非道路柴油机进气及喷油系统虚拟优化匹配

裴庆方 赵文闯 刘全双 王学峰

摘 要：

以H24柴油机和H20柴油机为例，分析了非道路柴油机进气及喷油系统的虚拟化匹配条件，通过对数据的研究和模拟模型的构建对适应柴油机的方案做出了配置。

关键词：

非道路用柴油机;喷油嘴;虚拟优化;喷油系统

中图分类号：

TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2014）23019402

1 前言

我国作为柴油机生产大国，其柴油机生产技术水平和质量水平与国外相比，存在着很大的差距，这种差距明显表现在燃料消耗率上。工程机械、农业机械等非道路机械主要以柴油为动力，工作条件的局限性，使得燃油质量难以得到保障，又因为我国基础技术上的不足，大大的加重了空气中非道路机械的尾气含量。随着国际对环境要求的越来越严格，非道路机械中柴油机节能减排技术研究刻不容缓。合理的组织供油、进气以及燃油燃烧的过程，是降低非道路柴油机尾气排放的重要组成部分。CFD技术在柴油机优化设计中的应用应运而生，从而为真实的配机实验提供了重要的指导。

2 计算模型的构建

计算模型的虚拟设计，需要用到CFD网络软件，首先，在STAR-CCM模块中将气道部分划分成多面体结构，其从，燃烧室的构建放在ANSYS-ICEMCFD中完成。

2.1 模型和算法选择

模型的选择采用要适宜的计算出每个事项可能带有的情况和作用。因此，本文采取的模拟计算方式为K-E湍流模型。其模型内的喷雾模型可以描述空化、湍流扰动的问题，同时也能满足对气动力作用的计算。采用的其它模型依次为：Bai模型、蒸发模型、以及Shell模型。算法的选择则是采用PISO算法。

2.2 模拟计算条件

（1）计算工况选择：采用给定的两款单缸柴油机，其标定转速分别是2200r/min、2300r/min，最大扭矩转速为1760r/min。为了便于分析比较，在模拟计算过程中，数值参数都以2200r/min的标定转数和1760r/min的最大扭矩转数。

（2）初始气压以实验过程中得到的初始气压为主，以保证在不违背进气量原则的情况下，得到最初温度。喷油量数值的采用以企业提供的工种排放数据为基准。

（3）避免温度的数据要按照壁面边界和燃气接触的面积定义。

（4）因特定原因无法实现对喷油泵数据的采集，本文直接采用有机喷油速率的测量结果。

3 数值模拟模型的标定

模拟数值得到的结果与实验结果保持一致的趋势，并且误差率控制在了5%以内，这也说明了网络模型的选用和计算方式的选择是正确合理的。通过实验数值和模拟数值内H24和H20柴油机一氧化氮的排放量对比，发现两者的趋势大致相同。

通过对比，我们可以看出在标定点工况下，实验数据和模拟数据是一致的，但是在扭矩点状况下，存在的结果趋势并不一致，即实验状况下H24的一氧化氮排放量高于H20，但是模拟数值的结果却相反。实验数值和模拟数值都保持着相同的趋势：标定点状况下，H24SOOT的数值都高于H20的数值，在扭矩点状况下，两者趋势也一样。且标定点状况下，H20SOOT的排放远远低于实验数值。由此看见，数值模拟虽然不能精确的计量出柴油机排放量的数值，但是其模拟数值上的规律基本符合了实际规律。

4 模拟数值计算结果分析

4.1 H24柴油机综合优化

图1中，给出了H24柴油机扭矩点和标定点工况的下的综合排放图。假设设定其中的数据都为相对值，采用的基准为原机喷油嘴的标准，推算出个点的计算值。

从图中分析可知，进气涡流比的降低，一氧化氮与SOOT的排放量以相反的形式增加或者是减少。随着孔数的正价，一氧化氮的排放量增加，但是SOOT的排放量降低。

将各个方案的匹配程度进行量化比较，假设排放一氧化氮和SOOT的权重相同，那么结合坐标点上的绝对值计算就是其绝对值的平方根。

此外，523喷油嘴方案下，标定点工况和SOOT工况的排放水平低于50%。假设，喷油嘴仅缩小孔径，但是，NO的排放量没有增加的现象还是会发生。如何改变喷油嘴的方案，使得两者的排放量控制在一个平衡的基础上。通过分析可知，将喷油角推迟-4°时，NO的排放量在标定点的情况下减少了30%，扭矩点上减少40%。同样，SOOT也有所增加，但是比原机降低了40%。

4.2 变喷锥锥角下H24柴油机的排放量示意

对数据进行分析可知，随着喷锥锥角的增大，NO的排放量增多，SOOT的排放量、降低。从具体的数值可知，喷锥锥角度变为76°时，距离最短，但是在实际操作过程中要考虑到一氧化氮对空气的影响，因此，最终选择的喷角为74°.此时，一氧化氮的排放量为38%和31%，SOOT的排放量为43%和31%。综上所述，H24柴油机的优化，应当以选择523喷油嘴方案为基础，实现进气涡流比为2.7，喷油提前角为-4°，喷锥锥角为74°。

4.3 H20柴油机综合优化

以523喷油嘴方案为基础，实现进气涡流比为2.7，喷油提前角为-4°，喷锥锥角为74°的方案之一应用于H20柴油机上，我们看到的数据是这样子的一组数据：标定点工况下一氧化氮排放量降低30%，SOOT排放量增加2.5倍，扭矩点工况下一氧化氮排放量降低53%，SOOT排放量降低43%。由此可见，一氧化氮和SOOT必不能维持在一个很好的平衡之上，显然，这种方案并不适用与H20柴油机。

寻找进一步缩减喷油嘴喷口的方法，孔径的缩小是值得可取的方式。比如说，孔径缩小为521，配合以2.5的进气涡流。此时，标定点内一氧化氮的排放量增加6%，SOOT的排放量降低为52%，扭矩点下，一氧化氮的额排放量降低18%，SOOT低至88%。虽然，此种方案的选择解决了标定点下SOOT的排放量的问题，但是进气涡流却降低了其效率。

采取第二种方案，进气涡流采用2.5的标准，此时，结果为标点状况下一氧化氮排放量为14%，SOOT排放量为51%;扭矩点工况下一氧化氮排放量降低31%，SOOT降低至83%。其方案的设定满足了一氧化氮以及SOOT的排放标准。

由其数据对比可知，H20柴油机的选用应该要在521喷油嘴的基础上选择2.3的进气涡流，喷油提前角的设定应给为-4°。

4.4 H20和H24柴油机喷油嘴互换性的研究

我们首先对H24以及H20柴油机优选方案做出对比：差别就在于523和521喷油嘴方案的选择。两者的涡轮和两者的喷油前提角都为-4°。在对其研究的过程中，我们还考虑到了实现H20和H24柴油机的互换性。暂定的方案如下：

（1）采用521喷油机。其中喷油机喷锥锥角度为74°，喷油提前角采用的角度为-4°，此时适应的的H24柴油机进气涡流比应该选择2.2，H20柴油机选择为2.5。

（2）如果采用523喷油机。其中喷油机喷锥锥角度为78°，喷油提前角采用的角度为-4°，此时适应的的H24柴油机进气涡流比应该选择2.2，H20柴油机选择为2.5。

5 结束语

（1）通过实验和测量的数据的对比，数值模拟模型不能做到真正的数据的测量。但是在某些程度上还是反应出实验的规律。

（2）H24柴油机的优选方案：选定523喷油嘴，进气涡流比为2.7，喷油提前角为-4°，喷锥锥角为74°。H20柴油机的优选方案：选定521喷油嘴，进气涡流比为2.5，喷油提前角为-4°，喷锥锥角为74°。

（3）如果两组柴油机存在互换的可能，那么需要调节的方案为，521喷油嘴的情况下喷锥锥角为74°.喷油提前角为-4°，需要注意的是此时H24柴油机的气涡流比为2.2，H20柴油机的气涡流比为2.5。523喷油嘴的情况下，喷锥锥角为78°，喷油提前角为-4°，需要注意的是此时H24柴油机的气涡流比为2.2，H20柴油机的气涡流比为2.5。

参考文献

[1]徐振伟，尹必峰，刘胜吉等.单缸柴油机喷油系统的模拟计算与试验研究[J].机械设计与制造，2010，（8）：3234.

[2]谢亚平，计维斌.《非道路用柴油机燃料消耗率限值》标准中限值的影响因素研究[J].柴油机，2010，32（4）：1112.