基于燃烧过程优化的小型农用柴油机燃烧室结构匹配研究

摘要

受使用对象及用途的限制，小型农用单缸柴油机的质量提升应优先选择不过多增加柴油机成本就能达到优化缸内燃烧过程的技术措施。本研究采用CFD软件分别对原机ω型燃烧室、A型缩口燃烧室、B型直口燃烧室、C型敞口燃烧室、D型凸台燃烧室和E型哑铃型燃烧室等共6种燃烧室进行物理模型建立、网格划分、动网格定义、初始边界条件设定和运算。从燃烧本质出发，通过数值模拟从三维微观层面了解燃烧室结构对缸内气体流动、混合气形成及燃烧过程的影响特点，提出通过燃烧室结构改进提高燃烧过程质量的关键因素，实现小型农用柴油机性能整体提高，简化试验研究工作。
　　 模拟研究表明，燃烧室向左偏移导致燃烧室内流场结构不对称，缸内湍流动能分布不均匀，活塞凹坑内旋流偏左且速度较大，活塞顶上部左边旋流速度也比右边大。敞口燃烧室因缺乏缩口的约束作用，燃烧初期对活塞顶上部新鲜空气的利用较好，对滞燃期和急燃期影响明显，着火提前，压力升高率和温度升高率都较大，但整个燃烧室气流速度较低，燃烧持续期最短，不利于Soot氧化，Soot排放较多。缩口燃烧室克服了敞口燃烧室的不足，有利于提高整个燃烧室旋流速度，且随着缩口率的增加，燃烧后期旋流速度较大，后燃充分，膨胀行程做功能力提高，但高温持续期较长导致了NOx排放量较大。直口燃烧室能够满足原机性能且加工容易，如从生产成本考虑，可替代现有的柴油机燃烧室。活塞凹坑内中央凸台加大，活塞凹坑内旋流速度变弱，但随着压缩行程活塞上行运动，活塞顶上部挤流增强且区域增大，确保了混合气在上止点附近缓燃期内迅速和完全燃烧，动力性增强，但中央凸台上方气流低速区域增加，容易形成高温区域，NOx生成量明显增加。可见，仅从改变缩口形式或中央凸台大小方面改善燃烧排放性能有限。E型燃烧室为仿哑铃型燃烧室，膨胀行程能保持强流场，具有明显浓燃到稀燃的时域特性，着火提前且扩散燃烧迅速，与原机相比，能够基本达到原机动力性和Soot排放水平，且明显降低NOx排放，改善了NOx和Soot的Trade-off关系。如进一步调整喷油定时，Soot排放可略为减少；如增加燃料含氧量，燃烧室凹坑积碳生成现象明显减少。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 柴油机燃烧室应用及研究现状

1.2.1 柴油机燃烧室应用

1.2.2 柴油机燃烧室研究现状

1.3 柴油机工作过程数值模拟

1.3.1 数值模拟概述

1.3.2 内燃机燃烧模型

1.4 论文研究目的及主要内容

第二章 数学模型

2.1 基本方程

2.2 湍流模型

2.3 液滴湍流扩散模型

2.4 湍流燃烧模型

2.5 排放物模型

2.5.1 NOx模型

2.5.2 SOOT模型

第三章 计算模型的建立及验证

3.1.网格的建立

3.1.1 STAR-CD建模简介

3.1.2 ZS195柴油机计算网格的生成

3.2 计算模型选择及边界、初始条件的确定

3.2.1 计算模型的选择

3.2.2 边界、初始条件的确定

3.3.试验平台的搭建及模型的验证

3.3.1 试验平台的组建

3.3.2 模型的验证

第四章 不同结构参数燃烧室

4.1 不同缩口比燃烧室

4.1.1 不同缩口比燃烧室形状及建模

4.1.2 气流运动分析

4.1.3 燃烧模拟分析

4.2 不同凸台形状燃烧室

4.2.1 几何形状及建模

4.2.2 缸内流场分析

4.2.3 燃烧模拟分析

第五章 新型燃烧室

5.1 新型燃烧室的提出

5.2 几何形状及建模

5.3 缸内流场分析

5.4 燃烧模拟分析

5.4.1 缸内压力、温度对比

5.4.2 排放分析

5.5 E型燃烧室变参数优化

5.5.1、喷油提前角对E型燃烧室性能影响

5.5.2、添加含氧燃料对E型燃烧室性能影响

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表学术论文情况