论文题目: 基于柴油预混合压燃的碰撞喷雾及燃烧数值模拟
论文类型: 博士论文
论文专业: 动力机械及工程
作者: 冯立岩
导师: 隆武强
关键词: 柴油机,预混合压燃燃烧,燃烧系统,伞状喷雾,碰撞喷雾
文献来源: 大连理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 近年来,随着全球气候变暖、世界能源供应紧张、城市空气污染加剧等问题日益严重,内燃机工程界进一步加紧了开发新型超低排放节能型车用内燃机的步伐,尽可能提高燃油经济性、减少CO2排放并降低有害排放物及噪声。降低CO2排放和降低燃油消耗率的根本途径在于提高内燃机的燃料转换效率。传统汽油机受爆燃限制,压缩比低,热效率低,燃油经济性差。因而高燃油经济性的直喷式柴油机受到越来越多的关注。但是由于传统柴油机燃烧方式的固有特点决定了其在有害排放与燃料转换效率上的矛盾和NOx排放与颗粒排放之间的矛盾。要想解决这两对矛盾,就必须改变传统柴油机的燃烧方式。柴油均质预混合压燃（Homogeneous Charge Compression Ignition—HCCI）燃烧技术作为一种新型的燃烧方式,解决了传统柴油机所不能解决的两对矛盾,从而成为极有发展潜力的新型燃烧技术。然而柴油HCCI燃烧在预混合气准备、着火点控制和燃烧速率控制上面临着很大困难,这三个困难是柴油预混合压燃燃烧实用化道路上的主要障碍。论文针对这三个困难,在柴油预混合压燃燃烧的核心—预混合气形成方面展开了深入研究,同时对着火点和燃烧速率的控制方法进行了分析。 大连理工大学于20世纪80年代初提出了柴油热预混合燃烧思想（Diesel HotPremixed Combustion—DHPC）,并以其开发的伞状喷雾燃烧系统对该燃烧进行了深入研究。论文以柴油热预混合燃烧思想和伞状喷雾研究为基础,提出了新型伞状喷雾方式。该喷雾保持了伞状喷雾周向分布均匀的优点,同时贯穿距在设计上可通过调整碰撞角度而灵活设定。论文对4种碰撞方式的喷雾过程进行了数值模拟研究,并进行了燃烧实验研究。针对该喷雾方式的特点,论证了碰撞喷雾的碰撞结构和燃烧室结构要点,设计了不同形式的碰撞结构,并设计了相应的燃烧室,采用CFD软件AVL FIRE8.2对各个燃烧室的气流组织进行了分析,并对缸内碰撞喷雾的燃料分布情况进行了计算分析。 论文提出了适合缸内早喷射形成预混合气策略的碰撞喷雾系统,并设计了适合该策略的燃烧系统。分析了锥形套和锥体挡块碰撞导向装置配合各种燃烧室在不同喷油始点条件下所得到的预混合气形成情况。结合最佳燃烧室设计和碰撞喷雾系统设计方案,对采用早喷射策略的预混合压燃燃烧进行了数值模拟,对燃烧室形状、喷油始点、进气温度和EGR对燃烧的影响进行了分析,为后期的预混合气压燃燃烧实验建立了基础。 通过研究,得出以下结论: ●碰撞喷雾的贯穿距在设计上可通过调整碰撞角度而灵活设定。近距碰撞导向后,喷雾扩散性加强,油粒的动量损失较大,喷雾贯穿距减小。碰撞喷雾贯穿距减小的程度在低压环境下表现不明显,而在高压环境下表现明显。碰撞后贯穿距减小的程度受碰撞角度影响最大:碰撞角度越大,贯穿距越短,反之,贯穿距越长。碰撞角度对碰撞喷雾的散开角度也有很大影响:碰撞角度越大,散开角度越大,反之散开角度越小。 ●与自由喷雾相比,碰撞喷雾受缸内空气运动影响更大,因此在碰撞喷雾系统和燃烧系统设计中应重点考虑这种影响。 ●采用锥形套碰撞导向装置可以获得高扩散性、周向分布均匀的伞状喷雾,这种伞状喷雾油粒动量小,使燃料撞击活塞或缸套表面的可能性大大降低,从而避免了部分区域燃空当量比过大和燃料挂壁的不良后果。对于提高柴油预混合气均匀度具有很大作用。大连理工大学博士学位论文燃烧室形状对碰撞喷雾形成预混合气的均匀度有很大影响,该影响在小喷油提前角条件下表现尤其明显。与其他形状燃烧室比较,在600和80oCA喷油提前角条件下,收口深。形燃烧室的预混合气均匀度较好。碰撞导向装置的几何形状对燃空当量比分布也有较大影响。与锥体挡块式导向装置相比较,锥形套导向装置形成的柴油预混合气均匀度较好。.柴油预混合压燃燃烧计算表明,锥形套碰撞喷雾方式使主燃燃烧速率与喷油始 点之间呈一元函数变化关系,解决了提高混合气均匀度和避免燃料挂壁之间的 矛盾。关键词:柴油机;预混合压燃燃烧;燃烧系统;伞状喷雾;碰撞喷雾.
论文目录:
1 前言
1．1 内燃机发展所面临的挑战
1．1．1 排放法规
1．1．2 低温室气体排放及低能耗要求
1．1．3 替代动力发展计划
1．2 内燃机改良技术
1．2．1 汽油直喷技术(GDI—Gasoline Direct Injection)
1．2．2 先进直喷柴油机技术
1．3 内燃机革新技术：均质充量压燃(HCCI—HOMOGENEOUS CHARGE COMPRESSION IGNITION)
1．3．1 HCCI燃烧的前景
1．3．2 HCCI燃烧研究所面临的挑战
1．3．2．1 预混合气形成
1．3．2．2 着火点控制
1．3．2．3 燃烧速率控制
1．3．3 HCCI燃烧研究策略
1．4 伞状喷雾系统的研究
1．4．1 第一代伞状喷雾系统的研究
1．4．2 第二代伞状喷雾系统的研究
1．5 新型伞状喷雾
1．5．1 新型伞状喷雾的生成方式
1．5．2 国内外喷雾碰壁研究回顾
1．5．2．1 碰撞喷雾的机理研究
1．5．2．2 碰撞喷雾的应用研究
1．6 论文的工作内容
1．7 参考文献
2 碰撞导向装置及燃烧室设计与分析
2．1 近距碰撞喷雾
2．1．1 油嘴下方锥体挡块碰撞
2．1．2 油嘴外围锥形套碰撞
2．2 远距碰撞喷雾
2．2．1 燃烧室中间碰撞
2．2．2 燃烧室边缘碰撞
2．3 燃烧室设计及缸内流场分析
2．3．1 浅ω形燃烧室气流运动分析
2．3．2 深ω形燃烧室气流运动分析
2．3．3 室壁碰撞式燃烧室气流运动分析
2．3．4 气流运动分析小结
2．4 本章小结
2．5 参考文献
3 碰撞喷雾特性分析
3．1 喷雾的高速摄影
3．1．1 实验装置和方法
3．1．2 实验结果与分析
3．2 喷雾的数值模拟
3．2．1 喷雾模拟采用的子模型
3．2．1．1 湍流扩散模型
3．2．1．2 破碎子模型
3．2．1．3 碰撞子模型
3．2．2 固定容器喷雾模拟
3．2．3 实际缸内模拟
3．2．3．1 近距碰撞模拟
3．2．3．1．1 油嘴下方锥体挡块碰撞
3．2．3．1．2 油嘴外围锥形套碰撞
3．2．3．2 远距碰撞模拟
3．2．3．2．1 燃烧室中间碰撞
3．2．3．2．2 燃烧室边缘碰撞
3．3 本章小结
3．4 术语
3．5 参考文献
4 柴油预混合压燃燃烧模拟与分析
4．1 早喷射策略对燃油喷射过程及预混合气形成的要求
4．2 燃烧模型
4．2．1 Shell模型
4．2．2 高温氧化反应
4．2．3 湍流控制燃烧模型
4．3 计算结果及分析
4．3．1 计算对象
4．3．2 CFD建模
4．3．3 锥形套碰撞导向装置形成预混合气分析
4．3．3．1 燃烧室及碰撞体形状对燃空当量比分布的影响
4．3．3．2 喷油始点对燃空当量比分布的影响
4．3．3．3 与常规喷油系统的预混合气均匀度比较
4．3．3．4 增压对燃空当量比分布的影响
4．3．4 锥体挡块式碰撞导向装置形成预混合气分析
4．3．5 燃烧分析
4．3．5．1 缸内温度分析
4．3．5．2 热力学分析
4．3．5．2．1 燃烧室的影响
4．3．5．2．2 喷油始点的影响
4．3．5．2．3 进气温度的影响
4．3．5．2．4 EGR的影响
4．4 本章小结
4．5 参考文献
5 柴油碰撞喷雾燃烧实验
5．1 实验设备
5．2 实验方案
5．3 实验结果
5．3．1 半碰喷雾燃烧特性
5．3．1．1 6孔喷油嘴
5．3．1．2 4孔喷油嘴
5．3．2 半碰喷雾与自由喷雾的燃烧特性比较
5．3．3 全碰喷雾燃烧特性
5．4 本章小结
6 总结与展望
6．1 总结
6．2 展望
附录1 活塞温度场分析
附录2 英文简写
作者在学习期间所发表的论文及申请的专利
创新点摘要
致谢
大连理工大学学位论文版权使用授权书
发布时间: 2005-07-04
参考文献
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