柴油机掺烧丁醇结合米勒循环低温燃烧性能仿真研究

发布时间：2020-10-01 16:44

　　柴油机在国际航运界的广泛使用给世界经济带来繁荣的同时,其大气污染等消极影响也越发的凸显。节能和减排成为当今世界面临的两大主要课题,寻找替代燃料和低温燃烧技术是缓解能源危机的有益尝试。米勒循环技术通过实现低温燃烧而降低排放,具有响应快易控制的优点,而丁醇的含氧特性可以优化米勒循环的贫氧燃烧问题,二者结合相得益彰。本文以4190Z_LC-2型船用柴油机为研究对象,利用AVL-FIRE软件对柴油机燃烧过程模拟计算,研究丁醇结合米勒循环对柴油机燃烧性能和排放性能的影响,为米勒循环技术应用到现有柴油机提供理论和数据支撑。首先,依据4190Z_LC-2型船用柴油机燃烧室尺寸,利用AUTO-CAD绘制燃烧室二维图形,然后将其导入AVL-FIRE中的ESE模块构建燃烧室高压循环模型,完成网格划分;根据柴油机工作特性设置适当的边界条件、初始条件和子模块,并选择合适的柴油-丁醇混燃化学反应机理文件耦合仿真软件完成柴油-丁醇双燃料发动机仿真模型的建立;通过对比缸压曲线仿真值和试验值,不断验证并校正仿真模型的准确性,直至满足工程计算精度。其次,利用所建立的三维仿真模型进行仿真计算,分析丁醇掺混比、米勒度以及二者的结合对柴油机燃烧特性和排放特性的影响。在100%负荷下,选取四组丁醇掺混比进行计算,在牺牲稍许动力前提下,丁醇掺混比B30工况碳烟和CO排放降低明显;保持原机进气压力不变,选取四组米勒度进行仿真计算,实现了NO生成质量分数的降低,但高增压的缺席使得米勒循环由于缺氧问题很难发挥其性能优势;在掺混比B30基础上结合米勒循环仿真计算表明,丁醇的富氧特性可以改善低米勒度下的贫氧问题,但无法弥补高米勒度的泵气损失。最后,通过改变边界条件挖掘掺烧丁醇结合米勒循环方案的潜力。选取四组进气压力和四组结合方案,进行4x4=16组计算,对潜力最大的B30+M40方案进行优化。研究表明,掺混比B30结合米勒度M40方案与进气压力0.283MPa匹配最优,在指示功率与原机保持一致的基础上,指示油耗率降低2.04%,NO质量分数降低16.6%,CO质量分数降低51.01%。
【学位单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U664.121
【部分图文】：

米勒,奥拓,P-V图,进气门

（a）滞后关闭进气门（b）提前关闭进气门图 1-1 狄赛尔循环和米勒循环 P-V 图（传统奥拓循环）进气门延迟关闭的米勒循环是指，进气过程一直持续到下止点后，直至到达设定的进门延迟关闭角，在压缩冲程中才将进气门关闭。进气口的延迟关闭使得一部分新鲜冲量压缩行程中被挤出气缸，因而导致气缸内的新鲜冲量减少，发动机的有效压缩比减小，用来做功的膨胀比不变，所以发动机的热效率和经济性提高[14]。进气门提前关闭的米勒循环是指，在活塞下行的进气冲程中，在下止点前的某角度提关闭进气门，气缸的新鲜冲量在进气门关闭后随着活塞的下行而膨胀吸热，进而起到冷气缸的作用，气缸内的温度和压力降低，在后续的压缩冲程中发动机的实际压缩比减小，缩终了的温度和压力都会相应降低，为降低燃烧温度和减少 NOx 排放提供了先天条件。.2.2 米勒循环国内外研究现状米勒循环的概念提出早于涡轮增压技术。在起初的研究阶段由于米勒循环会减少气缸进气充量，发动机的油耗率和 Soot 排放升高并且输出功率会下降，所以在那时米勒循环

示意图,喷雾过程,示意图,液滴

图 2-1 喷雾过程示意图也满足以下控制方程：量方程： = 动微分方程： =34 1 | | (1 ) 为液滴质量；为阻力，为液滴的速度矢量； = · =12 ； g= ( g)g ； = ；包括体密度，为气液相对速度，为液滴代表性面积，是阻如下关系：

子模型,模型

易于模拟的次级破碎模型。AVL-FIRE 提供了多B 模型、TAB 模型、FIPA 模型以及 WAVE 模型等很简便，但是此模型不能充分预测次级破碎过程中H-RT 模型，理由是：KH 模型和 WAVE 模型指导思成不稳定扰动波的 RT 模型，KH-RT 模型计算结果可相似的 KH-RT 模型计算表示为： = 3.7 2 ΛΩ = 1ΛΛ = ( , )Ω = ( , )始半径，C1为喷油器常数，Λ 为波长，Ω 为波高指在时间，是液滴的特性。T 模型破碎子模型。从图中可以看出，在上游液滴在下游将会覆盖两种破碎机理。

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