论文摘要
柴油机具有热效率高和经济性好的优点,因此,非道路用机械大多以柴油机作为动力来源。柴油机的喷雾燃烧过程是工作循环的核心和关键,直接影响到柴油机的动力性,经济性和排放性能。在能源和环境问题的双重压力下,要满足非道路用柴油机严格排放法规的要求,优化非道路用柴油机的喷雾燃烧过程具有非常重要的意义。相对于试验研究,内燃机缸内喷雾燃烧过程的多维数值模拟在预测柴油机性能、指导和优化燃烧系统设计等方面,具有系统开发成本低、数据获取方便、研发周期短等优点,是研究柴油机喷雾燃烧过程这一复杂多变的物理、化学过程的重要研究手段。本文在分析国内外柴油机喷雾燃烧过程数值模拟现状以及理解喷雾燃烧数值方法的基础上,采用CFD分析软件STAR-CD对TY3100型直喷柴油机缸内喷雾和燃烧过程进行了多维数值模拟。论文首先建立了TY3100柴油机缸内喷雾和燃烧过程三维模拟的计算模型,并重点研究了计算网格及EBU LACT燃烧模型中的经验参数Aebu对模拟结果的影响。其中,利用三维建模软件UG建立了包括进排气道、气缸、燃烧室在内的计算域三维实体模型,利用STAR-CD及内燃机动网格生成工具ES-ICE建立了柴油机动网格模型,并借助发动机一维仿真软件GT-POWER获得了模拟的初始和边界条件。计算网格及经验参数Aebu对模拟结果的影响研究表明：喷雾燃烧数值模拟结果对计算网格及模型参数选择具有较大的依赖性；随着网格加密,喷雾射流的速度不断增大,喷雾油束几何形态变得细长,喷雾贯穿距增大；网格D适合于本研究的喷雾计算；增大Aebu会使燃烧反应速率加快,计算中Aebu取为4。其次,运用建立的计算模型对TY3100原机的喷雾燃烧过程进行模拟,详细分析了柴油机缸内流场、喷雾发展形态、喷雾液滴的空间分布及燃油浓度分布情况,燃烧温度场及排放物NOx和SOOT的浓度场分布情况。研究表明,燃烧室偏心布置导致各个喷孔方向燃油浓度分布不均匀；较低的喷射压力导致燃油雾化质量较差,燃烧室凹坑内的空气利用率较低；NOx在高温富氧的燃烧室凹坑及活塞和缸盖之间的区域生成,SOOT在燃烧室缩口和缸盖顶部挤流区域生成。研究结果为原机燃烧系统的评价及改进提供依据。最后研究了喷油压力和燃烧室形状对柴油机混合气形成及燃烧过程的影响。喷油压力从原机60MPa提高到120MPa后,雾化质量提高,燃油分布区域增大,燃烧室内的空气利用率增大,碳烟生成量减少,同时NOx生成量增加,但碳烟减少幅度比NOx增加幅度大13%。喷油压力的提高,燃烧室形状也要与其匹配,因此在保证压缩比不变的情况下,设计了三种不同缩口比大小的燃烧室。在120MPa喷射压力的情况下,对三种不同形状燃烧室的喷雾和燃烧过程进行了数值模拟。结果表明,燃烧室B涡流保持性好,燃油与空气混合较好,较好地折衷了NOx和SOOT的排放。