论文题目: 预混合压燃发动机混合气形成与燃烧过程研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 动力机械及工程
作者: 姚广涛
导师: 姚春德
关键词: 预混合压燃,柴油机,可视化,数值模拟
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 预混合均质压燃着火(HCCI)方式避免了碳烟和NOx的生成条件,因而生成的碳烟和NOx的排放量很少。这种燃烧接近等容燃烧,有很高的热效率,被认为是未来取代传统发动机燃烧方式最有前途的技术之一,是目前内燃机界的研究热点。本文通过试验观察与模拟计算相结合的研究方法,对柴油在不同的氛围中混合气形成与着火和燃烧过程进行了深入地研究,揭示了预混合压燃混合气形成与着火的特点,分析了不同参数对实现预混合压燃燃烧过程的影响,提出了在不同条件下,实现预混合压燃燃烧过程的条件。大量试验研究发现:柴油机在中小负荷时,碳烟和NOx排放极低。通过对柴油机在部分负荷时混合气形成与着火特点的研究发现:在一定条件下,柴油机在着火前,已没有可见的油滴存在,实际上属于预混合压燃燃烧。这一研究结果说明:柴油机在部分负荷时,之所以碳烟和NOx极低,除与传统的认为此时混合气浓度比较稀有关外,还与此时燃烧过程为预混合压燃有重要的关系。为了深入研究柴油在不同的氛围中实现预混合压燃燃烧过程时,燃油蒸发、混合气形成以及着火与燃烧过程的特点,本文首先采用先进的激光测试技术和高速CCD建立了一套发动机可视化装置,直接观测和记录实际发动机中柴油在纯空气、天然气-空气、CO2-空气环境中雾化、蒸发以及着火和燃烧过程。试验研究结果表明:在不同的氛围中,柴油喷油量在一定范围内,均可以实现预混合压燃燃烧;柴油在天然气-空气和CO2-空气氛围中,着火滞燃期比在纯空气中长,且着火点的数量更多,因此,燃烧过程更接近预混合均质压燃燃烧。本文通过对实际发动机中柴油在不同的氛围中实现预混合压燃与预混合均质压燃(HCCI)燃烧过程进行对比,发现前者燃烧过程为柴油在具备着火条件的几个点同时着火,然后引燃周围的混合气,这与HCCI的无边界着火明显不同。为了分析柴油在不同的氛围中混合气形成与着火和燃烧的规律,确定实现柴油预混合压燃的条件,本文将目前广泛采用的KIVA程序改造为可以进行单、双燃料内燃机工作过程的数值模拟,提出了柴油引燃预混合天然气发动机引燃油着火预测修正的Shell模型,以Arrhenius公式为基础,综合湍流对化学动力学的影响,提出了一个新的燃烧模型。模拟计算结果表明:柴油机不同的喷油提前角均对应一个使燃油在着火前实现完全蒸发的最大喷油量;柴油在天然气-空气中着火滞燃期比在纯柴油中长,可以在相对较多的引燃油量下,实现预混合压燃。
论文目录:
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 预混合均质压燃燃烧系统的研究历程
1.3 柴油HCCI 发动机混合气形成方式与特点
1.4 内燃机均质压燃燃烧研究面临的问题
1.5 本课题的提出及主要解决的问题
第二章 发动机缸内燃油喷雾与燃烧过程试验研究装置
2.1 概述
2.2 内燃机缸内混合气形成与燃烧过程光学测试方法
2.3 试验系统设计
2.3.1 光学发动机
2.3.2 进气系统
2.3.3 光学系统
2.3.4 实验控制和数据采集系统
2.3.5 实验装置
2.4 本章小结
第三章 预混合压燃混合气形成与燃烧过程试验研究
3.1 引言
3.2 试验方案
3.3 柴油机不同负荷燃油喷雾与燃烧过程试验研究
3.3.1 着火前燃油蒸发状况
3.3.2 着火特征
3.3.3 着火滞燃期
3.4 进气引入部分天然气时柴油混合气形成与燃烧过程试验研究
3.4.1 引燃柴油混合气形成与着火过程
3.4.2 在天然气-空气中引燃柴油喷雾特性及天然气浓度对着火过程的影响
3.5 在CO_2-空气环境中柴油喷雾与燃烧过程试验研究
3.5.1 进气中加入CO_2 对柴油喷雾过程的影响
3.5.2 进气中加入CO_2 对柴油着火过程的影响
3.5.3 进气中加入CO_2 对柴油着火延迟期和燃烧持续期的影响
3.6 预混合压燃燃烧过程与HCCI 燃烧过程对比
3.7 本章小结
第四章 预混合压燃混合气形成与燃烧过程数学模型
4.1 引言
4.2 预混合均质压燃燃烧过程数学模型研究现状
4.3 气体流动过程以及燃油喷雾模型
4.3.1 气体流动过程模型
4.3.2 液滴蒸发模型
4.3.3 燃油喷雾模型
4.4 着火与燃烧模型
4.4.1 着火模型
4.4.2 燃烧模型
4.5 本章小结
第五章 预混合压燃混合气形成及燃烧过程的数学模型计算分析
5.1 引言
5.2 模型计算结果的试验验证分析
5.2.1 柴油和柴油引燃预混合天然气发动机燃烧过程模拟计算结果试验验证
5.2.2 柴油引燃预混合天然气着火模型验证
5.2.3 柴油引燃预混合天然气燃烧过程模型验证
5.3 柴油在纯空气和天然气-空气中混合气形成与燃烧过程计算分析
5.3.1 喷油前缸内气体状态比较
5.3.2 柴油机小负荷和柴油引燃预混合天然气发动机着火滞燃期分析
5.3.3 预混合天然气发动机中引燃柴油着火点模拟计算
5.3.4 柴油及柴油引燃预混合天然气发动机着火前燃油雾场分布
5.4 燃油喷雾特性对柴油引燃预混合天然气发动机混合气形成及燃烧过程影响
5.4.1 引燃油SMD 的影响
5.4.2 引燃油喷雾粒子群出口速度的影响
5.4.3 引燃油喷油提前角的影响
5.4.4 天然气所占比例的影响
5.5 柴油在纯空气和天然气-空气中预混合压燃条件
5.5.1 柴油在纯空气中预混合压燃条件
5.5.2 柴油在天然气-空气中预混合压燃条件
5.6 本章小结
第六章 工作总结与展望
6.1 工作总结
6.2 今后工作展望
参考文献
发表论文和科研情况说明
致谢
发布时间: 2006-05-24
参考文献
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