裴慶方 趙文闖 劉全雙 王學(xué)峰

摘 要：

以H24柴油機(jī)和H20柴油機(jī)為例，分析了非道路柴油機(jī)進(jìn)氣及噴油系統(tǒng)的虛擬化匹配條件，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的研究和模擬模型的構(gòu)建對(duì)適應(yīng)柴油機(jī)的方案做出了配置。

關(guān)鍵詞：

非道路用柴油機(jī);噴油嘴;虛擬優(yōu)化;噴油系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：

TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：16723198（2014）23019402

1 前言

我國(guó)作為柴油機(jī)生產(chǎn)大國(guó)，其柴油機(jī)生產(chǎn)技術(shù)水平和質(zhì)量水平與國(guó)外相比，存在著很大的差距，這種差距明顯表現(xiàn)在燃料消耗率上。工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等非道路機(jī)械主要以柴油為動(dòng)力，工作條件的局限性，使得燃油質(zhì)量難以得到保障，又因?yàn)槲覈?guó)基礎(chǔ)技術(shù)上的不足，大大的加重了空氣中非道路機(jī)械的尾氣含量。隨著國(guó)際對(duì)環(huán)境要求的越來(lái)越嚴(yán)格，非道路機(jī)械中柴油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)研究刻不容緩。合理的組織供油、進(jìn)氣以及燃油燃燒的過(guò)程，是降低非道路柴油機(jī)尾氣排放的重要組成部分。CFD技術(shù)在柴油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生，從而為真實(shí)的配機(jī)實(shí)驗(yàn)提供了重要的指導(dǎo)。

2 計(jì)算模型的構(gòu)建

計(jì)算模型的虛擬設(shè)計(jì)，需要用到CFD網(wǎng)絡(luò)軟件，首先，在STAR-CCM模塊中將氣道部分劃分成多面體結(jié)構(gòu)，其從，燃燒室的構(gòu)建放在ANSYS-ICEMCFD中完成。

2.1 模型和算法選擇

模型的選擇采用要適宜的計(jì)算出每個(gè)事項(xiàng)可能帶有的情況和作用。因此，本文采取的模擬計(jì)算方式為K-E湍流模型。其模型內(nèi)的噴霧模型可以描述空化、湍流擾動(dòng)的問(wèn)題，同時(shí)也能滿足對(duì)氣動(dòng)力作用的計(jì)算。采用的其它模型依次為：Bai模型、蒸發(fā)模型、以及Shell模型。算法的選擇則是采用PISO算法。

2.2 模擬計(jì)算條件

（1）計(jì)算工況選擇：采用給定的兩款單缸柴油機(jī)，其標(biāo)定轉(zhuǎn)速分別是2200r/min、2300r/min，最大扭矩轉(zhuǎn)速為1760r/min。為了便于分析比較，在模擬計(jì)算過(guò)程中，數(shù)值參數(shù)都以2200r/min的標(biāo)定轉(zhuǎn)數(shù)和1760r/min的最大扭矩轉(zhuǎn)數(shù)。

（2）初始?xì)鈮阂詫?shí)驗(yàn)過(guò)程中得到的初始?xì)鈮簽橹?，以保證在不違背進(jìn)氣量原則的情況下，得到最初溫度。噴油量數(shù)值的采用以企業(yè)提供的工種排放數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)。

（3）避免溫度的數(shù)據(jù)要按照壁面邊界和燃?xì)饨佑|的面積定義。

（4）因特定原因無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油泵數(shù)據(jù)的采集，本文直接采用有機(jī)噴油速率的測(cè)量結(jié)果。

3 數(shù)值模擬模型的標(biāo)定

模擬數(shù)值得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持一致的趨勢(shì)，并且誤差率控制在了5%以內(nèi)，這也說(shuō)明了網(wǎng)絡(luò)模型的選用和計(jì)算方式的選擇是正確合理的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)值和模擬數(shù)值內(nèi)H24和H20柴油機(jī)一氧化氮的排放量對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者的趨勢(shì)大致相同。

通過(guò)對(duì)比，我們可以看出在標(biāo)定點(diǎn)工況下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)是一致的，但是在扭矩點(diǎn)狀況下，存在的結(jié)果趨勢(shì)并不一致，即實(shí)驗(yàn)狀況下H24的一氧化氮排放量高于H20，但是模擬數(shù)值的結(jié)果卻相反。實(shí)驗(yàn)數(shù)值和模擬數(shù)值都保持著相同的趨勢(shì)：標(biāo)定點(diǎn)狀況下，H24SOOT的數(shù)值都高于H20的數(shù)值，在扭矩點(diǎn)狀況下，兩者趨勢(shì)也一樣。且標(biāo)定點(diǎn)狀況下，H20SOOT的排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)數(shù)值。由此看見(jiàn)，數(shù)值模擬雖然不能精確的計(jì)量出柴油機(jī)排放量的數(shù)值，但是其模擬數(shù)值上的規(guī)律基本符合了實(shí)際規(guī)律。

4 模擬數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

4.1 H24柴油機(jī)綜合優(yōu)化

圖1中，給出了H24柴油機(jī)扭矩點(diǎn)和標(biāo)定點(diǎn)工況的下的綜合排放圖。假設(shè)設(shè)定其中的數(shù)據(jù)都為相對(duì)值，采用的基準(zhǔn)為原機(jī)噴油嘴的標(biāo)準(zhǔn)，推算出個(gè)點(diǎn)的計(jì)算值。

從圖中分析可知，進(jìn)氣渦流比的降低，一氧化氮與SOOT的排放量以相反的形式增加或者是減少。隨著孔數(shù)的正價(jià)，一氧化氮的排放量增加，但是SOOT的排放量降低。

將各個(gè)方案的匹配程度進(jìn)行量化比較，假設(shè)排放一氧化氮和SOOT的權(quán)重相同，那么結(jié)合坐標(biāo)點(diǎn)上的絕對(duì)值計(jì)算就是其絕對(duì)值的平方根。

此外，523噴油嘴方案下，標(biāo)定點(diǎn)工況和SOOT工況的排放水平低于50%。假設(shè)，噴油嘴僅縮小孔徑，但是，NO的排放量沒(méi)有增加的現(xiàn)象還是會(huì)發(fā)生。如何改變噴油嘴的方案，使得兩者的排放量控制在一個(gè)平衡的基礎(chǔ)上。通過(guò)分析可知，將噴油角推遲-4°時(shí)，NO的排放量在標(biāo)定點(diǎn)的情況下減少了30%，扭矩點(diǎn)上減少40%。同樣，SOOT也有所增加，但是比原機(jī)降低了40%。

4.2 變噴錐錐角下H24柴油機(jī)的排放量示意

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，隨著噴錐錐角的增大，NO的排放量增多，SOOT的排放量、降低。從具體的數(shù)值可知，噴錐錐角度變?yōu)?6°時(shí)，距離最短，但是在實(shí)際操作過(guò)程中要考慮到一氧化氮對(duì)空氣的影響，因此，最終選擇的噴角為74°.此時(shí)，一氧化氮的排放量為38%和31%，SOOT的排放量為43%和31%。綜上所述，H24柴油機(jī)的優(yōu)化，應(yīng)當(dāng)以選擇523噴油嘴方案為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣渦流比為2.7，噴油提前角為-4°，噴錐錐角為74°。

4.3 H20柴油機(jī)綜合優(yōu)化

以523噴油嘴方案為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣渦流比為2.7，噴油提前角為-4°，噴錐錐角為74°的方案之一應(yīng)用于H20柴油機(jī)上，我們看到的數(shù)據(jù)是這樣子的一組數(shù)據(jù)：標(biāo)定點(diǎn)工況下一氧化氮排放量降低30%，SOOT排放量增加2.5倍，扭矩點(diǎn)工況下一氧化氮排放量降低53%，SOOT排放量降低43%。由此可見(jiàn)，一氧化氮和SOOT必不能維持在一個(gè)很好的平衡之上，顯然，這種方案并不適用與H20柴油機(jī)。

尋找進(jìn)一步縮減噴油嘴噴口的方法，孔徑的縮小是值得可取的方式。比如說(shuō)，孔徑縮小為521，配合以2.5的進(jìn)氣渦流。此時(shí)，標(biāo)定點(diǎn)內(nèi)一氧化氮的排放量增加6%，SOOT的排放量降低為52%，扭矩點(diǎn)下，一氧化氮的額排放量降低18%，SOOT低至88%。雖然，此種方案的選擇解決了標(biāo)定點(diǎn)下SOOT的排放量的問(wèn)題，但是進(jìn)氣渦流卻降低了其效率。

采取第二種方案，進(jìn)氣渦流采用2.5的標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)，結(jié)果為標(biāo)點(diǎn)狀況下一氧化氮排放量為14%，SOOT排放量為51%;扭矩點(diǎn)工況下一氧化氮排放量降低31%，SOOT降低至83%。其方案的設(shè)定滿足了一氧化氮以及SOOT的排放標(biāo)準(zhǔn)。

由其數(shù)據(jù)對(duì)比可知，H20柴油機(jī)的選用應(yīng)該要在521噴油嘴的基礎(chǔ)上選擇2.3的進(jìn)氣渦流，噴油提前角的設(shè)定應(yīng)給為-4°。

4.4 H20和H24柴油機(jī)噴油嘴互換性的研究

我們首先對(duì)H24以及H20柴油機(jī)優(yōu)選方案做出對(duì)比：差別就在于523和521噴油嘴方案的選擇。兩者的渦輪和兩者的噴油前提角都為-4°。在對(duì)其研究的過(guò)程中，我們還考慮到了實(shí)現(xiàn)H20和H24柴油機(jī)的互換性。暫定的方案如下：

（1）采用521噴油機(jī)。其中噴油機(jī)噴錐錐角度為74°，噴油提前角采用的角度為-4°，此時(shí)適應(yīng)的的H24柴油機(jī)進(jìn)氣渦流比應(yīng)該選擇2.2，H20柴油機(jī)選擇為2.5。

（2）如果采用523噴油機(jī)。其中噴油機(jī)噴錐錐角度為78°，噴油提前角采用的角度為-4°，此時(shí)適應(yīng)的的H24柴油機(jī)進(jìn)氣渦流比應(yīng)該選擇2.2，H20柴油機(jī)選擇為2.5。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)和測(cè)量的數(shù)據(jù)的對(duì)比，數(shù)值模擬模型不能做到真正的數(shù)據(jù)的測(cè)量。但是在某些程度上還是反應(yīng)出實(shí)驗(yàn)的規(guī)律。

（2）H24柴油機(jī)的優(yōu)選方案：選定523噴油嘴，進(jìn)氣渦流比為2.7，噴油提前角為-4°，噴錐錐角為74°。H20柴油機(jī)的優(yōu)選方案：選定521噴油嘴，進(jìn)氣渦流比為2.5，噴油提前角為-4°，噴錐錐角為74°。

（3）如果兩組柴油機(jī)存在互換的可能，那么需要調(diào)節(jié)的方案為，521噴油嘴的情況下噴錐錐角為74°.噴油提前角為-4°，需要注意的是此時(shí)H24柴油機(jī)的氣渦流比為2.2，H20柴油機(jī)的氣渦流比為2.5。523噴油嘴的情況下，噴錐錐角為78°，噴油提前角為-4°，需要注意的是此時(shí)H24柴油機(jī)的氣渦流比為2.2，H20柴油機(jī)的氣渦流比為2.5。

參考文獻(xiàn)

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