摘 要

近些年，能源危机和环境污染一直是人们关注的热点，而柴油机在消耗化石能源与排放污染的方面上有很大的占比，这使得柴油机的节能减排技术就体现尤为重要，米勒循环通过调整进气门的关闭时刻来减少它的进气量并减少了实际压缩比，使压缩比小于膨胀比使得降低最高燃烧的压力与缸内温度，从而减少的排放。

本文是应用AVL中的FIRE模块，对现有模型在高、低负荷工况下对柴油机不同的进气门关闭时刻进行模拟仿真分析。计算结果表明：无论是高、低负荷下，在一定进气门关闭角的范围内，进气门的关闭角越提前或则滞后，进气量减少，缸内的压力越低，缸内平均温度降低，NO生成量减少；CO、HC的排放越随着增加。而对于有效燃油消耗率，高、低负荷下进气门关闭角越提前，它会逐渐增加。进气门关闭角越滞后，它会出现先减小后增大的规律。

关键词：柴油机；米勒循环；有效燃油消耗率；。

Abstract

In recent years, the energy crisis and environmental pollution have been the focus of attention, The diesel engine has a large proportion in the consumption of fossil energy and emission pollution, which makes the diesel engine energy-saving and emission reduction technology is particularly important. The Miller cycle reduces its actual compression ratio by changing the closing time of the intake valve, so that the expansion ratio is greater than the compression ratio to reduce the combustion pressure and temperature, thereby reducing the emission of .

This paper uses the FIRE module in AVL to simulate and analyze the different intake valve closing timings of the diesel engine under high and low load conditions. The calculation results show that, whether under high or low load, the closing angle of the intake valve lags behind or within a certain range of intake valve closing angle, the intake air amount decreases, the pressure inside the cylinder is lower, and the cylinder average is lower. As the temperature decreases, NO production decreases; CO and HC emissions increase. As for the effective fuel consumption rate, the more advanced the intake valve closing angle at high and low loads, it will gradually increase. The more retarded the intake valve closing angle, it will appear to reduce the law before the increase.

Keywords: diesel engine; Miller cycle; effective fuel consumption rate;.

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究的背景 1

1.2米勒循环的研究及应用状况 3

1.3柴油机数值仿真的发展状况 4

1.4研究内容及意义 5

第2章仿真模型的建立 6

2.1模型仿真的基本理论 6

2.1.1质量守恒控制方程 6

2.1.2能量守恒方程 7

2.1.3动量守恒方程 7

2.2计算仿真模型的建立 7

2.2.1 AVL的相关简介 7

2.2.2发动机的基本参数 8

2.2.3几何模型的创建 8

2.3本章小结 8

第3章.模型参数的设置 10

3.1三维-柴油机模型网格的创建 10

3.2求解器和相关参数的确定 10

3.3 计算模型 11

3.3.1湍流模型 11

3.3.2喷雾模型 12

3.3.3燃烧模型 12

3.3.4排放模型 12

3.4发动机模型验证 13

3.5本章小结 14

第4章 基于米勒循环的缸内燃烧过程的模拟研究 15

4.1 研究方案 15

4.2 25%负荷工况下米勒循环三维计算结果分析 15

4.2.1 LIVC对柴油机的排放和经济性能的影响 15

4.2.2 EIVC对柴油机的排放和经济性能的影响 17

4.3 75%负荷工况下米勒循环三维计算结果分析 18

4.3.1 LIVC对柴油机的排放和经济性能的影响 18

4.3.2 EIVC对柴油机的排放和经济性能的影响 19

4.4本章小结 21

第5章 全文总结及展望 22

5.1总结 22

5.2展望 22

致谢 23

参考文献 24

第1章 绪论

1.1研究的背景

早在19世纪中期，内燃机就已经开始出现了，不过那时的内燃机存在着热效率低、质量大等缺陷，所以没有得到大范围的推广和使用。在经过无数的科学家不断对它进行优化和理论不断的完善。终于使得内燃机的热效率、经济性和动力性得到大幅度的提升，使得它可以广泛的利用在道路模块和非道路模块。它不仅在国民经济和国防建设起到至关重要的作用，同时还在人们的日常生活中起到不可估量的功用。提高我国内燃机的科技水平是必不可少的，由于内燃机的燃料大部分是化石能源属于不可再生能源，这也就使得它的发展需要面对能源危机与环境污染的相关问题。在能源耗费方面，在2017年统计出我国的石油进口对外依存率达到了67.4%，而内燃机是在化石能源消耗的。内燃机所产生的CO2是国内的十分之一，对于NOx占据国内的十分之三，颗粒物排放远超过六十万吨，内燃机作为如今和未来实现低能耗、低排放的工业之中最有前景和产生的效果最为直观，它在将来的动力方面所占据的地位还能持续着很长的一段时间。在2014年我国决定在2030年左右CO2排放达到峰值，因此内燃机工业节能减排任务严峻、意义重大。另外，面临着日益严峻的能源危机和环保问题双重压力之下，世界各国对于尾气排放制定了严格的污染物排放和燃油消耗率指标，这也对内燃机提出了要求，使得发动机厂商及零部件供应商不断改进技术，向高效、节能、环保的方向发展。高动力、低污染、高经济性的新型发动机已成为各内燃机制造商和科研机构的研究热点。由于我国作为石油进口大国，每年对石油需求都是供不应求，同时在排放污染这一方面问题突出，设计出高效率、低污染、绿色能源的新型发动机更是刻不容缓。

而对于现在的状况，可持续发展的政策已经融入到全世界的理念中，使得对大自然的开采得到合理的方案，但是这也导致了每年的开采的石油都不足以满足人们日常需要。同时，伴随着人们生活水平的迅速提升，这就使得我们对生活的环境提出了相当高的要求，首当其冲的就是空气环境的治理，而对于空气的治理绝大部分的污染排放的来源自尾气。这也导致了内燃机的排放越来越严格。为了能满足以后世界的标准，除了在传统燃料发动机上运用缸内电控喷射、均质压燃、EGR等技术外，发动机还可以采取米勒循环来控制排放污染的问题，这个只需要改变进气门的关闭时刻能够提高内燃机的热效率和使得排放的也得到降低，同时实现米勒循环无需对内燃机有较大改动。在过去诸多技术条件的限制，如增压器的压比和可变气门技术的局限，这使得在采用米勒循环过程下的进气不足和启动等问题。

(一)涡轮增压中冷的技术

米勒循环是经过改变进气门的关闭时刻在下止点之后滞后关闭，这就使得内燃机的在进气过程中新鲜充量会被挤入进气管，导致发动机的做功能力有所下降，这就需要增加进气压力来保证动力性。增压中冷技术也就是将大气中的空气吸入增压后使得进气密度提升的同时降低进气温度，使得进气密度高，温度低，每个循环的进气量增加，因此增加了每个循环的燃料喷射量，使得内燃机的功率变大，对外做功也增大，由于进气压力、密度的增加，充量系数变大使得燃油在雾化更好，燃烧时间减短，燃烧更加高效，使得排放的颗粒物下降^[1]。

（二）可变气门正时技术

经过国内努力的发展可变气门技术，其发展已经相当成熟了，在国外已经走入大众化了，而对于国内发动机的起步晚，对应相关的配置和技术问题发展里国外还是有很大的差距，以下就是简单的介绍总结一下两大类的可变气门系统的优缺点；有凸轮轴式的可变气门正时系统，其又能分为三种：变凸轮轴型线、变凸轮轴相位和可变凸轮从动件。

a 变凸轮轴型线的特点就是可以改变气阀升程同时气门打开的持续时间。

b变凸轮轴相位的特点在于只改变了凸轮轴与曲轴的相位关系来改进进气门的正时。一般采用的是液压和机械来实现。

c可变凸轮从动件的特点是保持内燃机的凸轮型线不变，通过改变从动件的运动轨迹来实现气门的改动。可采取液压式、机械式两种方式实现。

综合以上其优点：以机械方式的技术成熟，安全性高；其缺点：气门正不可以连续改变调整角度有限；受凸轮型线来控制；

另一种为无凸轮轴式的可变气门系统，它也可以分成两种：电液驱动式可变气门系统和电磁驱动可变气门机构。

a电液驱动式可变气门利用一定压力的液压油驱动液压活塞，将液压油的内能转化成动能使得气门开启，当气门需要关闭时，着高压油流出液压腔，在气门回位弹簧作用下气阀关闭。

b电磁驱动可变气门机构是一种全新的设计，通过线圈通电产生磁力与弹簧的预紧力相互的制约来是的气门开启或者关闭的调节气门正时的一种方式。

综合以上其优点：阀门开关没有凸轮限制; 气门正时可以连续变化；其缺点：技术在还不够成熟，精确控制有难度，以电磁液压实现为主，可靠性较低，制作成本高^[2]；

现在随着科技的提高，高增压比的增压器面世和可变气门技术的成熟使得米勒循环技术的实现变得十分方便，可以看出它的对于面对未来的新排放规定和内燃机性能方面具有广大的前景。

1.2米勒循环的研究及应用状况

米勒循环是由阿特金森循环发展而来，这也导致了他们两个循环的原理的出发点都一样。这也让两者都被称呼为广义的米勒循环^[3],1884年英国人Atkionson通过研究提出一个特别的原理使得奥托循环的燃烧效率变高。这套发明诞生于狄赛尔循环与奥托循环诞生时间的中间时刻。它采用一套特殊的设备使得理论的到实现。整个系统设计构思路非常奇特。它的四个冲程也进行了相应的优化完善，使得这些冲程的各不相同。达到了当时最高的燃烧效率。目前，对于米勒循环的的原理大致有三大类。

（1）采取进气门晚关的方式米勒循环，是将进气门开启至活塞运动到下止点之后进气门滞后关闭，这也就使得一部分的新鲜空气由于活塞向上活动被排除，这样也就是使得它的进气量减少，它的实际压缩比减小而膨胀比又不变，使得发动机的热效率得到了提升；

（2）采取进气门早关的方式的米勒循环，是将在进气过程中，在活塞向下还没到下止点进气门提早关闭，这样就使得新鲜充量在随着活塞下行进而膨胀冷却，使得缸内压力和温度降低，发动机的实际的压缩比减小，从而缸内压缩终了温度和压力得到降低，从而使得内燃机的排放的污染物得到控制。

（3）是通过排气阀晚关来完成，由于排气阀的晚关气门废气倒流，新鲜充量减少。miller和Lieberhern采用增加进气压力，使得进气量密度增加，来补偿米勒循环过程中新鲜充量不足^[4]。

国内米勒循环的起步较晚，国外将此技术应用在汽油机上。早在1994年马自达公司采用米勒循环技术，设计开发出一台2.3L、V型6缸的KJ-ZEM型的汽油机，同时采用机械增压技术后使得发动机性能得到3.0L的功率输出，最大功率达到了164KW/5500rpm^[5]。2010年日本丰田汽车公司等人经过计算得出采用20及以上的膨胀比活塞的发动机可以将热效率改善20%。实验用机为市售压缩比为13的4缸汽油机，通过采用超高膨胀比的方式提高热效率。实验表明，热效率改善为预测值的80%。最后文章提出把可变超高膨胀比循环作为提高发动机热效率的途径是非常有限的^[6]。而对于柴油机的应用是2005年，意大利的F.Millo和F. Mallamo将米勒循环技术应用于某款排量为13升的重型二级增压柴油机，研究其性能以及排放的改善。通过一维流体力学仿真模型并配合多区燃烧模型来对其进行NOx和PM的预测。最终发现，在动力性方面有着客观的上升空间同时燃油消耗略有下降，最重要的是NOx的排放大大的降低了^[7]。显然国外研究这方面是比较多的。

国内对的研究米勒循环大部分都是对于汽油机和天然气机这一方面，而柴油机反而很少，在目前看来较新对于柴油机的米勒循环的研究的是袁帅、王贺春等人研究某船舶柴油机对一台六缸柴油机通过进气门早关和晚关这两种米勒循环探究对柴油机排放性能和经济性能的影响, 它通过采用了GT-POWER软件对变气阀重叠角和变凸轮型线两种米勒循环方案进行仿真分析^[8]；姜峰、李明海、王娟利用GT-POWER软件建立某种机车柴油机仿真计算模型，在全负荷条件下进行了两种米勒循环的对照。结果表明，进气门早关和晚关都能显著降低氮氧化物排放^[9]；贾亢、孙凯、王天友等人对二冲程柴油机建立GT-Power仿真模型，探究了对于EGR、米勒循环、进气加湿和优化喷油正时等方法对柴油机的排放性能和经济性能的影响，并通过探讨了多参数的技术措施综合来实现第三阶段排放标准的相关技术。模拟结果得到:使用单一的技术方法排放无法满足第三阶段排放标准;而对于通过采用多种措施如结合米勒循环和进气加湿，可以将排放降低至第三阶段标准，但会导致柴油机经济性能变差;EGR作为可以最大幅度的降低排放的技术，将三种技术（EGR、米勒循环和进气加湿）一起耦合在一起使用，可以使得废气再循环的使用率减小，井适度改善燃油经济性的恶化程度^[10]。国内大部分还停留在探究和模拟仿真阶段，实践和设计方面有所缺乏，但是随着能源危机和排放法规越来越严格，而米勒循环也是对付日益严重的排放法规和环境问题的一个重要方向。

1.3柴油机数值仿真的发展状况

进入21世纪以来，人类全面步入进新的纪元，计算机可以代替大批量的计算过程。使得在对于科学的研究方面也走入了数值仿真来代替大量的重复试验的时代，其结果也与试验结果非常相近。这种设计周期短、效果好、研发耗费低的方式，使得数值仿真在柴油机的研究中得到普遍的运用。就现在而言，根据对缸内空间场的假设条件不同，可以把复杂的内燃机工作过程所用的模型分为以下几类。

(1)单区模型

单区模型，也被称呼为零维模型。也就是系统内各参数没有位置的区分，空间位置上参数的数值都相等，工质均匀的分布于整个系统上，它所建立的模型处在热力平衡状态。这类模型通过示功图或者放热率的经验公式，模拟计算出各参数。同时计算成本低，使得零维模型广泛应用到模拟仿真中。它可以模拟预测出整个柴油机的动力性能和经济性能的影响。但其主要缺点是不能够考虑到喷雾、油气混合、蒸发、碰壁等工质运动的过程，火焰传播，也无法模拟非均匀的温度场对燃烧的影响。

(2)准维模型

准维模型^[11],它是以零维模型为基础上对系统的空间上进行了热力分区处理，但是它可以考虑到火焰传播、喷雾、油气混合、蒸发等过程，它的优点是除了具有单区模型的功能外，模拟流场的不同的位置的温度场的变化，也能够近似的预测发动机的燃烧产生物的排放情况。

(3)多维模型

多维模型是对系统在时间和空间的上详细各个过程的参数变化规律，利用数值求解的方法对工质流动和燃烧过程的的守恒方程进行求解，这是含有多变量的偏微分方程。它包含着简单到复杂的模型。多维模型包含着各个物理化学过程的子模型。所以这类模型需要有流体力学、数值分析、热力学等相关知识，才能被创建，同时这类模型计算工作量很大，优点是可以提供内燃机的定性和定量两种的依据，它的模拟细节更加丰富。因此内燃机数值模拟在对发动机的研究占据着十分重要的地位。

而柴油机工作过程的包含着比较复杂的流体的运动、燃油喷射雾化和燃料在缸内产生的物理化学反应以及排放物的产生等^[12]，对于现如今的仿真软件也能在够到模拟柴油机运行中的状态。在运行过程之前建立物理模型和数字模型，考虑到实践过程中影响柴油机性能的因素、通过实验确定的系数和系数的边界、在计算过程中要需要半经验公式或则是经验公式等一系列的问题开发者们在建立物理模型中通过建立大量的数据库，这也使得仿真结果符合实际值。随后仿真软件的运行即可得到了各个参数随着时间的变化值。通过计算机强大的计算能力得到柴油机的每个所需的状态参数或着是关系式，比如配气正时、柴油机的负荷特性、速度特性、燃烧规律等相互关系。伴随着科学技术不断的提高，未来计算机可以最大幅度的模拟真实的情况。使得数值模拟值与发动机实际的测量值的误差逐渐减小，模拟的结果准确性也来高。基本上可以达到对内燃机各方面设计研发的要求。本文运用的AVL的 FIRE模块来进行对柴油的工作过程的仿真，采取进气门早关（EIVC）和进气门晚关（LIVC）这两种方式对其经济性能和排放性能等进行预测。

1.4研究内容及意义

本文是通过某款柴油机为研究的对象，在之前的对柴油机的数值模拟的论述，计算机模拟内燃机的工作过程可有效预测内燃机的性能。本文所研究应用的软件是来自奥地利AVL公司中的AVL的FIRE模块，经过对进气门的关闭时刻进行设定，从而达到柴油机的进气门提前关和滞后关。模拟结果进行比较LIVC和EIVC对柴油机的排放性和经济性的影响，通过探究污染物的生成规律来优化发动机的参数设置，降低排放。主要进行了以下几方面的工作：

（1）了解现有模型的基本参数，利用FIRE对模型的参数进行修改和调试；

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