基于汽油直喷压燃燃烧模式的缸内燃烧组织优化三维模拟研究

发布时间：2017-10-05 09:24

  本文关键词：基于汽油直喷压燃燃烧模式的缸内燃烧组织优化三维模拟研究

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【摘要】：由于能源和环境的双重压力,内燃机必须向高效清洁的燃烧模式发展,来应对日益严格的排放法规和主机厂对成本的控制。近年来各大研究机构对于压燃燃烧模式的改进研究结果表明,通过配合进气、喷油以及EGR等可变手段的调节,压燃燃烧方式除柴油以外,还可适用于如汽油和天然气等不同种类的燃料。其中汽油压燃燃烧(GCI)方式,由于其直接可燃用市售汽油燃料、能够达到甚至超过柴油机燃烧效率、极低的碳烟(Soot)排放等优点,成为一种潜在的可商用化的下一代燃烧模式。部分预混压燃燃烧(PPCI)采用缸内直喷长滞燃期燃料,通过早喷或晚喷使燃料在缸内燃烧之前全部喷入缸内,并进行一定程度的混合,实现喷雾和燃烧过程的分离。该燃烧方式和均质压燃燃烧(HCCI)不同,着火更依赖于混合气的分层。因此,PPCI燃烧的着火时刻可以通过对喷油时刻的控制来进行调整,燃烧更加可控。本文的研究基于一台ZH1130柴油机,采用AVL FIRE软件建立缸内燃烧三维模拟计算模型,通过模拟计算手段分析了包括进气、喷油方式及其与燃烧室的匹配参数对于汽油直喷压燃燃烧模式的影响。研究内容和结果如下:考虑进气气流流动特性对燃烧的影响:适当的缸内气流运动强度可优化燃烧着火时刻,开式燃烧室由于无法形成较强的缸内挤流运动,不利于着火的发生,“ω”形燃烧室可以产生较强挤流运动,有利于着火;涡流比在1~2范围内对于燃烧影响区别不大,但进一步增加涡流比会导致燃烧滞燃期增加,混合气混合更加充分,放热过程过快,NOx排放恶化,排温提高同时热效率下降。考虑喷油位置对燃烧的影响:喷油嘴位置和喷油夹角会改变喷雾射流和缸内气流的相对位置,这个影响会改变喷射油滴的蒸发和混合气的扩散,并改变着火时刻的最大湍动能大小。考虑进气充量的组成并配合适当的喷油时刻对燃烧的影响:在不使用进气掺混EGR并调整喷油时刻的情况下,燃烧效率和NOx排放并不能通过上述参数的调整同时达到一个理想值,通过调整EGR和喷油相位可以同时保证较高燃烧效率并明显降低NOx排放;由于PPCI模式下汽油着火对混合气浓度和湍动能的要求,本文设计了进气节流模式下的缸内燃烧模拟计算模型,结果表明,配合喷油时刻的调整以及进气温度的略微提升,在不掺混EGR的条件下可以实现较低NOx排放并且能保证一定燃烧效率;多次喷射的模拟结果表明单一考虑喷油时刻及喷油策略的调整对于燃烧有一定影响,但无法改变输出功率和NOx排放的“此消彼长”的关系,真正要避开“当量比-温度”图上的NOx生成区域仍然需要靠进气掺混EGR来稀释混合气。本文研究结果表明,在汽油直喷压燃燃烧模式下,EGR和进气节流都有明显的降低NOx排放的能力,配合喷油控制,能够保证在效率没有明显下降的同时实现国五排放。该研究结果能够为下一步汽油以及其他高辛烷值燃料直喷压燃实验及模拟研究提供指导作用。
【关键词】：汽油直喷压燃燃烧 三维模拟 分层燃烧 NOx排放 喷油策略
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK401
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 引言9-12
• 1.2 纯汽油部分预混压燃燃烧（PPCI）研究现状12
• 1.3 内燃机三维模拟现状12-13
• 1.4 本文研究目的及主要研究内容13-15
• 2 汽油直喷压燃燃烧发动机试验介绍15-20
• 2.1 汽油直喷压燃发动机试验平台15-17
• 2.2 实验数据的处理17-20
• 3 缸内燃烧三维模拟计算模型标定20-25
• 3.1 三维模拟软件平台介绍20-24
• 3.2 本章小结24-25
• 4 单次喷射的汽油部分预混压燃燃烧三维模拟25-68
• 4.1 不同燃烧室形状对汽油直喷压燃燃烧影响25-33
• 4.2 初始涡流比对汽油直喷压燃燃烧影响33-39
• 4.3 喷油器位置对汽油直喷压燃燃烧的影响39-51
• 4.4 喷油角度、涡流比对汽油直喷压燃燃烧的综合影响51-54
• 4.5 EGR率对汽油直喷压燃燃烧的影响54-63
• 4.6 进气压力对汽油直喷压燃燃烧影响63-66
• 4.7 本章小结66-68
• 5 多次喷射三维模拟结果及分析68-80
• 5.1 汽油直喷压燃燃烧两次喷射喷油策略优化68-76
• 5.2 多次喷射对汽油直喷压燃燃烧的影响76-79
• 5.3 本章小结79-80
• 6 总结与展望80-82
• 6.1 总结80-81
• 6.2 展望81-82
• 致谢82-83
• 参考文献83-87
• 附录（攻读学位期间发表论文）87

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本文编号：976015