燃料喷雾特性对压燃式发动机燃烧及排放的影响规律研究

发布时间：2017-10-20 21:26

  本文关键词：燃料喷雾特性对压燃式发动机燃烧及排放的影响规律研究

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【摘要】：内燃机自诞生之日起,因其对人们生活带来极大便利而被广泛的应用,然而能源与环境问题的日益突出使得人们不断提出越来越严格的排放法规,这对发动机工作过程优化及排放控制提出了更高的要求。燃料喷雾质量的好坏直接影响着混合气形成的质量,进而对发动机燃烧和排放产生影响,是发动机工作过程中最重要的一环。相关研究表明,燃料理化特性、喷雾控制条件、喷雾边界条件等对燃料的喷雾都有着巨大的影响。通过燃料设计,改变燃料的特性优化喷雾质量,促进燃烧,可作为降低发动机排放污染物的一种重要手段。为此,本文针对汽油/柴油混合燃料,应用模拟仿真的手段研究了不同燃料、不同喷油条件及喷雾边界条件的燃料喷雾特性,并试验研究了汽油/柴油混合燃料对压燃式发动机性能的影响。为实现燃料喷雾特性的光学测量,本文自行设计开发了可视化定容喷雾测试系统。该系统主要由定容器、燃油供给系统、进排气系统、控制系统、光学测试系统等组成。并对系统的关键部分即定容器整体进行了模拟及试验强度校核,保证了系统的可行性、安全性、可靠性。为研究燃料特性、喷雾控制条件及边界条件对喷雾特性的影响,应用AVL-Fire软件建立了定容器内蒸发状态下燃料喷雾模型,研究了汽油/柴油混合燃料喷雾形态、喷雾贯穿距、索特平均直径以及相关场分布情况。结果表明:随柴油中掺入汽油的比例增加,喷雾最大喷雾贯穿距离缩短、喷雾达到最大贯穿距的时间提前,SMD减小。温度场的分析表明,低温区域主要发生在油束的中部和前部,添加汽油后的混合燃料有利于促进燃料的的雾化、蒸发。不同燃料下,最大气相速度发生在油束的中心轴线上,油束两侧速度较低,高汽油掺混比例的G50燃料油束两侧速度最小。随燃油温度升高,混合燃料粘度呈现规律性递减,出最大贯穿距有所降低,SMD减小。随喷油压力增加,喷雾速率增加,最大贯穿距产生的时刻不断提前,贯穿距峰值降低,SMD值不断减小,喷雾初期混合燃料中非柴油成分迅速蒸发,雾化效果不断改善。随喷孔直径增大,喷雾贯穿距和SMD显著增大,但是小孔径对混合燃料中的非柴油成分蒸发促进作用明显。随环境压力增加,喷雾贯穿距的最大贯穿距离明显缩短,SMD值减小。环境温度对喷雾贯穿距的影响是持续性的,在油束发展阶段,随着环境温度的增加喷雾贯穿距增加加快,油束稳定阶段后,环境温度高的油束最大喷雾贯穿距反而短,SMD的值变大。在汽油/柴油混合燃料喷雾特性研究的基础上,试验研究了不同边界条件下汽油/柴油混合燃料对内燃机燃烧和排放的影响。结果表明:汽油/柴油混合燃料喷雾特性对发动机的燃烧和排放影响比较显著。中小负荷下缸内压力温度较低,雾化质量相对较差,滞燃期明显延长,燃烧持续期减少,CO、HC和烟度排放较高。在中高负荷时,随混合燃料中汽油添加比例的增加,缸内工质的均匀性改善,碳烟排放降低,但NOx排放有所增加。提高喷油压力,缩短了喷雾贯穿距,细化了液滴直径,有利于燃料更好的雾化、蒸发及混合,增大了发动机的预混合量,缩短了滞燃期及燃烧持续期,使排气烟度降低,但是带来了NOx排放量的增加,高汽油掺混比的燃料导致CO与HC排放量的增多。喷油时刻主要影响喷油时缸内的环境压力和温度,随着喷油时刻的延迟,喷油时发动机缸内温度压力均增加,滞燃期减少,燃烧相位延迟,最高燃烧压力降低,燃烧持续期及压力升高率略有下降,NOx排放显著降低,但是高汽油掺混比的燃料NOx排放较高。
【关键词】：燃料喷雾特性 汽油/柴油混合燃料 压燃式发动机 燃烧 排放
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK401
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第1章 绪论13-35
• 1.1 引言13-16
• 1.2 燃料喷雾特性的研究16-25
• 1.2.1 燃料喷雾结构、雾化、破碎机理16-19
• 1.2.2 燃油喷雾特性参数及理论研究19-23
• 1.2.3 燃料喷雾特性研究现状及发展23-25
• 1.3 燃料喷雾特性研究方法及手段25-29
• 1.3.1 喷雾燃烧模拟设备25-27
• 1.3.2 喷雾研究的光学方法27-29
• 1.4 燃油喷雾特性的主要影响因素29-31
• 1.4.1 燃油的物理特性参数29-30
• 1.4.2 喷射的边界条件30
• 1.4.3 喷嘴结构30-31
• 1.5 汽油/柴油混合燃料研究现状31-32
• 1.6 本文主要研究内容32-35
• 第2章 试验装置及台架的搭建35-49
• 2.1 定容燃烧弹设计的难点35-36
• 2.1.1 定容器设计方案35-36
• 2.2 定容器设计原则及设计36-40
• 2.2.1 定容器主体设计37-38
• 2.2.2 喷油器位置及密封设计38-39
• 2.2.3 定容器观察视窗的设计39-40
• 2.3 充排气系统的设计40-41
• 2.4 高压共轨系统的设计41-42
• 2.5 进气加热系统42
• 2.6 高速摄影系统42-44
• 2.7 光路设计44
• 2.8 试验台架及发动机44-46
• 2.8.1 试验发动机44-45
• 2.8.2 主要仪器设备45-46
• 2.9 试验用燃料的理化特性46-47
• 2.10 本章小结47-49
• 第3章 喷雾模拟仿真计算模型构建及验证49-63
• 3.1 喷雾数值模型49
• 3.2 控制方程49-51
• 3.2.1 连续控制方程49-50
• 3.2.2 湍流流动控制方程50
• 3.2.3 液滴控制方程50-51
• 3.3 喷雾子模型51-52
• 3.3.1 湍流子模型51
• 3.3.2 破碎子模型51
• 3.3.3 蒸发子模型51-52
• 3.4 本文选用的子模型52-54
• 3.5 模型验证54-61
• 3.5.1 喷雾模拟几何形状的建立及其网格划分54
• 3.5.2 喷雾模型的验证54-61
• 3.6 本章小结61-63
• 第4章 汽油/柴油混合燃料喷雾特性仿真研究63-87
• 4.1 燃料性质改变对汽油/柴油混合燃料喷雾特性的影响63-72
• 4.1.1 汽油/柴油混合燃料喷雾发展情况63-66
• 4.1.2 汽油/柴油混合燃料喷雾特性66-68
• 4.1.3 汽油/柴油混合燃料的喷雾场68-72
• 4.2 燃料温度对汽油/柴油混合燃料雾化的影响72-75
• 4.3 喷油压力改变对汽油/柴油混合燃料喷雾特性的影响75-77
• 4.4 喷孔直径改变对汽油/柴油混合燃料喷雾特性的影响77-80
• 4.5 环境压力改变对汽油/柴油混合燃料喷雾特性的影响80-82
• 4.6 环境温度改变对汽油/柴油混合燃料喷雾特性的影响82-85
• 4.7 本章小结85-87
• 第5章 汽油/柴油混合燃料对燃烧与排放的影响试验研究87-99
• 5.1 汽油/柴油很合燃料对燃烧及排放的影响87-91
• 5.1.1 汽油/柴油混合燃料对发动机燃烧过程的影响87-89
• 5.1.2 不同比例汽油/柴油混合燃料对排放的影响89-91
• 5.2 喷油压力对压燃式发动机燃烧及排放特性的影响91-94
• 5.2.1 喷油压力对燃烧特性的影响91-93
• 5.2.2 喷油压力对排放特性的影响93-94
• 5.3 喷油时刻对燃烧及排放特性的影响94-97
• 5.3.1 喷油时刻对燃烧特性的影响94-96
• 5.3.2 喷油时刻对排放特性的影响96-97
• 5.4 本章小结97-99
• 第6章 全文总结及未来工作展望99-103
• 6.1 全文总结99-101
• 6.2 未来工作展望101-103
• 参考文献103-109
• 作者简介109-111
• 致谢111

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本文编号：1069470