甲醇直喷发动机混合气形成及燃烧过程的研究

论文摘要

组织混合气合理分层、实现甲醇的稳定点火是甲醇直喷分层燃烧发动机必须要解决的问题。本文基于STAR-CD三维数值模拟软件,根据甲醇的物化特性及组织混合气合理分层的需要,在一台485柴油发动机的基础上重新设计了燃烧室。为了实现甲醇的合理分层、稳定点火和高效燃烧,首先,对不组织进气流动时缸内气流运动进行了深入分析,并研究了不同初始气流对缸内气流运动的影响;其次,根据混合气合理分层的需要,确定了喷嘴的位置,研究了喷醇参数和初始滚流比对混合气形成过程的影响;最后,依据实现稳定点火的三要素,选定了点火位置,并分析了转速对点火位置处当量比浓度和速度平均值的影响,研究了喷醇提前角、点火提前角不同时的甲醇燃烧特性和NOx排放特性,制订了不同负荷时的喷醇策略。主要取得了如下研究成果:1)不组织进气涡流时,由于挤流的作用,在燃烧室入口处形成了一个沿逆时针方向旋转的纵向涡流区,这个涡流区的范围在活塞向上移动的过程中逐渐增大,涡流区的中心同时向燃烧室中心移动;初始滚流对这个涡流区有加强作用,当初始滚流比为1.0时,涡的范围几乎扩大一倍,占满了整个燃烧室;2)通过喷雾与缸内气流运动的合理匹配,可以使混合气在燃烧室中合理分层,形成混合气浓度和气流运动都比较合适的稳定点火区;3)按照制订的喷醇策略,小负荷时,在燃烧过程开始之前,喷醇过程已基本结束,主要进行预混合燃烧,燃烧持续期很短;大负荷时,在燃烧过程开始之前,仅有一半左右的甲醇喷入缸内,这部分甲醇以预混合方式燃烧,之后,燃烧过程主要由喷雾控制,实行边喷边烧的扩散燃烧模式。本文对于提高甲醇的替代率,缓解当前的石油紧缺具有重要意义。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 替代燃料问题
• 1.2.1 几种车用主要替代燃料的技术经济分析
• 1.2.2 甲醇的物化特性及作为汽车代用燃料的特点
• 1.2.3 甲醇在发动机上的应用
• 1.3 缸内直喷分层燃烧系统
• 1.3.1 几种典型的缸内直喷燃烧系统简介
• 1.3.2 纯甲醇在缸内直喷分层燃烧系统上的研究现状
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 计算模型的建立
• 2.1 采用的三维计算模型及算法介绍
• 2.1.1 湍流模型
• 2.1.2 喷雾子模型
• 2.1.3 燃烧子模型
• 2.1.4 NOx生成子模型
• 2.2 计算模型的建立
• 2.2.1 燃烧室形状设计
• 2.2.2 计算网格的生成及网格依赖性分析
• 2.2.3 计算边界条件设定及模型发动机主要参数
• 第三章 缸内气流运动及混合气形成过程分析
• 3.1 缸内气流运动分析
• 3.1.1 缸内速度场的分布
• 3.1.2 初始气流对缸内速度场的影响
• 3.2 喷嘴位置的确定
• 3.2.1 喷雾方案的提出
• 3.2.2 两种喷雾方案的对比分析
• 3.3 混合气形成过程分析
• 3.3.1 喷孔直径对混合气形成过程的影响
• 3.3.2 初始滚流比对混合物气形成过程的影响
• 3.3.3 喷醇提前角对混合气形成过程的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 燃烧及排放分析
• 4.1 点火位置确定
• 4.1.1 初步确定
• 4.1.2 转速对考察点处当量比浓度和速度值的影响
• 4.2 喷醇提前角对燃烧及NOx排放的影响
• 4.3 点火提前角对燃烧及NOx排放的影响
• 4.3.1 低负荷时点火提前角对燃烧及NOx排放的影响
• 4.3.2 高负荷时点火提前角对燃烧及NOx排放的影响
• 4.4 不同过量空气系数时燃烧及排放分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 全文总结及展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢