相繼增壓柴油機切換過程燃燒排放仿真與試驗研究.pdf

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

2、態(tài)切換控制規(guī)律進(jìn)行了試驗研究，在考慮發(fā)動機轉(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瞬態(tài)切換控制策略。
　　 以TBD234V12柴油機為研究對象，建立了相繼增壓柴油機三維燃燒模型。利用逆向設(shè)計技術(shù)和pro-E軟件建立了柴油機燃燒室、進(jìn)、排氣門和進(jìn)、排氣道的幾何模型，并對幾何模型進(jìn)行了體網(wǎng)格和動網(wǎng)格的網(wǎng)格劃分。考慮到柴油機工作過程高壓縮、強瞬變的特征，選用了RNGk-ε湍流模型，采用了適合瞬態(tài)計算的P

3、ISO算法。對所建立的三維燃燒模型進(jìn)行了試驗驗證，驗證結(jié)果表明，所選用的計算模型及計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柴油機在切換點工況下1TC和2TC進(jìn)氣流動規(guī)律，并進(jìn)行了對比研究。計算結(jié)果表明：在進(jìn)氣門開啟時刻，進(jìn)氣門和排氣門處于疊開狀態(tài)，1TC和2TC均在進(jìn)氣門打開的小縫隙處出現(xiàn)了進(jìn)氣倒流現(xiàn)象；1TC和2TC進(jìn)氣過程的湍動能曲線表明，在整個進(jìn)氣過程中，1TC和2TC的

4、湍動能由小變大，經(jīng)歷兩個峰值然后衰減，1TC的湍動能大于2TC的湍動能，最大提高率為38％；1TC和2TC進(jìn)氣過程的渦流比曲線表明，渦流在進(jìn)氣初期就已經(jīng)產(chǎn)生，隨著氣門升程的增加而增大，在氣門升程最大時刻渦流比達(dá)到最大值，隨后隨著氣門升程減小，渦流比也開始逐漸下降。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進(jìn)氣流動規(guī)律的基礎(chǔ)上，對切換點工況下1TC和2TC的燃燒及排放過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究

5、。對1TC和2TC的缸內(nèi)流場計算分析表明，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。對排放物生成濃度計算表明，1TC的碳煙生成主要集中在燃油運動區(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燃燒排放特性穩(wěn)態(tài)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了相繼增壓柴油機切換過程瞬態(tài)測試系統(tǒng)，進(jìn)行了切換

6、點工況下，不同切換延遲時間的受控增壓器切入、切出過程瞬態(tài)試驗。受控增壓器切入過程的瞬態(tài)試驗表明，空氣閥和燃?xì)忾y同時打開，或空氣閥延遲打開時間過長，會造成發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動過大，不利于瞬態(tài)切換過程的平穩(wěn)性，通過對試驗數(shù)據(jù)分析得出0.5秒為比較合適的切換延遲時間。受控增壓器切出過程的瞬態(tài)試驗表明：空氣閥和燃?xì)忾y同時關(guān)閉，可以使缸內(nèi)壓力平穩(wěn)上升，切換過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速比較平穩(wěn)，如果空氣閥關(guān)閉的延遲時間過長，會使主增壓器壓后壓力下降時間較長，發(fā)動機轉(zhuǎn)

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

8、擬計算。通過計算得到了缸內(nèi)碳煙濃度場、溫度場和氧氣濃度場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為切換瞬時增壓器響應(yīng)遲滯，缸內(nèi)瞬時過量空氣系數(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受控增壓器的切入、切出過程的空氣閥和燃?xì)忾y開閉時間的最優(yōu)控制策略：受控增壓器切入過程空氣閥延遲0.5秒打開，受控增壓器切出過程燃?xì)忾y和空氣閥同時關(guān)閉，可以使發(fā)動機和增壓器運轉(zhuǎn)平