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1、毕业论文论文题目 喷油参数对柴油/丁醇双燃料 发动机低温燃烧的影响 学院名称 * 专 业 （班 级） * 姓 名 （学 号） * 指 导 教 师 * 系（教研室）负责人 * 2012 年 6 月 8 日目录中文摘要.1英文摘要.2第一章 绪论.3 1.1 前言.3 1.2 内燃机燃烧过程的研究方法.4 1.3 内燃机燃烧过程数值模拟技术发展概况.4 1.4 本文主要研究内容.6 1.5 本章小结.7第二章 CFD软件对柴油机中燃烧过程的数值模拟.8 2.1 CFD软件简介.8 2.2 KIVA3V 的主要特点和功能.8 2.3 KIVA - 3V 程序的构成.8 2.4 KIVA3V 的编译运
2、行.10 2.5 kiva3.f 中丁醇/柴油双燃料物化性质的计算.11 2.6 运行主程序.12 2.7 Tecplot360处理曲线图.13 2.8 本章小结.15第三章 喷油参数对低温燃烧的影响的研究.16 3.1 模拟柴油机参数.16 3.2 不同喷油提前角对燃烧特性的影响分析.17 3.3 不同喷油压力对燃烧特性的影响分析.20 3.4 本章小结.23第四章 总结与展望.24 4.1 全文总结.24 4.2 展望.24致谢.26参考文献.27喷油参数对柴油/丁醇双燃料发动机低温燃烧的影响摘 要：低温燃烧模式被认为是一种同时有效降低柴油机NOX和碳烟排放的新型燃烧模式，其应用可以满足日
3、益严格的排放法规。在柴油中掺入部分正丁醇有利于改善柴油机的低温燃烧性能。因此，研究丁醇对探索通过改变燃料性质来改善柴油机低温燃烧性能的途径、实现柴油的部分替代有重要的意义。本文利用CFD软件对柴油机中柴油/丁醇双燃料低温燃烧性能和排放性能进行三维数值模拟，分析喷油压力和喷油提前角对燃用丁醇柴油发动机的特性的影响规律。模拟试验结果表明，增大喷油提前角，缸内压力曲线和温度曲线提前，缸内压力升高，温度先升高后减小；CO和NO的排放增加。增大喷油压力，缸内压力和温度略有提高；CO和NO的排放有所增加。在高压喷射丁醇/柴油双燃料的情况下，直喷式柴油机的喷油提前角对燃烧规律和排放性能的影响比喷油压力更为显
4、著。关键词：低温燃烧，丁醇/柴油双燃料，喷油参数，数值模拟Abstract: Low temperature combustion model is considered to be a model of combustion mode at the same time reducing the NOX and soot emission effectively, for which the application can meet the increasingly stringent emission regulations. Mixed with part of butanol In th
5、e diesel is beneficial to improve the combustion performance in diesel engine. Therefore, that research on the exploration of butanol fuel to improve low temperature combustion performance in the diesel and achieve the partial fuel substitution by changing the fuel properties has important significa
6、nce. This paper conducts three-dimensional numerical simulation of combustion performance, emission performance with dual fuel of diesel/butanol in diesel engine by using the CFD software, and analysis the injection pressure and fuel injection advance angle impacting to the law of the butanol combus
7、tion characteristics in diesel engines. The simulation results show that, cylinder pressure curve and temperature curve are in advance with the increasing of the injection advance angle, as well as the cylinder temperature, but cylinder pressure rises at first and then decreases; both CO and NO emis
8、sions increase with the increasing of the injection advance angle. Cylinder pressure and temperature increased slightly with the increasing of injection pressure, as well as the CO and NO emissions. In a case of high pressure jet with butanol/diesel dual fuel, that the fuel injection advance angle e
9、ffect on combustion and emission performance is more significant than the fuel injection pressure in the direct injection diesel engine. Keywords: Low temperature combustion, Butanol/diesel dual fuel, Injection parameters, Numerical simulation第一章 绪论1.1 前言 1892年，德国发明家狄塞尔（Diesel）发明了第一台柴油机。经过一个多世纪的发展，柴
10、油机各种技术不断涌现，排放不断改善，柴油机被广泛应用于船舶动力、发电、灌溉、车辆动力等广阔的领域，尤其在车用动力方面的优势最为明显， 全球车用动力柴油化趋势业已形成，在美国、日本以及欧洲100%的重型汽车使用柴油机为动力。 在欧洲及美国，90%以上的商用车为柴油车。据专家预测，在今后20年，甚至更长的时间内柴油机将成为世界车用动力的主流。 世界汽车工业发达国家政府对柴油机发展也给予了高度重视，从税收、燃料供应等方面采取措施促进柴油机的普及与发展。柴油机已经发展成为多种用途的机械动力，成为社会发展的经济动力。随着世界能源危机和环境污染的加剧，由于能源的不可再生性及目前环境问题难以缓解，以及世界各
11、国对内燃机“节能减排”的法规要求越来越严格，人们一直积极探索燃烧效率更高、排放更低的内燃机技术。推广柴油机是提高热效率和降低温室气体排放的有效途径之一。一方面，在20世纪70年代爆发了世界范围内的石油危机和一些国家发生由汽车尾气造成的严重环境污染问题，为了缓解石油危机和解决汽车尾气污染问题，人们正在寻求能代替石油的燃料。并进行了了大量的代用燃料的研究工作，并取得丰富的研究成果。代用燃料的研究主要集中在液化石油气(LPG)、压缩天然气(CNG)、氢气(H2)、醇类、二甲醚(DME)等。醇类燃料既可以从煤炭资源中获得，还可用生物方法获得，是一种再生能源。用生物方法制醇所排放的CO2，从整个生态循环
12、的看，认为是零。正丁醇是近年来国内外关注的新型替代燃料，正丁醇可以从生物质制取。正丁醇与柴油有很好的互溶性、不需要添加剂即可以实现完全互溶，且热值较高，有较好的润滑性能。此外，正丁醇燃料含有氧，十六烷值比柴油低1。这些特性表明，掺入部分正丁醇有利于改善柴油机的低温燃烧性能。因此，这一研究对探索通过改变燃料性质来改善柴油机LTC性能的途径、实现柴油的部分替代有重要的理论意义和工程实际意义。另一方面，在柴油机新型燃烧方式中，低温燃烧(low temperature combustion，LTC)是一种有潜力的燃烧新技术，它可以同时降低柴油机NOX和碳烟排放，低温燃烧也是近年来柴油机燃烧研究的热点。
13、由于常规柴油机NOX和碳烟排放存在“此消彼长”的关系，同时降低这两种排放物非常困难。为了满足日益严格的排放法规，柴油机需要一种有效的技术途径同时降低NOX和碳烟排放。柴油机低温燃烧模式有可能成为解决这一难题的有效手段。研究表明，如果燃烧温度可以保持在低于1650 K的水平，燃烧都可以完全避开NOX和碳烟的主要生成区域，这种燃烧模式便是低温燃烧。与传统直喷式柴油机的燃烧相比，低温燃烧模式通常增加燃烧前的油气混合，或者采用大量的排气再循环( EGR) 。由空气或EGR 稀释后的混合气使燃烧温度降低，从而减少NOX的生成。均质混合气的形成减少了局部过浓的区域，从而减少了碳烟的生成。同时，稀薄的混合气
14、也有利于抑制碳烟的生成2。1.2 内燃机燃烧过程的研究方法目前，内燃机燃烧过程的研究方法有试验方法和数值模拟方法3。试验方法是指用一些测量仪器对发动机做一些试验，得到一些试验结果进行分析，它是理论研究的基础。但试验方法不但要消耗大量的人力，财力，还要耗用大量的时间，得出的结论只能显示一些表面现象，难以揭示更深层次的物理化学现象。近几十年来，随着计算机技术和计算流体力学科学的迅速发展，数值模拟方法渐渐被各国的发动机研究者和设计师所采用。通过给出发动机的初始条件，导入到模拟程序中，进行计算，就可以得出如同试验一样准确的结果。数值模拟方法不仅能够得到实验所采集的数据，还能够看到缸内燃烧过程中，每个瞬
15、间缸内的流场、温度、压力、喷油粒子的变化，从而能够更进一步分析影响发动机性能的因数。这种方法比试验方法来得简单，并且时间短，得出的结果比试验精细，可以在短时间内模拟出几组结果进行对比，以挑出发动机设计的最佳方案。1.3 内燃机燃烧过程数值模拟技术发展概况 上世纪50年代年代末，R. S. Benson利用一维数值模型计算了气道内的气体流动并获得成功，内燃机的数值模拟从此拉开了序幕，此后的二十年，由于计算机发展的限制，数值模拟一直没有开展起来，直到1978年，在美国通用公司研究中心的内燃机国际会议上，两篇关于内燃机数值模拟的文章发表，标志着内燃机数值模拟方法走向成熟。这次会议为后内燃机的数值模拟
16、的发展起到了极大的铺垫作用。后面几十年，由于计算机技术和计算流体力学的迅速发展，从而在各个工程领域中，都出现了数值模拟的研究。发动机的数值模拟就渐渐发展成一个独立的分支，它以试验数据为基础，计算机模拟程序为工具，把发动机的研发设计推向了计算机的时代。发动机的数值模拟的最主要的一个内容就是对气体流动进行综合模拟，这种模拟需要丰富的计算流体力学的知识，将CFD技术和数值模拟很好的结合起来，加以试验的参数做基础，使得数值模拟方法得出的结果和样机试验得出的一般精确，甚至更加精细。并且数值模拟方法给出的信息量大，不需要试验所花费的大量时间，人力，财力。正是由于这些优点使得数值模拟方法越来越受到许多研究者
17、的重视，模拟方法也越来越成熟。 内燃机燃烧过程模拟4，是综合运用热力学、流体力学、传热传质学、化学反应动力学和数值计算等学科的知识，来描述内燃机工作过程中缸内流动工质、传热和流体力学与热力学行为的一组物理和化学的数学方程式。它从内燃机有关工作过程的物理化学模型出发，用微分方程对有关工作过程进行数学描述，然后用数值计算方法求解，求得各参数随时空的变化规律，进而可以了解有关参数对内燃机性能的影响。根据内燃机研究对象的不同，对不同的问题采用了不同的处理方法，提出了各种燃烧模型。燃烧模型通常按照维数分为零维模型、准维模型和多维模型三类。零维模型比较简单，都是一些经验公式，能预测发动机的性能，却对发动机
18、的燃烧排放物无能为力。准维模型虽然在零维模型上做了很大的改善，可以根据不同的区域输出各种参数的平均值、燃烧排放物浓度，但在空间分布的划分方面任然不够完善，以及在各种喷雾模型、燃烧排放物生成模型的选择上也不够准确。多维模型的计算结果能够提供有关内燃机燃烧过程中的气流速度、温度、压力、成分及燃烧产物等在燃烧过程中任意时刻空间分布的详细信息，故是一种较为精细的模型。 20 世纪80 年代以来，随着计算机应用的普及、计算数值方法和计算流体力学等学科的日益成熟，内燃机缸内的工作过程多维数值模拟得到了较快的发展。其中，美国的Los Alamos 国家实验室和英国帝国理工学院的研究工作处于领先地位。在一系列
19、多维模拟的程序中，美国Los Alamos国家实验室开发的KIVA 作为一个优秀的软件，已成为美国能源部能量转化和利用技术的一个组成部分。1991 年，美国Los Alamos 国家实验室研制出KIVA - 3 程序5,6。该程序使用块结构，可以把许多复杂的几何形状分成许多简单的块结构来计算，可以计算非常复杂的几何形状，既节约了内存，又提高了速度。1997 年2 月，KIVA - 3 的改进版KIVA - 3V 完成。KIVA - 3V 程序包括了进排气过程，可以模拟伴随进排气门运动的气流流动，所以可以模拟完整的内燃机工作循环，涉及气体流动、喷油、传热和废气的生成等，几乎包括了内燃机工作过程中
20、的所有物理现象。KIVA - 3V 最显著的特点是增加并扩展了Hessel 气阀模型，因而使气阀模型的精度只依赖于网格的分辨率和单元的变形；气门可以有各自的升程曲线，气门可以是垂直的也可以是倾斜的。KIVA - 3V 的另一个特点是增加了油膜流动模型，包括喷油附壁、溅射、任意复杂壁面上油膜在空气动力效应下的流动和油膜重新进入气流时的热量与质量的交换。KIVA - 3V 还增加了混合控制湍流燃烧模型和碳烟模型，改进了导热壁面定律模型，使计算结果和实验数据更加一致。 近年来，随着对内燃机工作过程的大量研究，开发出了一系列功能齐全的商用软件，如英国Adapco公司的STAR - CD 软件，里卡多的
21、VECTIS 软件及奥地利AVL 公司的fire 和boost 等软件7,8，为内燃机研制提供了十分便利的条件。 国内内燃机工作者在消化和吸收了国外先进的数学模型、数值方法和计算程序的基础上，开发出许多内燃机工作过程数值模拟程序。如北京理工大学开发的三维内燃机工作过程通用模拟程序RES3C-；中国科学技术大学火灾科学院重点实验室开发的计算直喷式柴油机螺旋进气道与缸内空气运动的大型微机化程序IPIC - CFD (1)；同济大学、江苏理工大学开发的涡流室式柴油机工作过程的三维模拟程序Engine -；吉林工业大学开发的微机版内燃机缸内多维气流运动模拟程序SUN - 1 等。1.4 本文主要研究内
22、容由于CFD软件在内燃机机工作过程数值模拟上的研究优势，本文将利用kiva-3v软件对4102BZLQ柴油机进行模拟仿真计算，用后处理软件tecplot360对试验数据结果进行可视化。为研究喷油参数对新型燃料的低温燃烧模式的影响，本文选择废气再循环（采用30EGR率）实现低温燃烧和掺入部分正丁醇，通过调整喷油压力和供油提前角，利用强大的CFD软件进行柴油机燃烧性能、排放性能三维数值模拟，并对内燃机燃烧性能数值模拟结果进行可视化，以曲线图的形式表现出来，根据曲线图分析喷油压力和供油提前角对燃用丁醇柴油发动机的特性的影响规律。1.5 本章小结 本章介绍了目前柴油机的发展现状，提出了改善柴油机燃烧性
23、能和排放性能的试验模式。也介绍了内燃机燃烧过程数值模拟技术发展概况，为探索喷油参数对燃用丁醇和柴油的低温燃烧模式提供了解决方案，本文的研究可为丁醇柴油发动机喷油参数的优化设计提供一定的参考依据。第二章 CFD软件对柴油机中燃烧过程的数值模拟2.1 CFD软件简介CFD软件 (Computational Fluid Dynamics， 即计算流体动力学， 简称CFD。CFD是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门实用的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。CFD 软件一般都能推出多种优化
24、的物理模型，如定常和非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等等。对每一种物理问题的流动特点， 都有适合它的数值解法， 用户可对显式或隐式差分格式进行选择， 以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。CFD 软件之间可以方便地进行数值交换， 并采用统一的前、后处理工具， 这就省却了科研工作者在计算机方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动， 而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。CFD软件有：CFX、Fluent、Phoenics、Star-CD，tecplot360，kiva等。CFD 软件的一般结构由前处理、求解器、后处理三部分组成。2.2 KIVA
25、3V 的主要特点和功能 kiva 程序主要是用于计算各种内燃机燃烧流动过程的多维大型通用程序，它是一个用于科学研究的实验性程序，而并非用于生产开发的商业性程序。因此，使用kiva 程序需要具备计算流体力学、两相流、化学反应动力学和数值方法等学科领域的基础知识以及一定的计算方面的经验。 kiva3v 采用fortran77 语言编写，目前较为常用的是通用的多系统平台版本（generic multiplatform），所以可以方便地移植到现在的工作站或PC 机上使用。2.3 KIVA - 3V 程序的构成自 kiva3 开始，前、后处理模块从kiva 主程序中分离出来，整个程序构成可以分为三个相互
26、关联的部分：1）k3prep，前处理器，生成计算网格；2）kiva-3v，求解器；3) k2post，后处理器，显示流场图形。程序总的流程如图2.1 所示。图2.1 kiva3v 程序的流程 加灰的框为执行文件，其它为输入输出文件，文件内容简述如下： iprep 是网格生成器输入文件，用于定义生成网格区域的组成块形状及其之间的关系和边界。 itape5 是求解器输入文件，设置程序计算中的控制参量、模型开关、初始和边界条件（计算过程将在下一章说明）。 ipost 是后处理的输入文件，主要是设定后处理中显示图像的控制参量。 dat.* 输出计算流场中的一些变量的集总或平均值。 otape8 是求解
27、器计算过程中保存的指定时刻的共用块数据堆栈文件，改名为itape7后作为求解器需要在中断后又开始继续计算（restart）时的输入文件。 otape9 是求解器计算后得到的流场信息数据文件，改名为itape9 后作为后处理要处理的数据文件。 otape17 是网格生成器输出的网格数据文件，改名为itape17 后作为求解器的网格输入文件。 itape18 是求解器输入文件，存放气门的转角升程关系，仅在使用运动气门模型时用到。 otape11 otape12 otape21 分别输出三个程序运行中的调试信息。2.4 KIVA3V 的编译运行目前大多数的人都是在 PC 机上运行kiva 程序，该程
28、序采用Fortran77 编写，Visual Fortran 系列编译器能完全支持kiva。本文在Windows 7 系统上采用Compaq Visual Fortran 6.5 编译器编译运行kiva3v 的过程。kiva3v 的源程序文件应包括3 个共用块文件comfuel.i、comkiva.i、kiva3.f.bak 和主要的5个fortran 文件cgsdisable.f、fdate.f、kiva3.f、second.f、utility.f。 前面已介绍 kiva 分为前处理、求解器和后处理三个部分，所以要对应的建立三个工程，前后处理需要用到图形功能所以工程类型应该为fortran
29、standard graphic or quickwin application，而求解器的工程类型可以是fortran console application，接着调入对应的源程序文件到soruce files 工程目录。求解器kiva 由于源程序经常要被修改，所以最好是将kiva.f 中的各个子程序分别建立文件调入工程，这样每次修改后编译器只对改动的文件进行编译可以提高编译的速度。kiva 程序一般要求64 位的计算精度，否则的话机器的舍入误差将导致错误的结果。在PC 机这些32 位机器上运行时需要将实型数类型设为双精度，如图2.2 所示，设置路径为project/settings/for
30、tran/fortran data。图2.2 编译器精度设置由于Fortran77 程序中的数组不支持动态数组的功能，所以在编译之前要将该编译器默认的检查数组界限的功能关闭（array and string bounds），如图2.3 所示，设置路径为project/settings/fortran/run time。图2.3 编译器检查数组界限设置 编译链接后形成的执行文件有两种：调试（debug）和发行（release），只是调试方式的代码包含了一些调试信息，运行起来可能会慢一些。运行程序可以是单独运行执行文件或在编译器条件下运行，两者对输入文件的路径有不同，后者的输入文件要放在工程目录中
31、，具体操作过程是在Compaq Visual Fortran 6.5 编译器新建project，将5个fortran 文件cgsdisable.f、fdate.f、kiva3.f、second.f、utility.f 添加到project中，在编译器条件下运行，即点击biuld生成主程序。在运行编译器之前对kiva3.f 文件中的燃料的热物理性质进行了修改。2.5 kiva3.f 中丁醇/柴油双燃料物化性质的计算本文利用丁醇与柴油混合物作为燃料，其中丁醇与柴油的体积分数比为3:7，以研究燃用混合燃料对低温燃烧的影响。燃用燃料的改变，由于物化性质的变化必然引起燃烧性能的变化，由于源程序文件kiv
32、a3.f 中的燃料库只有纯柴油的热物理性质，这里需要对di进行计算并修改，计算内容包括混合燃料的临界温度tcrit及其密度roliq、分子量mw、生成热htform、焓值enthalpies、液体汽化潜热the liquid latent heats of vaporization、液体蒸汽压the liquid vapor pressures、液体粘性the liquid viscosities、表面张力the surface tensions、导热率the thermal conductivities 等。关于丁醇的热物理性质在石油化工基础数据手册9中查找，结合柴油的热物理性质根据相关公式
33、10计算出双燃料的热物理性质。2.6 运行主程序主程序是由FORTRAN语言编写的三十万行的程序集，它有一个主程序和一系列的子程序构成，每个子程序负责不同模型的计算从而实现不同的功能，子程序可以根据研究者自己的要求进行修改和完善，主程序中的子程序的调用是通过外部输入文件itape5中的参数设置控制的，这样便于实现各种不同任务的切换，节省了大量的存储空间，尽可能让各变量在需要时才占用存储空间，而不被使用时就将其存储位置让给其它变量。此外，程序运算时，会随时动态地输出计算过程的监视信息和结果。主程序运行时需要的输入文件有：(1)前处理网格文件itape17，它是由前处理程序计算生成的；(2)发动机
34、工况参数文件itape5，其中还包含了主程序中各种模型选择的开关设置；(3)气门升程文件itape18，它包含了进气门和排气门的所有了气门升程数据，主程序每计算一步都要从其中调用气门升程数据。由于本文将对4102BZLQ柴油机研究喷油参数对低温燃烧的影响，所以只需要设置程序计算中的喷油参数，下面是主程序计算时需要调用的itape5 输入文件的部分数据： 4102 Diesel Engine irest 0 nohydro 0 lwall 1 ! lpr 0 irez 2 ! ncfilm 9999 nctap8 9999 nclast99999 ncmon 10 ncaspec 22 40.0
35、，350.0，352.0，354.0，356.0，358.0，360.0，362.0，363.0，364.0，370.0，720.0，760.0，1070.0，1072.0，1074.0，1076.0，1078.0，1080.0，1082.0，1083.0，1084.0，1090.0，1440.0， gmv 0.0 cafilm 9.99e+9ca1inj 340.0 !机器参数 cadinj 8.0 !机器参数 tspmas 0.065 !机器参 tnparc 4000.0 ! anoz 4.9e-4 smr 5.30e-2 amp0 0.0 49000.0 ! nsp 12主程序运行后输出
36、文件主要有两块：一部分是dat文件和tape文件，这部分数据是缸内的一些参数的平均值，可以用Tecplot360进行处理得到曲线图；另一部分是otape9文件，可以用Fieldview进行处理，得到缸内每个瞬时的各参数的数值云图。2.7 Tecplot360处理曲线图Tecplot360软件是由美国Tecplot公司推出的功能强大的数据分析和可视化处理软件。Tecplot 360是一款将工程绘图与先进的数据可视化功能结合为一体的数值模拟和CFD可视化软件。它能按照自己的设想根据dat文件和tape文件中的数据进行绘图，安排多种布局，对一些参数进行分析。主程序运行后输出dat文件，其包含柴油机工
37、作时气缸内平均压力、温度、密度等随曲轴转角的数值变化关系，部分数据如下： degrees dynes K g/cm3 cm3 gram Crank Press Temp Density Volume Mass 2.67749E-01 1.01050E+06 2.93328E+02 1.32962E-03 6.29746E+01 8.37324E-02 2.76350E+00 1.00029E+06 2.93709E+02 1.31447E-03 6.37004E+01 8.37324E-02 4.64198E+00 9.76091E+05 2.92603E+02 1.28752E-03 6.50337E+01 8.37324E-02 6.61596E+00 9.37724E+05 2.90295E+02 1.24675E-03 6.71605E+01 8.37324E-02 1.02689E+01 8.41887E+05 2.83453E+02 1.14635E-03 7.30428E+01 8.37324E-02 7.15236E+02 5.90991E+06 1.05812E+03 2.15847E-03 6.51435E+01 1.40610E-01 7.19210E+02 6.22752E+0
