濃度場(chǎng)以及碳煙生成排放曲線。數(shù)值模擬分析表明，碳煙排放惡化的原因?yàn)榍袚Q瞬時(shí)增壓器響應(yīng)遲滯，缸內(nèi)瞬時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)降低，缸內(nèi)的油氣混合不均勻，引起局部高溫缺氧，因此碳煙生成量比較高。
　　 得到了相繼增壓柴油機(jī)受控增壓器的切入、切出過(guò)程的空氣閥和燃?xì)忾y開(kāi)閉時(shí)間的最優(yōu)控制策略：受控增壓器切入過(guò)程空氣閥延遲0.5秒打開(kāi)，受控增壓器切出過(guò)程燃?xì)忾y和空氣閥同時(shí)關(guān)閉，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)平