柴油机进气道喷水技术的试验研究和仿真分析

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在经济大循环条件下,中国汽车产销及保有量持续快速增长,与此同时出现的能源与环境问题越趋严峻。柴油机以其高性能受到青睐,而作为主要污染物的NOx和碳烟的排放控制日趋严格。研究表明利用进气道喷水技术可以大幅度降低NOx排放,同时不引起碳烟排放的严重恶化。本文主要研究了在车用增压柴油机上应用进气道喷水技术对燃烧过程、NOx排放以及振动噪声的影响,为后续研究奠定基础。本文对比分析了柴油机掺水燃烧方式的优缺点,并以4100QB车用增压柴油机为研究对象,设计开发了一套进气道喷水系统,能够方便快捷地通过改变喷射脉宽和喷射周期来实现不同的喷水量。在此基础上本文通过台架试验深入地分析进气道不同喷水量对柴油机燃烧特性、动力性、经济性、排放特性以及振动和噪声的影响。试验表明柴油机随着掺水量的增加(原机掺水量为0),燃烧的定容度和热效率得到提高,压力升高率峰值增大,扭矩升高,油耗率略有下降,NOx排放下降,且比较明显,最大降幅为35.5%,碳烟排放升高但升幅不大,CO排放稍有降低,HC排放基本保持不变,缸盖、缸体和泵的振动加速度幅值增大,高负荷不喷水时,零部件共振引起总声压级较大,随着喷水量的增加共振现象消除,但总声压级增大。由于本次台架试验的喷水量有限,为了尽可能多地降低NOx排放,本文利用GT-POWER软件建立了原柴油机以及增加进气道喷水模块的柴油机整机模型。研究分析了高喷水量对柴油机主要性能指标的影响,结果表明:当喷水量增加至4.5kg/h时,柴油机扭矩下降明显,且碳烟排放明显升高而NOx排放降低不明显。因此要选择适当的喷水量,否则会引起柴油机动力不足和排放的恶化。
摘要第3-5页
ABSTRACT第5-7页
目录第8-11页
第一章 绪论第11-19页
    1.1 引言第11-12页
    1.2 柴油机主要排放污染物第12-14页
        1.2.1 一氧化碳第12-13页
        1.2.2 碳氢化合物第13页
        1.2.3 氮氧化物第13页
        1.2.4 微粒第13-14页
    1.3 柴油机NO_x排放控制研究第14-15页
    1.4 柴油机掺水燃烧的国内外研究现状第15-17页
    1.5 发动机工作过程模拟介绍第17-18页
    1.6 本文的主要工作内容第18-19页
第二章 柴油机掺水燃烧技术及供水系统设计第19-25页
    2.1 柴油机掺水燃烧技术第19-22页
        2.1.1 柴油机掺水燃烧实现方式及其优缺点第19-21页
        2.1.2 掺水燃烧机理第21-22页
    2.2 进气道喷水系统的设计第22-24页
        2.2.1 喷水装置第22-23页
        2.2.2 控制装置第23页
        2.2.3 喷射系统第23-24页
    本章小结第24-25页
第三章 进气道喷水技术的试验研究第25-41页
    3.1 试验设备及测试仪器第25-26页
        3.1.1 试验设备第25-26页
        3.1.2 测试仪器第26页
    3.2 试验方法第26-27页
    3.3 不同喷水量对柴油机动力性的影响第27页
    3.4 不同喷水量对柴油机燃烧性能的影响第27-34页
        3.4.1 不同喷水量对缸内压力的影响第28-29页
        3.4.2 不同喷水量对压力升高率的影响第29-31页
        3.4.3 不同喷水量对放热率的影响第31-32页
        3.4.4 不同喷水量对缸内温度的影响第32-33页
        3.4.5 不同喷水量对燃烧始点的影响第33-34页
    3.5 不同喷水量对柴油机经济性的影响第34-35页
    3.6 不同喷水量对柴油机排放的影响第35-39页
        3.6.1 不同喷水量对NOx排放的影响第35-37页
        3.6.2 不同喷水量对碳烟排放的影响第37-38页
        3.6.3 不同喷水量对CO排放的影响第38-39页
        3.6.4 不同喷水量对HC排放的影响第39页
    本章小结第39-41页
第四章 进气道喷水技术的振动噪声研究第41-51页
    4.1 振动噪声试验测试系统第41-43页
        4.1.1 测试系统第41-42页
        4.1.2 测点布置第42-43页
    4.2 振动试验结果分析第43-47页
        4.2.1 缸盖实验结果分析第44-45页
        4.2.2 缸体试验结果分析第45-46页
        4.2.3 喷油泵试验结果分析第46-47页
    4.3 噪声试验结果分析第47-49页
    本章小结第49-51页
第五章 柴油机模拟计算理论第51-63页
    5.1 柴油机模拟计算介绍第51页
    5.2 GT-POWER软件简介第51-52页
    5.3 模拟计算基本原理第52-59页
        5.3.1 燃烧模型第52-54页
        5.3.2 传热模型第54-56页
        5.3.3 缸内流动模型第56-58页
        5.3.4 摩擦模型第58页
        5.3.5 进排气管流动模型第58-59页
    5.4 排放模型第59-61页
        5.4.1 NO_x排放模型第59-60页
        5.4.2 碳烟排放模型第60-61页
    本章小结第61-63页
第六章 柴油机工作过程的模拟第63-75页
    6.1 柴油机仿真模型的建立第63-68页
        6.1.1 物理模型第63-66页
        6.1.2 4100QB柴油机模型建立第66-67页
        6.1.3 进气道喷水柴油机模型建立第67-68页
    6.2 柴油机仿真模型的验证第68-70页
    6.3 高比例喷水量仿真分析第70-74页
        6.3.1 高比例喷水量对动力性的影响第70-71页
        6.3.2 高比例喷水量对缸内压力的影响第71-72页
        6.3.3 高比例喷水量对缸内温度的影响第72页
        6.3.4 高比例喷水量对NO_x排放的影响第72-73页
        6.3.5 高比例喷水量对碳烟排放的影响第73-74页
    本章小结第74-75页
第七章 总结与展望第75-77页
    7.1 全文总结第75-76页
    7.2 工作展望第76-77页
参考文献第77-81页
致谢第81-83页
攻读学位期间发表的学术论文第83页
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