摘 要

随着排放法规的不断更新，船用柴油机的性能仍需要进一步提升，通过不断的研究，优化船用柴油机的综合性能，使其满足于法律法规对于排放的要求是必须的。柴油机的性能受颇多因素影响，其中喷油规律就是其中很重要的一个因素。本文通过数值模拟的方法，研究了喷油特性对柴油机性能的影响。主要内容及结论如下：

（1）应用FIRE ESE Diesel建立了MAN 6L 16/24型柴油机的燃烧仿真模型，对模型进行了二维网格、三维网格以及动网格划分、初始条件和边界条件设置，通过模拟计算，对25%、50%、75%和100%负荷下的示功图、燃油消耗率和NOx比排放对与试验数据进行了比对，得到仿真模型能够较好的反映原机型的实际情况，可以用于对其性能的仿真计算。

（2）应用AVL BOOST Hydsim建立了高压共轨喷油系统模型，得到矩形、靴形和多次喷射三种喷油规律曲线。

（3）在三种喷油规律对燃烧影响的研究中发现，从矩形、靴形到多次喷射，缸内最高压力依次降低；最高温度相差不大，排气温度矩形高于靴形和多次喷射；放热率最大值依次增加的同时后移；燃烧效率靴形和多次喷射略高于矩形喷射。

（4）在三种喷油规律对排放影响的研究中发现，多次喷射的NOx和Soot的排放质量分数明显低于矩形和靴形喷射。

（5）在对多次喷射的研究中发现，较小的预喷率能有效降低主要污染物的排放；较小的预/主喷间隔角可以使主要污染物的排放较均衡；喷率为10%、预/主喷间隔角为5deg时，本机型的综合性能最好。

关键词：船用柴油机；喷油特性；多次喷射；预喷率；预/主喷间隔角

ABSTRACT

With the continuous updating of emission regulations, the performance of marine diesel engines still need to be further improved. Through continuous research and optimization of the overall performance of marine diesel engines to make it satisfied that the laws and regulations for the discharge requirements are necessary. Diesel engine performance by a number of factors, including fuel injection is one of the important factors. In this paper, the effect of fuel injection characteristics on the performance of diesel engine was studied by numerical simulation. The main contents and conclusions are as follows:

(1) The combustion simulation model of MAN 6L 16/24 diesel engine was established by using FIRE ESE Diesel. Two-dimensional grid, three-dimensional grid and dynamic grid partition, initial condition and boundary condition were set up. Compared with the experimental data, the simulation model can reflect the actual situation of the original model, and the simulation results show that the simulation results can reflect the actual situation, the model can be used for simulation of its performance.

(2) AVL BOOST Hydsim was used to establish the model of high pressure common rail fuel injection system, and three kinds of fuel injection regular curves were obtained.

(3) In the study of the effects of three kinds of fuel injection on combustion From the rectangle, the shoe shape to the multiple injection, the maximum pressure in the cylinder decreases in turn; the maximum temperature difference is not large, the exhaust temperature rectangle is higher than the shoe shape and the multiple injection; the maximum value of the heat release rate increases in turn; Shapes and multiple injections are slightly higher than rectangular jetting.

(4) In the study of the effects of three injections on emissions, it was found that the emission mass fraction of NOx and Soot was significantly lower than that of rectangular and shoe jet.
(5) In the study of multiple injections, it is found that the smaller pre-ejection rate can effectively reduce the emission of major pollutants; the smaller pre / main spray interval angle can make the discharge of the main pollutants more balanced; When pre-ejection rate is 10% and pre / main spray interval angle is 5deg, the overall performance of the models is best.

Key words: marine diesel engine；fuel injection characteristics；multiple injection；pre-spray rate；pre / main spray interval angle

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 喷油参数研究现状 1

1.2.2 多次喷射研究现状 2

1.3 研究目的及意义 3

1.4 论文研究目标与内容 4

1.5 研究方法与技术路线 4

1.6 本章小结 5

第二章 柴油机计算数学模型 6

2.1 基本方程 6

2.2 湍流模型 6

2.3 喷雾模型 8

2.3.1 油滴破碎模型 9

2.3.2 碰壁模型 9

2.3.3 蒸发模型 10

2.4 着火模型 11

2.5 燃烧模型 11

2.6 排放模型 11

2.6.1 NOx排放模型 11

2.6.2 Soot排放模型 12

第三章 柴油机燃烧室模型建立与验证 13

3.1 仿真软件优选 13

3.2 柴油机的主要技术参数 13

3.3 柴油机燃烧过程的建模 14

3.4 计算模型的试验验证 16

3.5 本章小结 17

第四章 喷油特性对柴油机性能的影响 18

4.1 三种喷油规律的模拟 18

4.2 喷油规律对燃烧的影响 19

4.3 喷油规律对排放的影响 23

4.4 喷油规律对综合性能的影响 24

4.5 本章小结 25

第五章 多次喷射对柴油机性能的影响 27

5.1 预喷率对柴油机性能的影响 27

5.1.1 预喷率对燃烧的影响 28

5.1.2 预喷率对排放的影响 30

5.1.3 预喷率对综合性能的影响 30

5.2 预/主喷间隔角对柴油机性能的影响 32

5.2.1 预/主喷间隔角对燃烧的影响 32

5.2.2 预/主喷间隔角对排放的影响 34

5.2.3 预/主喷间隔角对综合性能的影响 35

5.3 多次喷射最佳参数优化 36

5.3.1 正交化DOE试验方案 36

5.3.2 数值分析以及参数优化 37

5.4 本章小结 38

第六章 结论与展望 40

6.1 全文总结 40

6.2 研究展望 40

参考文献 42

致谢 44

第一章 绪论

1.1 研究背景

能源和环境是人类生存与发展的基础，随着人类社会经济持续、快速地发展，人类与环境和能源的矛盾日益凸显，全球气候变暖、臭氧层破坏、大气污染等环境问题已经引起全人类的反思。柴油机有着效率高、能耗低、功率范围大、使用维修方便等特点^[1]，早在19世纪中期就已经得到广泛使用。随着2016年IMO tire III规则在指定的NECA区域生效^[2]，世界上越来越多的国家和地区对船舶柴油机的排放要求会越来越高。如何在保证船舶柴油机动力性和经济性要求的同时有效降低污染物的排放已经成为未来世界内燃机发展的关键问题。作为满足柴油机动力性、经济性和降低排放的重要途径，高压共轨式电控燃油喷射系统是目前公认的最具条件、最具发展潜力的控制系统^[3]。研究表明，通过控制喷油特性，能够有效控制缸内燃烧过程，进而控制柴油机的排放等重要性能。只有不断地探索新的喷油控制策略才能使柴油机很好地适应世界各国越来越严格的法律法规要求。

1.2 国内外研究现状

电控燃油喷射系统作为目前内燃机应用最广泛的喷油系统，具有控制自由度较宽、控制精度高、能全面考虑非主要因索的影响等优点^[4]。以下是部分喷油参数和多次喷射的一些研究情况。

1.2.1 喷油参数研究现状

喷油参数对柴油机的燃烧过程有着直接影响，进而影响柴油机的动力性、经济性以及排放性^[5]。柴油机的喷油参数有喷油压力、喷油定时、喷油速率、喷孔数量以及孔径等；对于多次喷射，喷射间隔时间是最重要的参数。

国内有很多机构对这方面做了许多的研究。2014年，武汉理工大学相关研究^[6]表明，超多喷孔有利于燃油的雾化和蒸发，可使燃烧接近于预混燃烧，放热率峰值、缸内最大平均压力、最高平均温度和NOx排放都明显高于传统喷油器方案，但Soot排放可以明显减小。上海交通大学的王俊席等人研究了高压共轨电控燃油喷射系统喷油参数对柴油机各种性能的影响^[7]，研究表明：预喷能大大改善柴油机的冷启动性能；大的预喷提前角（约15°CA）小的预喷量（约25%）能降低排放烟度，但燃油消耗率回略微上升；预喷能有效降低NOx的排放；增大喷油压力可以降低烟度；主喷提前，动力性能上升，随之负荷也会增加。2009年，吉林大学做了单次喷射以及基于单次喷射的三段喷射的喷油参数对重型柴油机性能影响规律的研究^[8]，单次喷射的实验结果表明提高喷油压力不仅可以降低NOx的排放，还能改善柴油机其他方面的性能，结合喷油正时可以找到一个使整机性能最优的折衷点，在三段喷射中，通过改变喷油量可以使排放性、动力性和经济性得到优化。2010年，海军工程大学做了喷嘴结构对喷油特性的影响^[9]，结果表明在高压喷射时，喷孔内会发生气穴现象，能增加雾化效果；喷孔直径对流量系数有较大影响，喷孔数量越多，各孔流量差异越大。2012年，吉林大学通过软件仿真数值模拟的方法研究了高压共轨喷射系统喷油器结构参数（电磁阀磁场力、弹簧预紧力、铁芯质量、控制室容积等）对喷油规律、放热规律、燃油消耗率、扭矩等的影响^[10]，研究发现，控制室容积不宜过大，否则会对喷油过程产生较大影响，降低经济性和增加排放；进、回油孔直径的合理设计可以达到改善喷油规律的效果；当铁芯的质量较小（1g~15g）时，对响应速度没多大影响，但质量过大后会使响应速度变慢。