摘 要

随着能源的日益枯竭以及环境的日益变化，人们对于柴油机的经济性能和排放性能有了更高的要求。在众多柴油机的影响参数中发现，压缩比的增大能够有效的提高柴油机的动力性，经济性。但与此同时，压缩比的增大也会导致NO_X排放的增加以及机械负荷的升高，因此，固定压缩比发动机的压缩比设置受到了很大的限制。可变压缩比发动机能够通过选取合适的压缩比来满足柴油机在不同工况下对于经济性能和排放性能的需求，达到节能减排的目的。

论文基于AVL-BOOST软件，建立了某六缸柴油发动机仿真模型。维持额定转速不变，选取了50%、75%、100%三个负荷，分别研究了压缩比的改变对于燃油消耗率、NO_X生成量、Soot生成量、最高爆发压力、压力升高率等的影响，并对结果产生的原因进行了分析。

研究结果表明：在所研究的负荷下，随着压缩比从13增加至17，压力升高率、最高爆发压力、Soot生成量均随之增加，NO_X生成量以及燃油消耗率随之减少，且当处于100%负荷以及75%负荷时，压缩比过大会导致NO_X生成量超标。通过研究结果分析，给出了发动机在各负荷下压缩比的选取意见，在100%负荷时压缩比取值最佳为14，75%负荷时压缩比取值最佳为15，50%负荷时压缩比取值最佳为17。

关键词：AVL-BOOST；柴油机；压缩比；仿真；性能；排放

Abstract

With the energy sources are running out and the environment is deteriorating,People have higher demands for the economic performance and emission performance of diesel engine.Among many parameters,we find when the compression ratio increases,It can improve the dynamic performance and economy of diesel engine.but at the same time,when the compression ratio increases,it can also lead the increases in NO_X emissions.Compared with traditional fixed compression ratio engine when setting compression ratio is limmited by various circumstances.Variable compression ratio engine can change the compression ratio to meet the demand of economic performance and emission performance of diesel engine under different working conditions,achieve the purpose of energy saving and emission reduction.When we selected values of compression ratio in each working condition,we need to give advice by the research and analysis.

This article is based on avl-boost software,setting up a six cylinder diesel engine simulation model.Keep the rated speed unchanged,selecting three operating points of 50%;75%and100%.Reseached and analyze the influence of compression ratio changes on fuel consumption rates, NO_x generation rates, Soot generation rates, maximum explosive pressures, pressure rise rates .

The result of research shows that:Under the specified load,with the increase of compression ratio from 13 to 17, the pressure rise rate,the maximum explosion pressure and the Soot generation will increase, NO_X generation and fuel consumption will decrease,And when the engine at 100% load and 75% load, the compression ratio too large will lead the NO_X production out of limits.By the analysis of the research results, give the suggest to how to select the engine under differant loads’s compression ratio. When the compression ratio under the 100% load, the best value is 14,under the 75% load, the best value is 15, under the 50% load, the best value is 17.

Key words: AVL-BOOST; Diesel engine;Compression ratio; Simulation; Performance; Emissions

目录

摘要 3

第一章 绪论 1

1.1研究的背景及意义 1

1.2国内外发展状况 2

1.3课题研究内容 3

第二章 柴油机建模与仿真 4

2.1 Boost软件简介 4

2.1.1预处理程序 4

2.1.2主程序 5

2.1.3后处理程序 5

2.2 Boost理论基础及相关模型介绍 5

2.2.1计算基本假设 5

2.2.2缸内的守恒方程 5

2.2.3燃烧子模型 6

2.2.4传热子模型 7

2.2.5排放模型 7

2.3柴油机模型及相关参数设置 8

2.3.1初始化全局设置 9

2.3.2发动机设置 9

2.3.3气缸进行参数设置 10

2.3.4中冷器设置 11

2.3.5增压器设置 12

2.3.6系统边界设置 12

2.3.7容积腔设置 12

2.3.8管道设置 12

2.3.9测量点设置 13

2.4本章小结 13

第三章 可变压缩比仿真分析 14

3.1仿真边界设置 14

3.2仿真结果分析 14

3.2.1压缩比对最高燃烧压力，压力升高率的影响 14

3.2.2燃油消耗率的影响 16

3.2.3压缩比对NO_X生成量的影响 16

3.3本章小结 18

第四章 总结与展望 19

4.1总结 19

4.2展望 19

第一章 绪论

1.1研究的背景及意义

自内燃机从1876年产生以来，经过了这一百多年的发展，由于其热效率高，机动性能好，结构简单等原因，现在广泛应用于生活中的各行各业中。在内燃机的两大主要分类汽油机和柴油机中，柴油机因为其相比于汽油机更高的热效率和经济性，以及良好的可靠性等优势，被广泛应用于农业生产，交通运输，工业建设等各个方面。但是不可忽视的是在柴油机运行的过程中，总是会伴随着一些燃料的未完全燃烧以及排放污染物的生成。

石油作为内燃机运行不可或缺的燃料，其不可再生到性质决定了石油资源的逐年减少。据统计，目前全球范围内已证实的石油储量为1.8万亿桶，在现有的石油消费水平下，石油还可以开采46年。在未来到十数年间，世界范围内可能就会迎来石油危机。石油问题已经成为了一个不可避免的问题。

氮氧化物和颗粒物作为柴油机运行过程中的产生的两种主要污染物。每年经柴油机排放的氮氧化物占全球氮氧化物总排放量的20%-30%，而其中的NO就是酸雨形成的主要原因之一。颗粒物作为造成雾霾的罪魁祸首之一，往往能对人们的呼吸道产生一定的损伤。

为了解决这一系列因柴油机运行带来的资源和环境问题，各国都颁布了一系列严格的法律法规来限制柴油机造成的污染，并不断更新着排放要求，目前国际上主流的排放法规有欧，美，日三种体系。而为了适应国际形式的发展，中国也陆续颁布了具有中国特色的国Ⅰ-国Ⅴ排放标准。

面对日益严格的排放法规以及严峻的能源形式，人们对于柴油发动机的经济性能和排放性能提出了更高的要求。如何进一步提高柴油发动机的经济性能和排放性能是现如今柴油发动机发展遇到的不可避免的难题。目前国内外公司采取了如高增压、高压共轨、电控集成等一系列的方法来应对这一问题。压缩比作为影响发动机经济性能和排放性能的一项重要参数，指的是气缸燃烧室容积与气缸总容积的比值，压缩比的大小直接影响着柴油机的燃烧以及换气。大量的实验研究表明，在发动机的燃烧过程中，随着压缩比的增大，能够有效的增加发动机的循环热效率，进而提高发动机的经济性能。但与此同时，过高的压缩比往往会使得发动机最高燃烧压力和压力升高率增高，从而使发动机工作载荷增大，影响其使用寿命以及造成噪声污染等问题。而过低的压缩比又会使得气缸内的温度和压力维持在一个较低值，导致燃烧性能变差，增加柴油发动机油耗，导致柴油机的经济性能下降。如何选取合适的压缩比来平衡柴油机的各项性能，是柴油机在生产设计中所必须解决的一大难题。一般来说，因为发动机的燃烧室形状以及工作容积在设计中是固定不变的，作为发动机的压缩比也相应的是固定不变的。但随着可变压缩比技术的提出，为改善柴油机经济性能和排放性能提出了一种新的方法。可变压缩比技术指的是内燃机相关系统的结构或参数随着使用要求和工况变化而变化，使内燃机在各种工况下都达到理想的工作效果，综合性能指标得到大幅提高，并能够避免不正常燃烧及超负荷工作等发生的一种技术[^[1]]。通过可变压缩比技术，我们能够依据柴油机对于经济性和排放性的要求，在不同的工况下选择合适的压缩比来尽可能多的满足这些要求。

1.2国内外发展状况

近年来，国内外学者就如何改善柴油机性能及排放影响方面做了一些深入细致的研究工作，取得了一系列的研究成果。

2011年，邹振宇，刘晶等人在GT-Power平台上对一天6106柴油机进行了仿真分析，研究了压缩比对于最高燃气压力、功率、扭矩、充气效率，研究结果表明，压缩比越大，发动机的最高燃气压力、功率、扭矩、充气效率越高，说明大的压缩比可以很好地改善柴 油机的燃烧特性，从而提高发动机的动力特性[^[2]]。

2014年，童来会，绕命发等人通过在一台四缸柴油发动机上进行实验，分别在17.5、16、14三种不同的压缩比下，分析了降低压缩比对双燃料HPCC和排放的影响，并依据结论对柴油机的经济性和排放性进行了优化[^[3]]。

同年，黄加亮，项勇兵等人在MATLAB平台上对4190ZC-2型船用增压四冲程柴油机进行实验，研究了压缩比对该四冲程柴油发动机的影响，并给出了压缩比的最佳选取意见为16.5[^[4]]。

同年，穆建华，叶年业对一台单缸的SI发动机在转速1200rpm,全负荷的情况下研究了压缩比和EGR率对发动机性能的影响，结果表明在EGR较小时适当增大EGR并不会抑制发动机内气体的燃烧，但当EGR率过大时，将会导致燃烧急剧恶化，功率扭矩下降。所以增大压缩比对柴油机性能的影响在EGR越小时越明显[^[5]]。

2016年，刘瑞林，杨春浩等人通过GT-Power软件，建立了某航空煤油发动机模型，研究了在全负荷下压缩比对航空煤油发动机燃烧和性能的影响。结果表明，当压缩比超过18时，发动机缸压取得极限值17Mpa,此时，转矩，功率上升，燃油消耗率下降，因此，给出了航空煤油发动机压缩比的选取意见为18[^[6]]。

2018年，李鹏，朱建军等人在一台CY25TQ型柴油机上，研究了压缩比在甲醇预混合气F-T柴油引燃燃烧模型下对发动机燃烧和排放特性的影响。结果表明，当压缩比从16.9下降到15.4的时候，柴油机的爆发压力，最大压力升高率均出现了不同程度的下降，HC和CO排放有所上升，而氮氧化物和碳烟排放也有所下降[^[7]]。