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1、摘要摘要面临资源枯竭、环境污染等越来越严峻的形式,对于发动机的性能和排放提出了更加严格的要求。增压技术的出现无疑给发动机行业尤其是柴油机行业带来了新的希望。然而,随着增压压比的提高,存在低速扭矩不足、响应性差等缺点,而且排放指标的恶化,同时涡轮增压器本身的性能及可靠性也制约着涡轮增压技术的发展。可变喷嘴涡轮增压和废气再循环技术的出现便具有了其重要的研究意义。本课题主要围绕现阶段涡轮增压的类型、特点,对比探究可变喷嘴增压器(VNT)和废气再循环(EGR)对柴油机性能的改变。掌握与可变喷嘴涡轮增压器(VNT)和废气再循环(EGR)相关的内容,并利用GT-power软件建立可变喷嘴涡轮增压(VNT)
2、与废气再循环(EGR)发动机模型。利用所建立的发动机模型研究外特性下各个转速时不同VNT叶片位置对发动机动力性和经济性的影响以及EGR率对柴油机进气状况和性能的影响规律,确定各个工况点下VNT开度和EGR率的相互影响关系,从而综合提高发动机的性能。分析结果表明:VNT增压器可增大柴油机的低速扭矩,并改善柴油机的经济性,扩大低油耗区的工作范围。EGR系统能很好的降低再循环废气的温度,EGR系统与VNT增压器匹配能够增大EGR率的范围。关键词: 可变喷嘴涡轮增压器(VNT) 废气再循环(EGR) 直喷柴油机 匹配 GT-PowerAbstractFacing the more and more s
3、evere situation on resource depletion and environmental pollution, there are more and more strict requirements for engine performance and emissions. It is undoubtedly that the emergence of engine supercharger technology has brought new hope for engine industry, especially diesel engine industry. How
4、ever, along with the more and more high boost pressure ratio, there are some disadvantages such as low-speed torque deficiencies, poor responsiveness and the deterioration of emission targets, at the same time, the performance and reliability of turbochargers also constraint the development of turbo
5、charging technology. The emergence of variable nozzle turbocharger (VNT) and exhaust gas recirculation (EGR) technology will have its essential significance.This topic mainly around the types and characteristics of turbocharging for the present stage, it is important to compare and explore the varia
6、ble nozzle turbocharger (VNT) and exhaust gas recirculation (EGR) on diesel engine performance change. One should have a good command of the knowledge of variable nozzle turbocharger (VNT) and exhaust gas recirculation (EGR) related content,then using the simulation software GT-power to build engine
7、 model based on variable nozzle turbo (VNT) and exhaust gas recirculation (EGR). Making full use of the engine model that to study the influence on engine power and economy among various speeds under different VNT vane position when the engine is working on the external characteristics, and EGR rate
8、 affects on the performance of diesel engine intake conditions and power, determining the degree of opening VNT under various operating points and the mutual relationship between the EGR rate so as to improve the comprehensive performance of the engine.The analysis results show that the VNT turbocha
9、rger can increase low-speed torque and improve the economy of the diesel engine,expandingthe scope of work zones on low fuel consumption. What is more, EGR systems can well reduce the temperature of the recycling exhaust gas recirculation, matching with VNT turbocharger an increase the scope of the
10、EGR rate.Keywords: variable nozzle turbocharger (VNT) exhaust gas recirculation (EGR) direct injection diesel engine GT-Power- 83 -目录目 录摘要IAbstractII目 录III第一章 绪论- 1 -1.1.国内外车用柴油机的发展状况- 1 -1.2内燃机增压技术概述- 2 -1.2.1增压器应用概况- 2 -1.2.2内燃机增压- 3 -1.3内燃机的增压- 3 -1.3.1内燃机的增压方式- 3 -1.3.2废气涡轮增压的基本形式- 5 -1.4现代柴油技术的
11、发展- 7 -1.4.1 可变喷嘴涡轮增压系统(VNT)- 7 -1.4.2 废气再循环系统(EGR)- 10 -1.4.2.1 EGR技术的发展现状- 10 -1.4.2.2 EGR系统降低NOx排放的机理- 11 -1.5本论文的研究目标以及研究内容- 12 -1.5.1 选题的意义- 12 -1.5.2 本论文的主要研究目标- 13 -1.5.3 本文的主要研究内容- 13 -第二章 GT-POWER软件建立发动机仿真模型- 15 -21概述- 15 -2.2 GT-POWER软件- 15 -2.2.1软件的介绍- 15 -2.2.2 GT-POWER软件的构成及分析- 16 -2.3柴
12、油机工作过程仿真模型的建立- 17 -2.3.1进出口环境模块的定义- 17 -2.3.2 进排气管系统模型的建立- 18 -2.3.3 进排气阀门模型的建立- 20 -2.3.4中冷器模型的建立- 22 -2.3.5可变喷嘴涡轮增压器(VNT)仿真模型的建立- 24 -2.3.5.1 压气机仿真模型的建立- 24 -2.3.5.2 涡轮模型的建立- 26 -2.3.6柴油机燃烧模型的建立:- 27 -2.4 本章小结- 33 -第三章 可变喷嘴增压器(VNT)与发动机匹配的仿真研究- 34 -31 可变喷嘴涡轮增压器(VNT)的介绍- 34 -3.2发动机与VNT匹配的理论分析- 35 -3
13、.2.1 可变喷嘴涡轮增压发动机的运行特点- 37 -3.2.2 可变喷嘴涡轮增压器的匹配要求- 38 -3.2.3 VNT的涡轮与压气机的匹配- 38 -3.2.4 VNT压气机与柴油机的匹配- 39 -3.2.5 VNT涡轮与发动机的匹配- 39 -3.3 VNT开度对发动机性能的影响分析- 40 -3.3.1 VNT开度对发动机外特性的影响- 41 -3.3.2 不同VNT开度外特性的联合运行线- 47 -3.4外特性最佳VNT开度的影响分析- 51 -3.5 本章小结- 55 -第四章 基于VNT的EGR系统与发动机的仿真研究- 57 -41废气再循环系统(EGR)- 57 -411
14、EGR系统的介绍- 57 -412 各工况下的EGR率- 57 -4. 2 EGR系统的布置- 58 -4.2.2 EGR系统在仿真软件中的布置- 60 -4.3.1EGR冷却器的结构- 62 -4.3.2EGR冷却器在仿真软件中的设置- 62 -4.4. EGR率对发动机性能影响的仿真研究- 64 -4.4.1 发动机进气状态随EGR率的变化趋势- 65 -4.4.2 发动机性能随EGR率的变化趋势- 69 -4.5 某典型工况下VNT与EGR的影响规律的仿真研究- 71 -4.6 本章小结- 77 -第五章 全文总结与展望- 79 -51 本文主要工作和结论- 79 -52全文前景与展望-
15、 81 -参考文献- 82 -致谢- 84 -直喷柴油机VNT和EGR的影响规律与仿真第一章 绪论十九世纪末德国工程师狄塞尔发明了柴油机,丰富了现代世界的物质文明。在这一百多年来,内燃机经历了很多技术上的变革与创新,并在经济性,动力性,排放等方面取得了巨大的发展和进步。自柴油机诞生之日起,行业内的工程师及科学家就对其各个方面的性能不断的进行提高和优化。最初,从单纯的以大扭矩输出或者大功率输出为目的的动力性的追求;随着能源危机的到来,变为追求更高的热效率或者更高机械效率的经济性;再到今天的日益严重的环境问题,对低排放,低污染,高环保,清洁性有了更高的要求。但是在这发展历程中,柴油机其较高的热效率
16、、较好的能量利用率,较少的废气排放量,较好的燃油经济性等特点一直在各个领域中广泛地使用,使之成为了当今世界上最为理想的机型,并且对柴油机的开发和研究成为了最重要地科研技术领域之一,在内燃机的发展中占据着举足轻重的地位。 1.1.国内外车用柴油机的发展状况鉴于柴油机的以上特点,普遍用于各种各样的汽车、船舶动力设备、军用设施、车辆工程机械、机车、矿山机械、小型发电站和农用机械等范围中。当前,美国、日本等发达国家中,100的重型车所有都采用柴油机;在欧洲等国,柴油车中轿车占约五分之一,商用车占半分之九十,在德国、瑞典等国中差不多所有出租车上都采用柴油机;在美国,商用车为柴油车的比例约为百分之九十;在
17、日本,柴油车中轿车占约十分之一,商用车占38的比例,1990年,中轻型柴油车在日本主要的轻型载货车所占的比例为59,1994年为67,而现在柴油机的比例已达到95以上。另外,日本近些年来还在发展柴电混合动力车的技术上做了率先和大胆的尝试。汽车柴油化已经成为国际化的潮流,车用内燃机已经踏步进入“汽车柴油化时代”或者“车用柴油化时代”。在柴油机的研发上我国相对其他美国、日本西方等国家要晚很多,尤其是在研发柴油轿车的技术上目前还处于起步阶段,但发展态势总体十分迅速,有着广阔的发展空间。根据数据统计,我国柴油车的市场比例在仍然比较低,但是随着我国柴油机技术的发展,其总销量以每年12的速度增长,而且柴油
18、车总量很快将超过190万辆。车用柴油化时代已经发展成为必不可挡的国际趋势。中国汽车产业与其他发达国家相比,还相对落后,发动机的各种性能和体验不仅较差,并且各种吨位的发动机布局设置也不负荷我国的实际情况。在我国,柴油车主要集中应用于中吨位车上,虽然近年来受到西方发达国家汽车柴油机化的冲击,已经开发应用了一些轻重吨位的车用柴油机,扩大了柴油机的应用范围,取得了不错的成绩,但在轻型车用柴油机的研发和升级方面依然相对落后,不能满足市场的需求急需近一步的开发研究。自1980以来,中国的柴油发动机技术水平的发展速度有较快的增长,通过采用一些先进的技术和国外的模式,使中国的柴油发动机的整体水平有很大提高,然
19、而,我国车用柴油机的自主养发水平还比较低。柴油机在中国的发展起步晚,基础薄弱,和各种不同的技术水平与国际先进水平相比仍然是滞后10至20年后,和国内的发展形势,汽油发动机比柴油机发展的要好。对于全新整机柴油机关键部件和产品的开发能力也是有限的。许多国外的先进技术在国内甚至仍是空白,技术瓶颈急需突破。为了较快的缩小与国际先进水平的差距,近些年来,虽然国内柴油机的科研机构和厂家购买国外的一些先进的产品技术,各大高校与厂商合作进行联合开发等多种方式来推进柴油机的发展,使我国柴油机的科研水平和性能指标有了不少的提高。但从整体上看,核心技术仍握在美、日、德等发达国家手中,导致产品和技术的发展缺乏连续性,
20、性能指标也很难达到排放标准所需的水平,只相当于欧III的标准。这就需要国内企业与企业,高校与高校,企业与高校加强合作,以使国内柴油机的技术有所发展,努力向国际技术靠拢。1.2内燃机增压技术概述1.2.1增压器应用概况 早在第十九世纪末产生就有涡轮增压技术开始,到二十世纪开始了研究和应用。随着机械制造技术和新型材料的发展提高,柴油机的增压技术在20世纪中叶时就进行了大范围的推广和应用,而且汽油机上的增压技术也有所发展。到现在为止,50%以上的车用柴油机和大部分大功率工程机械柴油机都使用了增压技术。增压器的发展和进步到现在已经有70多年。但是就现在的发展状况而言国外的大多数大中型柴油车上都采用了增
21、压技术。增压技术在中小型车用柴油机上的发展和应用也十分迅速,最明显的是许多高价位的先进小型轿车上的柴油机安装增压器的也越来越多。根据资料介绍,据介绍,在国外,重型柴油发动机100%装有增压器,其他的小组件的柴油涡轮增压器的比例也逐渐增加。综上所述,各种汽油机和柴油机越来越多的成功采用了增压器以更好的提高发动机的动力性和经济性。 1.2.2内燃机增压所谓的内燃机增压,即使发动机的进气压力升高,使冲入发动机气缸的新鲜空气量增加,即使缸内空气密度增大,空气增多了就能够喷入更多的燃油,有利于更多的提高柴油机的平均有效压力和扭矩。如果在新鲜空气进入气缸前能够进行压缩容积的处理,使进气密度增大,则可使相同
22、的气缸工作容积内进入更多的空气,于是可以增加每循环的供油量,使发动机的输出功率增大。发动机增压能够使发动机的进气压力提高,使输入到发动机气缸的新鲜空气量增加,可以使缸内空气密度提高,因此可相应地增加每循环供油量,以大幅度提高发动机的动力性。有关数据表明,在同样功率的情况下,相对自然吸气发动机,增压发动机的排量能够消减百分之十到三十,燃油经济性能够提高大约百分之十。柴油机的增压程度通常以增压度来表示,增压发动机的增压度定义为增压后的功率与增压前功率之差,再与增压前功率的比值的百分比。因为通过增压器压缩的空气压力和温度在上升,导致空气密度和压力也随之增加。因此,为了更好的提高增压比,一般在增压器后
23、安装中冷器以使增压后的空气温度降低,进一步使空气密度增加。中冷器还有一个作用就是是可以使柴油机的循环平均温度降低,有利于减小发动机的热负荷。1.3内燃机的增压1.3.1内燃机的增压方式 机械增压增压器是通过发动机的输出端将动力传递给传动机构来驱动压缩机,提高进气压力,发动机的输出轴直接驱动加压装置,实现空气压缩,达到提高进气压力的目的。但机械增压使压气机压缩空气会消耗发动机的功率使其功率降低,消耗了发动机的输出功,并且随着发动机增压压力的提高,机械增压器所消耗的功率迅速增大,从而使发动机的动力输出减少,燃油消耗率增加。因此,只有属少数低增压内燃机应用机械增压技术。 废气涡轮增压废气涡轮增压是指
24、将内燃机的排气能量进行进一步的回收循环使用来推动废气涡轮增压器的涡轮叶片旋转,涡轮带动与它同轴的压气机向内燃机气缸供给高压空气,提高进气压力。废气涡轮增压的增压方式在是在空气压力升高的同时也使空气温度升高了很多,这不利于进一步提高空气密度,限制了发动机的热负荷。为了解决这个问题,经常压气机之后与发动机之前装一个空气冷却器,以进一步降低进气温度。这种增压方式可回收部分排气的能量,提高了能量的利用效率。但因发动机与增压器之间是气体连接,相应性较差,难匹配,低速转矩性较差。这是现代应用最广的增压方法。 两级增压二级增压系统指的是两种不同尺寸系列涡轮增压器的协同使用,既可用同轴连接,也可在不同的轴。空
25、气先经低压级增压机压缩,然后经过中冷器冷却再经过高压级增压器压缩,在经过中冷器,然后进入气缸。图1-1 两级增压复合增压复合增压内燃机既装有废气涡轮增压器,又装有机械增压器或采用惯性增压。复合增压的方式一般只在二冲程的柴油机上采用,因此应用范围很小。惯性增压惯性增压是指在内燃机安装经过特殊设计的进排气管,根据气体运动的波动效应和惯性效应的影响,提高发动机的进气,实现对发动机的增压。这种增压方式的应用范围比较窄,但是在单缸机上功率大约能够提高百分之十多一点。气波增压气波增压用气波增压器来实现增压。图1-2.内燃机各种增压方法示意图1.3.2废气涡轮增压的基本形式 废气涡轮增压系统由废气涡轮增压器
26、、进和排气系统构成。因为发动机受布局组织尺寸的束缚,点燃的气体在缸内不能有效的膨胀至大气压力。因此,排气开始时气缸内的燃气压力远比大气压力高,这样,排气就具有一定能量。废气涡轮增压体系将废气产生的能量高效率的传递给涡轮机,使涡轮机得到较高的效率,同时有利于内燃机气缸的扫气,减少泵气损失。依据排气管中压力状况和排气能量的利用方式,废气涡轮增压系统通常分为定压增压系统和脉冲增压系统。图1-3. 定压增压系统和脉冲增压系统 定压增压系统内燃机所有气缸的排气经过排气歧管进入一根又粗又大的排气总管,然后流入涡轮机。排气总管的功能是稳压,这样能够使总管内的气体压力保持恒定。因此,涡轮在稳定气流下工作,功率
27、损失小,所以涡轮机效率较高。但选取这类系统时内燃机加速性能和低负荷特性较差,因此定压增压系统只适用于高增压、工况转变少的场合。 脉冲增压系统这种系统的特点是利用细小的排气管中产生尽可能大的压力脉动。为此,排气支管做得细而短,涡轮尽量靠近内燃机气缸。排气互不干扰的几个气缸(一般为二缸或三缸)的排气支管连在一根排气管上,如此,每根排气管中就构成两个或三个连续的排气脉冲波。涡轮机的喷嘴环根据排气管的数目进行隔开并分组,使排气脉冲波互不干扰。采用脉冲增压系统能充分利用排气能量,改善变工况性能;但涡轮机在脉动流工作,涡轮效率低。为了克服这两个系统的缺点,开发了一个脉冲转换系统和多脉冲系统。 二者的优劣势
28、:恒压系统的优点为可以保证废气恒压并且连续的进入涡轮,可以使得涡轮具有较高的效率。由于各缸单独一个排气管,相互间不会发生扫气干扰。其缺点为排气时会有较强的节流现象发生,增加排气的节流损失。由于脉冲增压系统与恒压增压系统二者的工作特征恰好相反,一次主要的优点为排气的节流损失较小,对排气能量的有效利用率较好。其缺点为对排气管以及涡轮的设计要求较高,且容易发生扫气干扰。图1-4.涡轮增压的两种基本形式1.4现代柴油技术的发展1.4.1 可变喷嘴涡轮增压系统(VNT) 增压系统的研究及发动机与涡轮增压器的匹配是增压技术的重要方面。常见的涡轮增压系统有严重的缺陷:在低速时发动机产生的增压压力太小不足以满
29、足发动机动力的需要。如果车用发动机的负荷和转速都有较大幅度的变化时,会使这种缺陷更加明显。概括普通涡轮增压器与车用柴油机的匹配,在现实使用中主要存在下列问题: 低速转矩不足低速和部分负荷时经济性差;启动、加速机能差,瞬态响应性缓慢,冒烟现象严重。为了解决以上缺陷,人们采用了很多措施。其中一种是减小转子惯量以改善系统的暂态响应性能,如陶瓷转子等的使用,更重要的是实现瞬时空气量调整,以适应柴油机工作条件的变化,为此发展了多种增压系统。 图1-5可变喷嘴增压器 增压系统研究的主要方向是发动机与涡轮增压器的匹配以及改善增压发动机的低速性能。在涡轮增压器自身结构方面,主要是通过采用陶瓷转子、废气放气阀、
30、可变截面涡轮增压器(VGT) 、前倾后弯叶轮和混流涡轮等措施加以改进;柴油机涡轮增压技术也应用了大量的新技术,如增压中冷技术、两级增压、废气放气增压器、Hyperbar系统、可变增压器和双增压器等等。其中可变涡轮增压器可以提高发动机的瞬态响应,在全工况范围内实现与柴油机的良好匹配,改善柴油机的经济性和排放。因此,可变涡轮增压技术是现代柴油机的关键技术之一。采用可变截面涡轮增压器可以柴油机的性能得到显著地改善,当发动机在低速运行时适当减小涡轮喷嘴流通截面积,从而增大排气背压和流速,使得可用排气能量提高,从而使增压器的转速提高,进气流量增加,改善低速转矩;当发动机在高速运行时,适当增大涡轮喷嘴流通
31、截面积,可以使排气背压和流速降低,从而防止增压器超速或者系统超压;当发动机在其它转速范围内运行时,根据排气的流通特性可变截面涡轮增压器也能很好地改变涡轮喷嘴的流通截面积,从而获得不同的进气流量和增压压力。同时,在发动机整个工作范围内,都可以通过调整涡轮截面积的大小使增压器工作在高效率区域,从而使发动机的燃油经济性提高。在柴油机的瞬态响应性的改善方面,可变截面涡轮增压器相对于固定截面涡轮增压器具有更加明显的优势,这是因为在减、加速等瞬态工况下,可变截面涡轮增压器通过迅速改变涡轮喷嘴流通截面积的方式来调整进气流量、改变增压压力,从而最大限度地满足柴油机与增压器的匹配要求,使柴油机的瞬态响应提高性,
32、降低瞬态排放。对增压器来说,与截面处于大开度位置时相比,涡轮变截面处于小开度位置时涡轮相似流量有明显的减小。因此当涡轮的流量随发动机转速降低而减小时,可变喷嘴涡轮增压器通过使喷嘴截面减少,来保持较高的膨胀比,从而涡轮机有较高的转速,以此来得到较高的增压压力和空气流速,满足发动机低速大扭矩工况时的动力要求。而随着涡轮喷嘴环开度的变化,涡轮喷嘴环流通截面将随着发动机工况的变化而变化,速比也会随之变化,这样可使涡轮在较宽的流量范围内保持较高的效率。因此可变喷嘴涡轮增压器(VNT)与发动机就可以在整个工况范围内保持良好的匹配,从而综合提升发动机的性能。可变喷嘴涡轮增压器(VNT)其结构图如图1-5所示
33、。 图1-6.VNT运行的结构示意图 VNT的喷嘴环叶片可以围绕喷嘴枢轴转动,其角度的变动由控制装置通过喷嘴拉杆控制。当叶片的位置发生变化时,涡轮的有效流通面积就会发生变化,应用此装置可以很好地满足发动机对压缩比的需求。当叶片旋转,从而降低喷嘴流动面积,通过喷嘴的流量排气流量会增加,使涡轮膨胀比的增加,并增加了动力涡轮,从而达到提高发动机的压缩比,以满足需求.当发动机不需要较高的压缩 图1-7.叶片调节作用图示 比时,转动叶片使喷嘴的流通面积变大,以降低压缩比,同时还可以减小排气的流通损失。可变喷嘴涡轮增压器可以有效地改变柴油机低工况时涡轮响应迟缓的现象,当低负荷排气能量不足时,固定喷嘴的涡轮
34、增压器会由于排气能量不足而使涡轮功率较低,进而影响压气机效率,使得气缸得不到足够的进气使得加速响应性较差。对于VNT,通过改变喷嘴位置,减小涡轮的流通面积,来提高涡轮的功率,以满足压气机功率的需求,以此提高涡轮的响应特性,改善低工况时的特性。其叶片调节作用如图1-6所示:可变喷嘴涡轮增压器通过其涡轮喷嘴叶片位置的调节,使其在柴油机低速或是低负荷工作时,像一个转动惯量较小的小涡轮一样,具有较为快速的响应性,而在柴油机高速或是大负荷工作时,像一个高效率的大涡轮。这样可以使涡轮无论是在发动机低工况还是发动机高工况都可以保持较高的效率,使得发动机在各个转速、各个工况都能与VNT达到最佳的匹配。VNT既
35、可以改善柴油机高增压比工况又可以改善柴油机低负荷时的工况,并且可以有效地降低柴油机的微粒的排放。西方很多国家为了达到日益严格的排放标准以及追求柴油机更佳的动力性及经济性,已经对VNT做了大量的研究,并且已经产品化,应用已经较为广泛。而国内此项技术研究刚起步,且还没有较为成熟的技术。 同时该增压器还具有结构布局合理、匹配形式灵活、增压体系变化少、操控方式方便等优点,因此增压器与车用柴油机的匹配中产生的问题获得了基本解决,因而有很大的发展前景。随着科技的进步和研发实力的提高,控制性能、生产工艺水平和增压器材料的提高,可变喷嘴涡轮系统的发展必将推动内燃机进一步向前发展,更好的提高发动机的性能。1.4
36、.2 废气再循环系统(EGR)1.4.2.1 EGR技术的发展现状国外方面:自上世纪60年代,国外的一些研究机构开始研究EGR理论,大规模的应用是在70年代开始。汽油发动机最初使用EGR技术,自上世纪70年代,国外的科学家和学者开始关注柴油机EGR系统,取得了快速的发展,尤其是在车用柴油机领域。国内方面:在国内,EGR的应用研究起步比较晚我国日益严格的排放法规,各种排放控制技术越来越受到人们的重视。一些科研机构和高校已经开始了对EGR系统的开发、EGR对燃烧的影响以及EGR与发动机的匹配进行了大量的研究,并取得了一些显著的成果。首先应用EGR技术的是汽油机,根据研究,废气再循环技术对于柴油机也
37、适用。由于柴油机富氧燃烧氧气,废气中氧含量比汽油发动机要高,因此它可以用于柴油机废气再循环技术降低NOx排放。当前EGR技术的应用已经在国内的中小型柴油机领域取得了一些成果和进展,而且应用于量产,但EGR技术在重型柴油机上的研发尚未进行产品应用。1.4.2.2 EGR系统降低NOx排放的机理EGR技术是降低NOx排放的有效手段,但也是满足排放法规越来越严格的必要的技术措施。大量科研数据表明:EGR率每增加l,NOx排放就能减少4,这近似成线性关系。因此为降低NOx的排放提供了切实可行的措施。EGR系统是将发动机一定量的残余废气,从排气管中导出,然后将该部分废气通过EGR阀门引入大鹏进气管中,与
38、新鲜空气混合,再进入燃烧室中参与缸内燃烧,从而实现废气的再循环利用。EGR能够加大缸内的残余废气系数,降低燃烧的反应温度,从而抑制NOx排放物的生成条件。同时,一定压力的废气对新鲜气体的稀释作用,使进气混合气O2的浓度下降,也造成了NOx排放的降低。柴油机NOx生成的条件为:高温,富氧和高温持续时间。三个条件缺一不可,只要有一个条件破坏就会降低NOx的排放,因此,EGR降低NOx排放的机理可以从抑制NOx生成的条件入手。EGR技术降低柴油机NOx排放机理: 发动机燃烧产生的废气中存在大量的惰性气体(如C02、N2、CO等),增加了点火延迟期,使得气缸内物质的热容量增加,有利于降低最高的燃烧温度
39、,从而减少了NOx的生成;可燃混合气中掺入一部分不易燃烧的不活性气体,即惰性废气,其主要包括N2、H2O、CO2,等含有很多三原子分子气体,比热容高于新鲜混合气,可以有效降低气缸内最高燃烧温度;缸内废气的增加从而使单位汽缸内的惰性分子数增加,降低了单位汽缸内的氧含量,废气稀释作用使氧气的相对浓度降低,从而使NOx的排放量降低。这三者的共同作用破坏了的富氧、高温和高温持续时间这三个NOx生成的条件,从而可以使NOx的生成大幅度的减少,降低NOx的排放。然而,选取EGR技术减少NOx排放的同时,也会伴随着少许负面的问题,如缸内混合气燃烧不稳定、发动机的油耗率、缸内最高压力有所增加并且发动机的碳烟排
40、放和颗粒排放、HC排放也会增加。因此EGR量必须进行合理的控制,综合各方面因素,才能取得最佳的效果。1.5本论文的研究目标以及研究内容1.5.1 选题的意义面临资源枯竭、环境污染等越来越严峻的形式,对于发动机的性能和排放提出了更加严格的要求。增压技术的出现无疑给发动机行业尤其是柴油机行业带来了新的希望。增压技术通过提高发动机的进气压力,增加进入气缸的空气量,缸内空气密度增加,可相应地增加循环供油量,以大幅度提高发动机的动力性。有关数据显示,在同一功率下,相对于自然吸气发动机,增压发动机的排量能够减少百分之二十到三十左右,燃油经济性可提高大约百分之十。然而,随着压比的增加,最突出的问题是发动机低
41、负荷新鲜空气摄入不足;涡轮的响应性比较慢使发动机的加速性收到了影响,并且车辆启动时产生了大量的排放污染物,制约涡轮增压技术发展的障碍涡轮增压器的可靠性和技术水平。可变喷嘴涡轮增压这一技术的出现便具有了其重要的研究意义。涡轮增压技术后,将增加NOx的排放,EGR是降低NOx排放的主要手段,废气中含有大量的二氧化碳(CO2),水蒸气(H2O)和氮(N2)等接近惰性的气体使缸内混合气的比热容增大,而且废气稀释作用使氧气的相对浓度降低,从而使NOx的排放量降低。1.5.2 本论文的主要研究目标本课题主要围绕当今涡轮增压器的分类、特征及缺陷,对比探究可变喷嘴增压器(VNT)和废气再循环(EGR)对柴油机
42、性能的影响和改变。掌握与可变喷嘴涡轮增压器(VNT)和废气再循环(EGR)相关的内容,并利用GT-power软件建立可变喷嘴涡轮增压(VNT)与废气再循环(EGR)发动机模型,利用影响规律所建立的发动机模型研究外特性下各个转速时不同VNT叶片位置对发动机动力性和经济性的影响以及EGR率对柴油机进气状况和性能的影响规律,确定各个工况点下VNT开度和EGR率的相互影响规律,从而综合提高发动机的性能。1.5.3 本文的主要研究内容(1). 利用发动机工作过程仿真计算软件GT-POWER创建直喷柴油机的仿真模型。学习了解发动机数值模拟软件GT-POWER的相关知识,接着进行了发动机各个模块的建模,主要
43、包括进出口环境模块的定义、进排气管模型的建立、进排气阀模型的建立、中冷器模型的建立、可变喷嘴涡轮增压器(VNT)仿真模型的建立(包括压气机仿真模型的建立和涡轮模型的建立)以及柴油机燃烧模型的建立。(2). 对可变喷嘴涡轮增压器(VNT)相对普通增压器的优势进行理论分析,阐明了VNT技术与涡轮机、压气机和发动机匹配的技术要求和基本原则,在此基础上,借助已经建立的发动机仿真模型,分析了当发动机处于外特性各个转速时,发动机的各种动力性、经济性指标随着VNT开度的变化规律,从而得到各个转速下最佳的VNT开度曲线。(3). 根据上面的结论进利用仿真计算软件GT-POWER进而分析发动机在各个转速最佳的V
44、NT开度所得的各种动力性、经济性指标与发动机在四个固定VNT开度下的各种性能参数进行对比分析,从而可以得出可变喷嘴涡轮系统(VNT)的优势所在。(4). 介绍发动机的废气再循环系统(EGR),阐述了几种废气取气方式的优缺点,并在原发动机仿真模型上增加废气再循环系统(EGR)模块,研究EGR率对发动机性能的影响,剖析了发动机在某一转速下不同负荷时,EGR率对发动机进气状况和性能参数的影响规律。(5). 在分析了EGR对发动机性能的影响之后,研究了发动机在某一典型工况下,VNT与EGR的相互影响规律的仿真研究,分析在不同VNT开度下,EGR率对发动机的涡前压力、压后压力、进气质量流量、有效燃油消耗
45、率和平均有效压力等各种性能参数的影响规律。 第二章 GT-POWER软件建立发动机仿真模型第二章 GT-POWER软件建立发动机仿真模型21概述 仿真技术已经成为现代设计方法的重要内容,通过仿真可以对设计对象进行性能估计与理论分析,从而减少试验的次数,有利于开发研究进度的加快。柴油机工作过程的仿真研究已经发展了很多年,这方面的理论知识和技术条件已经比较成熟,有比较多的软件产品,近些年来,内燃机研究开发工作的重要环节之一就是利用柴油机工作过程仿真进行研究发动机的性能。本章利用GT-POWER软件建立了带有可变喷嘴涡轮增压(VNT)系统的直喷柴油机的仿真模型,并在此基础上对废气再循环系统进行研究,
46、必须对柴油机工作过程仿真模型进行准确建模,因为会对计算结果等各种性能参数的准确性产生直接的影响,还讲述了利用发动机工作过程仿真计算软件GT-POWER设置了发动机模型的有关边界环境条件和各种参数,从而为该柴油机的性能指标和研究分析提供了重要的理论依据和数。 2.2 GT-POWER软件2.2.1软件的介绍GT-POWER是由Gamma Technologies公司研发的发动机工作过程的仿真模拟软件,目前世界上大部分的发动机厂家、汽车厂家、供应商以及科研单位使用该软件。GT-Power只是在GT-Suite一系列软件中的一个模块。GT-POWER软件是基于Windows操作系统,基础为一维流体动
47、力学,数值计算方法为有限体积法,把由于可燃混合气的成分不同等因素使其热力学性质发生变化的细节也考虑在内了,参数寻优采用的是数学优化方法进行,被称为“虚拟发动机,具有使用方便、操作简单、功能强大的特点。由于该软件具有强大的分析计算功能和物理仿真模型,所以它能对发动机的各种系统进行专业权威详细的性能分析。软件基于流体及热力学计算理论,把有限容积法作为求解方法,并且可以进行三维的仿真模拟。可以计算气体流动方向上压力、温度以及流量的变化过程,从而对发动机的各项性能指标进行综合分析。应用GT-POWER软件可以进行发动机定工况和变工况的仿真模拟计算,主要可以实现以下功能:进、排气管路和进、排气阀门的设计及与机体缸盖的干扰分析;功率、扭矩、油耗等性能参数的计算;管路系统温度以及气缸部件的分析; NOx、HC和碳烟等各种排放物的排放分析;发动机控制系统的设计;气门升程规律的分析;发动机与涡轮增压器的匹配;废气再循环系统 (EGR)设计;燃烧分析等等。2.2.2 GT-POWER软件的构成及分析对于GT-SUITE软件,二者在同一个操作平台上运行,拥有同一个后处理器,因此对于二者的操作方法和数据后处理方式是基本相同的。
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