摘 要

船舶动力来源以柴油机为主，随着排放要求的提高，减少氮氧化物和碳烟排放已成为一个重要课题。燃油喷射参数直接影响缸内混合气的形成，进而影响燃烧过程，而柴油机的排放性能由燃烧过程决定。因此，研究喷油参数对柴油机燃烧和排放的影响非常重要。

本文以安柴-大发DK20型船用中速柴油机为研究对象，采用AVL FIRE软件建立燃烧仿真计算模型。在改变喷孔直径、喷射锥角和喷油提前角参数时，研究缸内燃油喷射、温度、压力和氧气浓度的变化来直观反映喷油参数对柴油机混合气形成、燃烧和NO、碳烟产生过程的影响,并对排放进行优化分析。

对仿真结果的温度、压力和排放等参数进行分析，结果表明：降低喷孔直径，由于燃油喷射速率降低，燃油燃烧不及时增加了后燃，缸内温度较低，使得NO生成量略低，但SOOT生成量较高。增大喷孔直径，燃油喷射速率增加，减少了后燃，SOOT减少；当喷射锥角较小时，油气混合状态较差，NO和SOOT生成量均为最大。但是当喷射锥角过大时，燃油会聚集在活塞顶处，难以充分燃烧，SOOT生成量较大，喷射锥角偏小或偏大均会使得NO和SOOT生成量增加；喷油提前角增大，油气混合速率增加，预混燃烧所占比例增加。随着喷油提前角增加，着火时刻提前，滞燃期增加，缸内温度和压力水平提高，SOOT生成量减少，但NO生成量增加；在50%负荷工况下，调整喷射锥角排放变化显著。综合考虑NO和碳烟产生量，得到柴油机在该工况下最佳喷射锥角应该是160.5°左右。

关键词：船用中速柴油机；喷油参数；燃烧和排放；仿真计算

Abstract

Diesel engine is the main power source of ships. With the improvement of emission requirements, reducing the emission of nitrogen oxides and carbon smoke has become an important topic. Fuel injection parameters directly affect the formation of in-cylinder mixture, which in turn affects the combustion process, and the emission performance of diesel engine is determined by the combustion process. Therefore, it is of great significance to study the influence of injection parameters on diesel engine combustion and emissions.

In this paper, DK20 marine medium speed diesel engine is taken as the research object, and the combustion simulation calculation model is established by AVL FIRE software. The changes of in-cylinder fuel injection, temperature, pressure and oxygen concentration when the nozzle diameter, injection cone angle and injection advance angle parameters are changed are studied to directly reflect the influence of injection parameters on the formation of diesel engine mixture, combustion, NO and SOOT generation process, and the emission is optimized and analyzed.

The temperature, pressure and emission parameters of the simulation results are analyzed. The results show that reducing the diameter of the injection hole, as the fuel injection rate decreases, the untimely combustion of fuel increases post-combustion, and the in-cylinder temperature is lower, which makes the NO generation slightly lower, but the SOOT generation is higher. Increasing the orifice diameter increases the fuel injection rate, reduces post-combustion and SOOT; When the injection cone angle is small, the mixture of oil and gas is poor, and the production of NO and SOOT are the largest. However, when the injection cone angle is too large, the fuel will accumulate at the top of the piston, which makes it difficult to fully burn, resulting in a large amount of SOOT generation. The smaller or larger injection cone angle will increase the production of NO and SOOT; As the injection advance angle increases, the mixing rate of oil and gas increases, and the proportion of premixed combustion increases. With the increase of injection advance angle, ignition time is advanced, ignition delay period is increased, in-cylinder temperature and pressure level are increased, SOOT production is reduced, but NO production is increased; Under the condition of 50% load, the emission change of adjusting injection cone angle is significant. Considering the production of NO and SOOT, the optimal injection cone angle of diesel engine under this working condition should be about 160.5°.

Key words: Marine Medium Speed Diesel Engine; Injection Parameters; Combustion and Emission; Simulation Calculation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 柴油机喷油系统研究现状 1

1.3 本文主要研究目的和研究内容 2

第2章 柴油机工作过程建模的理论分析 4

2.1 建模所用基本控制方程 4

2.1.1 质量守恒方程 4

2.1.2 动量守恒方程 4

2.1.3 能量守恒方程 5

2.2 湍流选用模型 5

2.3 喷雾选用模型 7

2.3.1 湍流液滴扩散模型 7

2.3.2 粒子相互作用模型 7

2.3.3 喷雾破碎模型 7

2.3.4 燃油蒸发模型 8

2.3.5 撞壁模型 9

2.4 着火和燃烧选用模型 9

2.4.1 自燃模型 9

2.4.2 湍流燃烧模型 9

2.5 排放选用模型 10

2.5.1 氮氧化物模型 10

2.5.2 碳烟模型 11

2.6 本章小结 11

第3章 柴油机仿真模型的建立与验证 12

3.1 仿真模型的建立 12

3.2 初始参数及边界条件的设置 14

3.2.1 初始条件的设置 14

3.2.2 边界条件的设置 14

3.3 FIRE仿真模型仿真计算的验证 14

3.4 本章小结 15

第4章 喷油系统参数对燃烧和排放性能的影响研究 16

4.1 喷孔直径对燃烧和排放的影响 16

4.2 喷射锥角对燃烧和排放的影响 20

4.3 喷油提前角对燃烧和排放的影响 23

4.4 喷油参数对排放性能影响的优化分析 25

4.5 本章小结 26

第5章 结论和展望 27

5.1 结论 27

5.2 展望 27

参考文献 29

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着社会的进步和科学技术的不断创新，内燃机已成为社会生活中的主要动力源。作为当今热效率最高的热力机械，柴油机广泛运用于交通运输，工业、农业机械以及发电等领域^[1]。在水运交通中，由于柴油机热效率在所有热机中热效率最高，同时其可靠性高。因此，目前大多数船用主机为柴油机，而且船用柴油机则主要是中低速柴油机。

然而，石油燃烧导致的环境问题、排放要求的不断提高以及对于不可再生能源的有效利用不断促进着柴油机的不断发展完善。与汽油机相比，柴油机具有更高的热效率。主要是因为：柴油机具有压缩比高，采用预混燃烧的方式，采用多点自燃，循环波动率小等特点。但是柴油机的扩散燃烧也使得其造成较高的氮氧化物和碳烟排放，同时，氮氧化物排放和碳烟排放不可同时降低。因此，改善柴油机的燃烧模式，最大限度地降低氮氧化物和碳烟排放，提高燃油燃烧热效率成为了柴油机发展的重要课题。

目前，柴油机电控高压共轨技术的发展，使得柴油喷射压力提高，喷射雾化效果改善，喷油正时规律更加适应工况要求。在此基础上改善喷油系统参数，开发出高效率、低排放的燃油系统，不仅可以提高柴油机的综合性能，还能降低排放处理技术要求，降低制造和运用成本。喷油系统的优化设计是指，通过设计合理的喷油参数，如喷孔直径、喷射锥角、喷油正时等，从而组织良好的油气混合和燃烧过程，提高燃烧热效率并减少氮氧化物和碳烟排放。

同时，随着内燃机数值模型的不断发展和各种数值模拟技术的不断成熟，计算机仿真模拟已经成为内燃机优化设计的重要方法和手段。使用AVL FIRE、CONVERGE、GT-power等数值模拟软件，可以在短时间内模拟不同发动机参数下的燃烧和排放性能^[2]。采用数值模拟的方法进行优化设计不仅节约成本，节约人力资源，还有利于减少研发周期，同时优化设计效果显著。

1.2 柴油机喷油系统研究现状

随着全球排放法规的日益严格，资源、环境问题日益严峻，减少柴油机尾气排放和提高柴油机燃油经济性已经成为了研究的热点。柴油机缸内的燃烧过程直接决定和碳烟的生成量。柴油机的燃烧过程十分复杂，燃油的雾化和燃烧由诸如喷油提前角、燃油喷雾的喷雾锥角和喷雾贯穿距离等参数确定。因此，对于柴油机喷油参数的研究是柴油机优化设计的关键和难点。目前，对于喷油系统参数的研究主要通过仿真计算和实验方法，研究喷孔直径、喷射压力、喷射锥角以及喷油正时等参数对燃烧和排放的影响。

国外的研究现状：斯洛文尼亚大学的Breda k.对喷油参数中的喷孔直径以及喷油提前角等参数进行优化分析，实现了对电控燃油喷射系统的参数优化^[3]。Akihiko Minato等人对喷射压力及喷孔直径对可燃混合气的混合程度进行了研究。结果表明：可燃混合气混合时间随喷射压力增大而减少，喷油持续期随喷射压力增大而增大；混合时间随喷孔直径减小而减少，通过高压共轨技术结合减小喷孔直径可以有效改善柴油机经济性能和排放性能^[4]。Jinwoo Lee等人研究了一次预喷射和两次预喷射对柴油机性能的影响，结果表明：一次预喷射时，在一定喷射提前角时，氮氧化物和碳烟排放降低，但HC排放大量增加；两次预喷射时，氮氧化物和碳烟排放更低，同时HC排放量减少了一半^[5]。

国内的研究现状：天津大学的林铁坚等人研究了预喷射参数对柴油机燃烧过程和排放性能的影响。研究表明：较少的预喷射油量可以减少滞燃期和燃烧持续期，使燃油集中在上止点附近燃烧，这有利于提高燃烧热效率^[6]。西南交通大学的温江舟等人研究了喷油系统参数对某型柴油机混合气形成和性能的影响。结果表明：燃油喷射压力、喷油提前角和喷孔直径对燃烧过程有显著影响，并对柴油机喷油系统参数进行了优化设计^[7]。山东大学石秀勇研究了调节共轨压力和喷油提前角对柴油机燃烧和排放性能的影响。结果表明：增加喷射压力可以改善燃油雾化的质量并改善燃烧过程，从而减少碳烟颗粒排放并减少燃料消耗，增加喷油提前角可以改善缸内的柴油燃烧并提高燃油经济性^[8]。海军工程大学的黄康等人运用仿真模拟的方法研究了喷油器结构参数对柴油机燃烧和排放性能的影响。仿真结果表明：当喷射角度为125°时，喷油器与燃烧室匹配良好；喷油器喷孔的数量增加，燃烧的最大压力减小，并且碳烟排放也有所减少；喷油器喷孔直径越小，燃烧和排放性能越好^[9]。

1.3 本文主要研究目的和研究内容

本论文拟利用AVL FIRE 软件中的 ESE-Diesel 模块，建立安柴-大发DK20型船用中速柴油机喷雾模型（包括喷雾破碎模型、燃油蒸发模型和壁面碰撞模型）、着火与燃烧模型、NOx排放模型和碳烟排放模型。研究该型柴油机喷射系统参数对其燃烧和排放的影响，如喷孔直径、喷射锥角及喷油提前角对燃烧过程及NOx和碳烟排放的影响。为安柴-大发DK20型船用中速柴油机燃油系统电控化改造指明方向。

1. 以DK20型船用中速柴油机为研究对象；
2. 掌握内燃机燃油喷射、燃烧过程的完善程度对内燃机排放性能的影响；

（3）选取建立柴油机模型所需的湍流模型、喷雾模型、着火和燃烧模型、排放模型；

（4）根据2D图纸，应用Auto CAD软件建立安柴-大发DK20型船用中速柴油机的燃烧室模型；

（5）在AVL-FIRE软件中确定喷油器的位置及参数，进行网格划分，并设置仿真的边界条件和初始条件；

（6）对DK20型柴油机燃油喷射、燃烧过程进行多维瞬态数值模拟，研究喷射系统参数如喷孔直径、喷射锥角及喷油提前角等对燃烧过程及NOx和碳烟排放的影响；

（7）根据仿真计算结果，进行DK20型柴油机燃油系统喷射参数对排放性能影响的优化分析。

1. 柴油机工作过程建模的理论分析

柴油机工作过程是瞬变的、多维和多相的。燃油喷射、雾化、破碎、蒸发、油气混合、着火、燃烧、排放物生成这些物理和化学变化过程在燃烧过程中是以毫秒级的时间完成的。柴油机的燃烧模型经历了从零维模型到准维模型再到多维模型的理论研究过程。柴油机工作时缸内存在着复杂的湍流运动，多维模型可以准确模拟计算缸内气流运动的变化^[10]。本文基于相关燃烧理论，利用AVL FIRE软件对DK20型柴油机进行数值模拟计算的过程就是对柴油机进行多维模型的求解过程。通过软件的仿真计算，研究喷孔直径、喷孔锥角、喷油提前角等喷油系统参数对柴油机燃烧排放性能的影响。它主要涉及湍流模型、喷雾模型、着火和燃烧模型以及排放模型^[11]。正确合理地选择相关模型是保证仿真计算质量的关键。本章是对本文数值模拟计算过程中涉及到的一些流体力学建模基本控制方程、求解模型以及相关的模型选用的分析。

2.1 建模所用基本控制方程

发动机缸内多维数值模拟是以可压缩粘性流体的N-S方程为基础进行数值求解的。其中建模所用的主要的守恒方程是质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程^[12,13]。

2.1.1 质量守恒方程

所有流动问题都满足质量守恒定律，质量守恒定律是指每单位时间流体微元质量的增加，等于在相同时间间隔内流入该微元的净质量。质量守恒方程^[14]的表达式为：

式（2.1）

引入矢量符号，同时用符号表示散度，则式（2.1）写为：

式（2.2）

在式（2.1）和式（2.2）中，为密度，为时间，为速度矢量，、和为速度矢量在、和方向上的分量。

2.1.2 动量守恒方程

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