基于GT-Power和KIVA-3V的柴油机性能及排放优化研究

摘要

配气正时直接影响着内燃机的换气过程优劣，尤其是充气效率、扫气效率和换气损失。换气过程的好坏决定了缸内燃烧品质，从而影响着发动机的动力性、经济性、排放水平及其可靠性。发动机处于高转速时，一般需要设置较大的气门重叠角及进气门迟闭角，减少缸内残余废气量和增加进入气缸的新鲜充量，提高输出功率；发动机处于低转速或怠速运转时，需要设置较小的气门重叠角及进气门迟闭角，以获得较好的怠速稳定性。考虑到要兼顾高低转速时发动机的性能，就要选择一种折衷的配气正时方案，使得发动机的整体性能水平发挥到最佳。
　　本文利用 GT-Power软件建立某9.5L增压中冷柴油机仿真模型，研究进排气门正时对发动机动力性能和燃油经济性的影响。计算并输出用于KIVA-3V计算的ESC工况缸内初始边界条件，运用KIVA-3V程序验证配气正时优化前后的排放水平。主要内容及结论如下：
　　根据配气正时优化范围设计正交试验表格，利用已建立的9.5L柴油机仿真模型，确定对柴油机燃油消耗率影响的显著性因子为排气正时角 EVT，并对其开展单因子7水平细化分析，最终确定最佳燃油消耗率下的配气正时组合为进气正时角228.5° CA；排气正时角127.2°CA。配气正时优化后，发动机工况区域（1100～1700rpm，40％～100%负荷）的燃油消耗率平均优化1.18%，即从191.34g/kWh降到189.07g/kWh；工况区域的扭矩平均提升1.2%，即从1157.52Nm提升到1171.22Nm。
　　通过GT-Power仿真分析不同排气正时角对发动机动力性、燃油经济性和排放水平的影响。结果显示，随着排气正时角的推后，发动机的性能稳步提升，燃油经济性大幅改善。以1700rpm-100%负荷工况为例，排气正时角从111°CA调整到127.2° CA时，发动机扭矩从1401.14Nm提升到1527.23Nm，提升比例为9.0%；燃油消耗率从221.661 g/kWh下降到203.36 g/kWh，下降比例为8.1%。NOX排放随着排气正时角的推后而升高，Soot排放则随着排气正时角的推后而降低。
　　鉴于将排气门正时从119.5°CA调整到127.2°CA时，NOX排放有所增加，本文随后利用燃烧排放模拟精度较高的KIVA-3V程序，进行了该发动机的燃烧排放研究。先利用发动机实验数据，进行了KIVA-3V程序中燃烧模型和排放模型的验证。随后进行了配气正时优化后发动机的燃烧和排放数值模拟及分析。模拟结果表明，配气正时优化前后发动机均达到了国四排放水平。这就使得本文的配气正时优化，不仅保证了排放水平，同时改善了发动机的动力性和燃油经济性。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容和目的

1.4 本章小结

第2章 数学模型及计算原理

2.1 增压中冷柴油机数值计算中热力系统的划分

2.2 气缸内热力过程计算

2.3 进、排气系统热力过程计算

2.4 中冷器计算

2.5 废气涡轮增压器计算

2.6 KIVA-3V主要计算模型

第3章 增压中冷柴油机仿真模型的建立与标定

3.1 GT-Power软件简介

3.2 增压中冷柴油机仿真模型的建立

3.3 增压中冷柴油机仿真模型的标定

3.4 本章小结

第4章 基于正交试验设计的配气正时优化研究

4.1 研究内容及流程

4.2 进、排气正时参数设置

4.3 正交试验设计法在配气正时优化研究中的应用

4.4 不同配气正时优化试验方案的仿真模拟研究

4.5 排气正时角对发动机性能影响的仿真分析

4.6最佳配气正时下发动机性能仿真分析

4.7 本章小结

第5章 基于KIVA-3V的发动机排放数值模拟

5.1 KIVA-3V程序简介

5.2 柴油机燃烧室模型网格

5.3 输入文件及初始边界条件

5.4 燃烧模型和排放模型的实验验证

5.5 模拟计算的结果分析

5.6 本章小结

第6章 全文总结及工作展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献