非道路用小缸径涡流室柴油机排放研究与性能优化

摘要

单缸柴油机生产量较大是我国内燃机工业的一大特色，在我国缸径80mm以下的此类机型约占总产量的35％，此类柴油机大多采用涡流室燃烧系统，随着直喷化进程的不断推进，对涡流室燃烧的基础研究工作开展的少，致使国产小缸径涡流室柴油机普遍存在全负荷时烟度大、排放差、低速性能差、怠速偏高等问题，因此对小缸径涡流室柴油机开展低排放高性能技术研究具有较大的学术意义和工程价值。
　　本文以某企业新设计的170F涡流室柴油机为样机，针对原机性能较差、有害污染物排放较高的问题，以试验与模拟相结合的方法，对其喷油、燃烧系统开展研究。创新设计了长型短结构喷油嘴，运用工程软件对喷油系统进行了仿真，通过优化喷油嘴流通特性、喷油泵出油阀减压容积，减小高压油路容积等，使标定工况盛油槽内燃油峰值压力从18.54MPa增加到25.28MPa，初期喷油速率减少，喷油规律形状优化;通过改变柱塞弹簧的刚度及喷油泵运动件设计，使喷油泵工作转速满足了3600r/min柴油机匹配要求。对喷油特性改变、喷油油线偏离涡流室中心距离及涡流室容积比等参数对缸内燃烧过程和排放性能的影响进行了模拟分析，结果显示喷油油线偏离涡流室中心距离在0.33R～0.38R（R为涡流室半径）、容积比在0.47～0.5范围内，油气混合及燃烧优化，整机性能良好。研究工作表明:涡流室柴油机需类同直喷柴油机依据其单缸排量的大小设计喷油参数、优化喷油性能，并与燃烧系统参数进行匹配，才能达到低排放高性能的目标。
　　170F柴油机试验结果是:原机标定工况（3000r/min、2.6kW）的比油耗为327.3g/(kW·h)、烟度为6.1BSU;采用长型短结构喷油嘴及优化喷油系统参数后比油耗降低至282.2g/(kW·h)、烟度值则下降为2.0BSU;通过燃烧系统参数匹配比油耗降低至274.7g/(kW·h)、烟度值则下降为1.4BSU;分别用五工况和八工况测试循环对样机进行初次排放试验，气体比排放值均达到现行国Ⅲ的排放标准要求。喷油泵改进设计使柴油机标定转速提高到3600r/min，功率为3.2kW，比油耗为283.6g/(kW·h)，烟度为1.9BSU。研究工作为小缸径涡流室柴油机的节能减排提供了可供参考的技术路线。

目录

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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 170F柴油机原机性能试验及喷油系统优化

2．1 170F柴油机基本参数

2．2 170F柴油机原机性能试验与分析

2．3 小缸径涡流室柴油机喷油系统存在的问题

2．4 小缸径涡流室柴油机喷油器设计与分析

2．4．1 原喷油嘴及长型喷油嘴分析

2．4．2 长型短结构喷油嘴设计

2．5 喷油系统仿真模拟

2．5．1 AVL-HYDSIM软件介绍

2．5．2 喷油系统仿真模型的建立

2．5．3 边界条件及初始条件的设定

2．5．4 仿真模型的验证

2．5．5 原机及优化喷油器后的喷油过程分析

2．5．6 喷油泵及高压油管参数优化

2．5．7 喷油泵高速性能研究

2．6 本章小结

第三章 170F柴油机缸内燃烧过程数值模拟

3．1 研究缸内燃烧过程的基本方法

3．2 缸内燃烧过程仿真模型的建立与验证

3．2．1 模拟软件AVL-FIRE介绍

3．2．2 几何模型的建立

3．2．3 计算网格的划分

3．2．4 子模型的选取

3．2．5 初始条件及边界条件的确定

3．2．6 仿真模型的验证

3．3 缸内燃烧过程模拟分析

3．3．1 喷油特性对170F柴油机性能及排放的影响

3．3．2 油线位置对170F柴油机性能及排放的影响

3．3．3 涡流室容积比对170F柴油机性能及排放的影响

3．4 本章小结

第四章 170F柴油机优化试验对比及分析

4．1 试验仪器介绍

4．2 试验内容

4．3 170F柴油机优化试验

4．3．1 喷油嘴优化试验

4．3．2 喷油泵优化试验

4．3．3 燃烧系统优化试验

4．3．4 供油提前角调整试验

4．3．5 整机优化前后性能及排放对比试验

4．3．6 170F柴油机缸内压力采集与分析

4．3．7 整机排放及万有特性试验

4．4 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