非道路柴油機進氣及噴油系統(tǒng)虛擬優(yōu)化匹配

裴慶方 趙文闖 劉全雙 王學峰

摘 要：

以H24柴油機和H20柴油機為例，分析了非道路柴油機進氣及噴油系統(tǒng)的虛擬化匹配條件，通過對數(shù)據(jù)的研究和模擬模型的構建對適應柴油機的方案做出了配置。

關鍵詞：

非道路用柴油機;噴油嘴;虛擬優(yōu)化;噴油系統(tǒng)

中圖分類號：

TB

文獻標識碼：A

文章編號：16723198（2014）23019402

1 前言

我國作為柴油機生產(chǎn)大國，其柴油機生產(chǎn)技術水平和質量水平與國外相比，存在著很大的差距，這種差距明顯表現(xiàn)在燃料消耗率上。工程機械、農(nóng)業(yè)機械等非道路機械主要以柴油為動力，工作條件的局限性，使得燃油質量難以得到保障，又因為我國基礎技術上的不足，大大的加重了空氣中非道路機械的尾氣含量。隨著國際對環(huán)境要求的越來越嚴格，非道路機械中柴油機節(jié)能減排技術研究刻不容緩。合理的組織供油、進氣以及燃油燃燒的過程，是降低非道路柴油機尾氣排放的重要組成部分。CFD技術在柴油機優(yōu)化設計中的應用應運而生，從而為真實的配機實驗提供了重要的指導。

2 計算模型的構建

計算模型的虛擬設計，需要用到CFD網(wǎng)絡軟件，首先，在STAR-CCM模塊中將氣道部分劃分成多面體結構，其從，燃燒室的構建放在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算出每個事項可能帶有的情況和作用。因此，本文采取的模擬計算方式為K-E湍流模型。其模型內的噴霧模型可以描述空化、湍流擾動的問題，同時也能滿足對氣動力作用的計算。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 模擬計算條件

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

（2）初始氣壓以實驗過程中得到的初始氣壓為主，以保證在不違背進氣量原則的情況下，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。

（3）避免溫度的數(shù)據(jù)要按照壁面邊界和燃氣接觸的面積定義。

（4）因特定原因無法實現(xiàn)對噴油泵數(shù)據(jù)的采集，本文直接采用有機噴油速率的測量結果。

3 數(shù)值模擬模型的標定

模擬數(shù)值得到的結果與實驗結果保持一致的趨勢，并且誤差率控制在了5%以內，這也說明了網(wǎng)絡模型的選用和計算方式的選擇是正確合理的。通過實驗數(shù)值和模擬數(shù)值內H24和H20柴油機一氧化氮的排放量對比，發(fā)現(xiàn)兩者的趨勢大致相同。

通過對比，我們可以看出在標定點工況下，實驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)是一致的，但是在扭矩點狀況下，存在的結果趨勢并不一致，即實驗狀況下H24的一氧化氮排放量高于H20，但是模擬數(shù)值的結果卻相反。實驗數(shù)值和模擬數(shù)值都保持著相同的趨勢：標定點狀況下，H24SOOT的數(shù)值都高于H20的數(shù)值，在扭矩點狀況下，兩者趨勢也一樣。且標定點狀況下，H20SOOT的排放遠遠低于實驗數(shù)值。由此看見，數(shù)值模擬雖然不能精確的計量出柴油機排放量的數(shù)值，但是其模擬數(shù)值上的規(guī)律基本符合了實際規(guī)律。

4 模擬數(shù)值計算結果分析

4.1 H24柴油機綜合優(yōu)化

圖1中，給出了H24柴油機扭矩點和標定點工況的下的綜合排放圖。假設設定其中的數(shù)據(jù)都為相對值，采用的基準為原機噴油嘴的標準，推算出個點的計算值。

從圖中分析可知，進氣渦流比的降低，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，一氧化氮的排放量增加，但是SOOT的排放量降低。

將各個方案的匹配程度進行量化比較，假設排放一氧化氮和SOOT的權重相同，那么結合坐標點上的絕對值計算就是其絕對值的平方根。

此外，523噴油嘴方案下，標定點工況和SOOT工況的排放水平低于50%。假設，噴油嘴僅縮小孔徑，但是，NO的排放量沒有增加的現(xiàn)象還是會發(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平衡的基礎上。通過分析可知，將噴油角推遲-4°時，NO的排放量在標定點的情況下減少了30%，扭矩點上減少40%。同樣，SOOT也有所增加，但是比原機降低了40%。

4.2 變噴錐錐角下H24柴油機的排放量示意

對數(shù)據(jù)進行分析可知，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，距離最短，但是在實際操作過程中要考慮到一氧化氮對空氣的影響，因此，最終選擇的噴角為74°.此時，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柴油機的優(yōu)化，應當以選擇523噴油嘴方案為基礎，實現(xiàn)進氣渦流比為2.7，噴油提前角為-4°，噴錐錐角為74°。

4.3 H20柴油機綜合優(yōu)化

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

尋找進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，孔徑縮小為521，配合以2.5的進氣渦流。此時，標定點內一氧化氮的排放量增加6%，SOOT的排放量降低為52%，扭矩點下，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定點下SOOT的排放量的問題，但是進氣渦流卻降低了其效率。

采取第二種方案，進氣渦流采用2.5的標準，此時，結果為標點狀況下一氧化氮排放量為14%，SOOT排放量為51%;扭矩點工況下一氧化氮排放量降低31%，SOOT降低至83%。其方案的設定滿足了一氧化氮以及SOOT的排放標準。

由其數(shù)據(jù)對比可知，H20柴油機的選用應該要在521噴油嘴的基礎上選擇2.3的進氣渦流，噴油提前角的設定應給為-4°。

4.4 H20和H24柴油機噴油嘴互換性的研究

我們首先對H24以及H20柴油機優(yōu)選方案做出對比：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°。在對其研究的過程中，我們還考慮到了實現(xiàn)H20和H24柴油機的互換性。暫定的方案如下：

（1）采用521噴油機。其中噴油機噴錐錐角度為74°，噴油提前角采用的角度為-4°，此時適應的的H24柴油機進氣渦流比應該選擇2.2，H20柴油機選擇為2.5。

（2）如果采用523噴油機。其中噴油機噴錐錐角度為78°，噴油提前角采用的角度為-4°，此時適應的的H24柴油機進氣渦流比應該選擇2.2，H20柴油機選擇為2.5。

5 結束語

（1）通過實驗和測量的數(shù)據(jù)的對比，數(shù)值模擬模型不能做到真正的數(shù)據(jù)的測量。但是在某些程度上還是反應出實驗的規(guī)律。

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

（3）如果兩組柴油機存在互換的可能，那么需要調節(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H24柴油機的氣渦流比為2.2，H20柴油機的氣渦流比為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H24柴油機的氣渦流比為2.2，H20柴油機的氣渦流比為2.5。

參考文獻

[1]徐振偉，尹必峰，劉勝吉等.單缸柴油機噴油系統(tǒng)的模擬計算與試驗研究[J].機械設計與制造，2010，（8）：3234.

[2]謝亞平，計維斌.《非道路用柴油機燃料消耗率限值》標準中限值的影響因素研究[J].柴油機，2010，32（4）：1112.