柴油机进气道喷水技术的试验研究和仿真分析

摘要

在经济大循环条件下，中国汽车产销及保有量持续快速增长，与此同时出现的能源与环境问题越趋严峻。柴油机以其高性能受到青睐，而作为主要污染物的NOx和碳烟的排放控制日趋严格。研究表明利用进气道喷水技术可以大幅度降低NOx排放，同时不引起碳烟排放的严重恶化。本文主要研究了在车用增压柴油机上应用进气道喷水技术对燃烧过程、NOx排放以及振动噪声的影响，为后续研究奠定基础。　　 本文对比分析了柴油机掺水燃烧方式的优缺点，并以4100QB车用增压柴油机为研究对象，设计开发了一套进气道喷水系统，能够方便快捷地通过改变喷射脉宽和喷射周期来实现不同的喷水量。在此基础上本文通过台架试验深入地分析进气道不同喷水量对柴油机燃烧特性、动力性、经济性、排放特性以及振动和噪声的影响。试验表明柴油机随着掺水量的增加(原机掺水量为0)，燃烧的定容度和热效率得到提高，压力升高率峰值增大，扭矩升高，油耗率略有下降，NOx排放下降，且比较明显，最大降幅为35.5％，碳烟排放升高但升幅不大，CO排放稍有降低，HC排放基本保持不变，缸盖、缸体和泵的振动加速度幅值增大，高负荷不喷水时，零部件共振引起总声压级较大，随着喷水量的增加共振现象消除，但总声压级增大。　　 由于本次台架试验的喷水量有限，为了尽可能多地降低NOx排放，本文利用GT-POWER软件建立了原柴油机以及增加进气道喷水模块的柴油机整机模型。研究分析了高喷水量对柴油机主要性能指标的影响，结果表明：当喷水量增加至4.5kg/h时，柴油机扭矩下降明显，且碳烟排放明显升高而NOx排放降低不明显。因此要选择适当的喷水量，否则会引起柴油机动力不足和排放的恶化。