缸内喷水可以降低燃烧过程的平均温度,一方面有利于指示热效率的提高,另一方面也降低了柴油机的热负荷及污染物排放量。因此,研究缸内喷水对柴油机燃烧及排放特性的影响,对改善柴油机的性能具有重要的理论指导意义和实际应用价值。论文在低速大负荷和高速大负荷工况下,以某三缸柴油机为原型,建立了三维全气道模型,通过数值模拟的手段研究水油比、喷水压力、喷水温度和喷水时刻对柴油机燃烧及排放特性的影响。研究结果表明:在高速工况下提高水油比可以明显降低发动机的热负荷,而在低速工况下效果不显著。这是因为水雾进入气缸会卷吸柴油共同推动活塞做功提高缸内温度,低转速时水滴雾化及扩散效果较差,故热负荷未得到改善;处于高转速时水分子在空气中的扩散速率加快,以水降温作用明显,故热负荷有显著的降低。对比发现,在两种转速下均采用0.3的水油质量比可以获得最佳的性能。喷水压力的改变会影响喷入气缸内水滴的雾化程度和扩散速度,在一定范围内提高喷水压力可以获得更多的热效率增量。这是因为随着喷水压力的增加,气缸内高温高压蒸汽环境的建立速率提高,燃烧更加充分,故指示热效率不断增加;而当喷水压力过大时水滴粒径太小导致其蒸发速率过快,燃烧水平反而下降。对比发现,低速工况下50MPa的喷水压力给发动机热效率带来了2.55%的增量,且NOx和Soot分别降低17.1%和3.18%;而在高速工况下采用60MPa的喷水压力时,发动机燃烧和排放水平最好,指示热效率增加了2.44%。提高喷水温度会加快额外工质做功的速率,等压膨胀过程时间延长,故热效率得到了进一步改善,当喷水温度为100°C时,柴油机热效率增量提高到2.83%,NOx、Soot和CO降低幅度分别达到18.3%和4.9%和18.4%,HC生成量也有所减少。喷水时刻的不同会对湍动能产生影响,进而影响缸内气流运动。压缩冲程早期喷水对降低发动机热负荷有着显著的影响,但对热效率提升作用不大;当喷水时刻处在压缩冲程晚期时,水滴和柴油喷射持续期有所重叠,在一定程度上减少了压缩负功并增加了膨胀正功,这两者都会改善IMEP,进一步影响发动机的指示功率和指示燃料消耗率。对比发现,喷水正时设定为10°CA BTDC时,发动机热效率增量最高,有害污染物改善效果最佳。