非道路用小缸径涡流室柴油机低排放性能研究

摘要

单缸柴油机是中国内燃机行业的一大特色，产量占全世界年产量的80％以上，其中缸径≤80 mm的单缸柴油机年产量有两百余万台。然而由于结构限制，国内外非道路小缸径柴油机仍以涡流室燃烧系统为主，因此开展小缸径涡流室柴油机低排放高性能技术研究具有一定的学术意义和工程价值。
　　以某企业批量生产的R180涡流室柴油机为研究样机，针对原机性能差、排放不达标等问题，从机内净化和机外净化两方面对柴油机的性能开展研究。机内净化首先对R180柴油机喷油系统及涡流燃烧室结构参数进行优化，优化后样机燃烧过程组织合理，工作区域内性能均有较大提升;随后重点是采用数值模拟计算与稳流试验相结合的方法，对涡流室柴油机进、排气系统流动性能开展研究，优化流道设计，提高流通能力，改进后的柴油机进、排气道AVL平均流量系数分别达0.441和0.435，较原机提高了9.70％和11.83％，标定工况下过量空气系数由原机的1.53增大为1.75，整机初始排放试验结果已低于非道路用柴油机第三阶段排放限值。为确保柴油机批量生产的一致性和有效寿命内排放值达标，在柴油机机内净化的基础上，对采用机外净化措施开展研究，提出了单缸柴油机用一体式净化消声器的技术方案;对不同结构设计和参数的净化消声器的催化性能、声学性能、空气动力性能展开研究，通过计算分析给出了催化载体优化流动均匀性的净化消声器结构，改善了净化消声器内部流动特性，可提高催化器的转化效率和使用寿命，同时满足消声作用;使用净化消声器后，整机CO、HC及PM排放显著降低。完成机内外净化的R180柴油机标定工况比油耗为260.5 g/(kW·h)，相比于原机278.1 g/(kW·h)降低了6.32％，烟度为2.0 BSU，较原机降低2.3 BSU;通过机内外协同匹配优化，八工况试验循环的整机排放CO、HC+NOx、PM分别为0.379、4.438、0.431 g/(kW·h)，相比于原机分别降低96.62％，51.32％，65.04％，柴油机按国家标准进行劣化试验，整机排放满足非道路用柴油机第三阶段排放限值要求。研究得出:通过流动特性分析提高了柴油机的进气量、合理的油气混合比的量值是实现小型柴油机低排放的基础，通过喷油、燃烧时间及空间的控制优化和高效的机外净化是小型柴油机低排放高性能的保证;研究工作给出了小缸径涡流室柴油机机内外协同匹配优化满足低排放标准的技术路线。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 非道路用小型柴油机排放法规

1．3 涡流室柴油机的国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本课题主要研究内容

第二章 R180柴油机原机性能试验及优化

2．1 R180柴油机基本参数

2．2 试验仪器介绍

2．3 R180柴油机原机性能试验与分析

2．4 R180柴油机喷油系统及涡流燃烧室结构参数优化

2．4．1 喷油系统参数匹配

2．4．2 涡流燃烧室结构参数优化

2．5 R180柴油机第一部分机内净化后整机性能和排放试验结果分析

2．6 本章小结

第三章 R180柴油机进排气系统性能优化

3．1 进排气系统性能研究的基本方法

3．2 稳流试验装置及流动特性评价参数

3．2．1 稳流试验装置

3．2．2 流动特性评价参数及其测量方法

3．3 试验用气道模型验证及其流通特性分析

3．4 气道喉口尺寸设计的合理性评价

3．5 气道流通截面连续性分析

3．6 气道内部流场模拟结果分析

3．6．1 FLUENT软件介绍

3．6．2 基本流场理论

3．6．3 模型建立

3．6．4 网格建立

3．6．5 初始条件和边界条件的确定

3．6．6 流场模拟结果与分析

3．7 进排气道结构参数优化

3．8 R180柴油机进排气道优化前后结构参数和性能试验结果对比

3．9 R180柴油机空气滤清器结构参数与性能优化

3．10 R180柴油机第二部分机内净化后整机性能和排放试验结果分析

3．11 本章小结

第四章 R180柴油机机外净化

4．1 R180柴油机消声器结构及参数分析

4．2 一体式净化消声器的设计准则和评价指标

4．3 一体式净化消声器的结构设计

4．4 一体式净化消声器空气动力性能分析

4．4．1 模型建立

4．4．2 网格划分

4．4．3 初始条件和边界条件的确定

4．4．4 流场模拟结果与分析

4．4．5 净化消声器结构参数优化

4．4．6 净化消声器稳流试验结果与分析

4．5 一体式净化消声器声学性能分析

4．6 R180柴油机机外净化后整机性能和排放试验结果分析

4．7 本章小结

第五章 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文及专利