预混合压燃氢气/柴油发动机混合气形成与燃烧过程的研究

论文摘要

当今社会能源危机和环境问题日益严重,传统的汽油机和柴油机燃烧方式都很难同时降低氮氧化物和碳烟的排放,所以有必要丌发研究新型低排放的燃烧方式。准均质充量压缩点火燃烧（QHCCI）方式占总燃料多数的预混合燃料以稀薄燃烧完成,故可能有很低的排放,尤其是碳烟和氮氧化物。由于燃烧速度比较快,QHCCI燃烧系统还有望有较好的燃油经济性,被认为是未来取代传统发动机燃烧方式的最有前途的技术之一,是目前内燃机界研究的热点。本文采用数值模拟计算的研究方法,对预混合压燃氢气/柴油发动机混合气的形成过程和燃烧过程进行了深入的研究。论文研究第一部分,针对预混合压燃氢气/柴油发动机的特点,建立数学模型,改进原KIVA-3V程序,使其不仅能够对纯柴油发动机的工作过程进行模拟,而且能够对预混合压燃氢气/柴油发动机的工作过程进行数值模拟;论文研究第二部分,对预混合压燃氢气/柴油发动机混合气的形成过程进行研究,分析燃油喷雾特性、初始涡流比和转速等对预混合压燃氢气/柴油发动机混合气形成的影响;论文研究第三部分,对预混合压燃氢气/柴油发动机着火和燃烧过程进行研究,分析引燃柴油喷雾特性、喷嘴喷孔数目、初始涡流比和转速对预混合压燃氢气/柴油发动机着火和燃烧过程的影响。数值模拟结果与实验数据有较好的吻合度,说明改进后的KIVA-3V程序不仅能够对纯柴油发动机的工作过程进行模拟,而且能够对预混合压燃氢气/柴油发动机的工作过程进行数值模拟,这为应用KIVA-3V程序及相关模型进行理论分析奠定了可靠的基础。通过研究发现,预混合压燃氢气/柴油发动机整个燃烧过程符合准均质压缩点火燃烧的特点。其燃烧过程首先在某个曲轴转角时刻柴油压燃,之后通过预混柴油燃烧放出的热量点燃周围的氢气,之后是氢气大面积的预混合主燃烧;循环氢气量越多,主燃烧（氢气大面积的预混合燃烧）会越剧烈;通过控制循环柴油量和氢气量的比例,可以同时降低一氧化氮和碳烟的排放。通过研究确定了引燃柴油喷雾特性、喷油器喷孔数目、初始涡流比和转速对预混合压燃氢气/柴油发动机混合气形成和燃烧过程的影响规律。通过选取发动机合适的转速、喷嘴喷孔数目和初始涡流比,调整喷油提前角、喷雾粒子群出口速度、喷油油量和循环氢气量,可以控制预混合压燃氢气/柴油发动机的混合气形成和燃烧过程,实现准均质充量压缩点火燃烧。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究工作的背景
• 1.1.1 环境问题
• 1.1.2 能源危机
• 1.2 柴油机新的燃烧方式
• 1.2.1 PREDIC燃烧系统
• 1.2.2 均质充气压缩点火（HCCI）燃烧系统
• 1.2.3 准均质充气压缩点燃燃烧系统QHCCI
• 1.2.4 几种燃烧方式的对比分析
• 1.3 内燃机流动与燃烧数值模拟的研究
• 1.4 课题的研究内容及方法
• 1.4.1 本文的目的和意义
• 1.4.2 本文的主要研究工作
• 1.4.3 研究方法
• 2 KIVA-3V程序结构、功能和应用
• 2.1 引言
• 2.2 KIVA程序的发展历程
• 2.2.1 EIVA程序的诞生
• 2.2.2 KIVA程序的快速发展──KIVA-II
• 2.2.3 KIVA程序的不断完善
• 2.3 KIVA-3V程序的组成和结构
• 2.3.1 前处理器K3PREP
• 2.3.2 主程序KIVA-3V的求解
• 2.3.3 后处理
• 2.4 KIVA-3V的功能和使用
• 2.4.1 KIVA-3V的功能
• 2.4.2 KIVA-3V的使用
• 2.5 本章小结
• 3 预混合压燃氢气/柴油发动机混合气形成与燃烧过程的数学模型
• 3.1 引言
• 3.2 气体流动模型
• 3.2.1 气体流动的基本控制方程组
• 3.2.2 改进的RNG k-ε湍流模型
• 3.2.3 气体流动的边界条件
• 3.3 液滴蒸发模型
• 3.3.1 液滴蒸发模型
• 3.3.2 液滴蒸发的边界条件
• 3.4 燃油喷雾模型
• 3.4.1 离散液滴模型DDM
• 3.4.2 经过修正的DDM模型
• 3.4.3 边界条件
• 3.5 燃烧模型
• 3.5.1 柴油引燃氢气预混合气的着火过程
• 3.5.2 燃烧模型
• 3.6 排放模型
• 3.6.1 氮氧化物生成机理
• 3.6.2 碳烟生成计算模型
• 3.7 模拟计算与试验对比
• 3.7.1 预混合压燃氢气/柴油发动机试验研究
• 3.7.2 数值模拟计算与试验对比
• 3.8 本章小结
• 4 预混合压燃氢气/柴油发动机混合气形成的研究
• 4.1 引言
• 4.2 喷油前缸内气体状态分析
• 4.2.1 缸内气体速度
• 4.2.2 缸内湍流变化
• 4.3 喷油后缸内混合气状态分析
• 4.3.1 纯柴油发动机和预混合压燃氢气/柴油发动机着火时刻的判断
• 4.3.2 油滴的运动状态
• 4.3.3 燃烧室内速度场
• 4.3.4 燃烧室内湍流
• 4.4 燃油喷雾特性对混合气形成的影响分析
• 4.4.1 SMD对混合气形成的影响
• 4.4.2 喷雾粒子群出口速度对混合气形成的影响
• 4.4.3 喷油提前角对混合气形成的影响
• 4.4.4 喷油油量对混合气形成的影响
• 4.5 影响预混合压燃氢气/柴油发动机混合气形成的其他因素
• 4.5.1 喷油器喷孔数对混合气形成的影响
• 4.5.2 初始涡流比对混合气形成的影响
• 4.5.3 发动机转速对混合气形成的影响
• 4.6 本章小结
• 5 预混合压燃氢气/柴油发动机着火与燃烧过程及其影响因素的研究
• 5.1 引言
• 5.2 预混合压燃氢气/柴油发动机着火与燃烧过程研究
• 5.2.1 预混合压燃氢气/柴油发动机着火过程
• 5.2.2 预混合压燃氢气/柴油发动机燃烧过程
• 5.2.3 预混合压燃氢气/柴油发动机着火与燃烧过程相关参数分析
• 5.2.4 预混合压燃氢气/柴油发动机排放特性分析
• 5.3 喷雾特性对预混合氢勺柴油发动机着火和燃烧过程的影响分析
• 5.3.1 SMD对着火和燃烧过程的影响
• 5.3.2 喷雾粒子群出口速度对着火和燃烧过程的影响
• 5.3.3 喷油提前角对着火和燃烧过程的影响
• 5.3.4 喷油油量对着火和燃烧过程的影响
• 5.4 影响预混合压燃氢气/柴油发动机着火和燃烧过程的其他因素
• 5.4.1 喷油器喷孔数对着火和燃烧过程的影响
• 5.4.2 初始涡流比对着火和燃烧过程的影响
• 5.4.3 发动机转速对着火和燃烧过程的影响
• 5.5 准均质充气压缩点火燃烧的实现
• 5.6 本章小结
• 6 结论
• 6.1 工作总结
• 6.2 今后工作展望
• 参考文献
• 附录 A 进气加氢柴油机参数表
• 附录 B 前处理网格文件IPREP
• 附录 C 主程序计算输入文件ITAPES
• 作者简历
• 学位论文数据集